智軌電車電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與管路優(yōu)化分析*

谷 飛，劉 彪，李典計(jì)

(湖南中車智行科技有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

智軌電車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了永磁電機(jī)的牽引方案，永磁電機(jī)具有損耗低，加速性能好，結(jié)構(gòu)緊湊等的優(yōu)點(diǎn)[1]。但電機(jī)在峰值功率持續(xù)運(yùn)行，以及在頻繁加速減速過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能有效的散熱，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)退磁，會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的工作，對安全運(yùn)行造成影響[2]。

筆者以新一代智軌平臺(tái)為基礎(chǔ)，針對該平臺(tái)設(shè)計(jì)一款電機(jī)冷卻系統(tǒng)。根據(jù)電機(jī)及電機(jī)控制器的發(fā)熱量以及散熱要求選定相應(yīng)的系統(tǒng)器件，另根據(jù)總體布置要求，設(shè)計(jì)合理的安裝方式，最后結(jié)合AMESim軟件仿真結(jié)果對管路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到較優(yōu)的散熱效果。

1 冷卻系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

智軌電車電機(jī)冷卻散熱系統(tǒng)主要為車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器提供冷卻功能，保證其能在正常的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)開始階段要根據(jù)功能要求對其使用條件以及系統(tǒng)構(gòu)成等進(jìn)行分析。

1.1 使用條件

智軌電車目前主要使用于低海拔的亞熱帶氣候以及溫帶氣候地區(qū)(見表1所列)，在電器件材料選擇以及冷卻液的選用方面要首先考慮環(huán)境的因素。

表1 冷卻系統(tǒng)使用的環(huán)境條件

根據(jù)環(huán)境條件要進(jìn)行相應(yīng)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)：

(1)密封設(shè)計(jì)，防止系統(tǒng)內(nèi)冷卻液泄露，其連接部位緊固件應(yīng)達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊值。

(2)耐腐蝕設(shè)計(jì)，選用優(yōu)良的鍍層和其他表面處理工藝的緊固件，提高各器件的耐腐蝕性能。

(3)耐高低溫設(shè)計(jì)，設(shè)備與防凍液應(yīng)具有良好的散熱性能，有自身的散熱空間，同時(shí)冷卻液和器件應(yīng)耐氣溫，保證嚴(yán)寒中的使用。

1.2 功能要求

冷卻系統(tǒng)的主要功能是維持電機(jī)和控制器最佳的工作溫度以及排出管路及電機(jī)和控制器中的氣泡，系統(tǒng)的功能分析及其失效形式如表2所列。根據(jù)其功能要求可以進(jìn)一步確定冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成。

表2 冷卻系統(tǒng)功能要求

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

電機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由散熱器、無刷風(fēng)扇、電動(dòng)水泵、膨脹水箱以及管路等構(gòu)成，其內(nèi)部接口規(guī)劃如圖1所示。

圖1 冷卻散熱系統(tǒng)內(nèi)部接口規(guī)劃圖

2 電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

電機(jī)冷卻系統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)及選型主要涉及散熱器、電子水泵和電子風(fēng)扇的計(jì)算驗(yàn)證。

2.1 散熱器總成設(shè)計(jì)

根據(jù)整車配置參數(shù)表中電機(jī)及控制器的型號(hào)，查閱相關(guān)資料獲得散熱相關(guān)參數(shù)，對散熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.1.1 散熱量計(jì)算

確定系統(tǒng)所需散熱量Qw是電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。由于受到外界影響因素過多，所以在工程應(yīng)用中對于系統(tǒng)散熱量Qw的計(jì)算多采用以下公式估算[3]：

Qw=Qm×(1-ηm)+Qc×(1-ηc)

(1)

式中：Qm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，kW；ηm為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率；Qc為控制器的功率，kW；ηc為控制器的效率。

2.1.2 散熱器的散熱面積

根據(jù)計(jì)算出的散熱量來確定散熱器選定的型號(hào)及參數(shù)。散熱器中冷卻液的循環(huán)流動(dòng)帶走系統(tǒng)中的熱量，散熱器的散熱面積可以用下列公式計(jì)算(忽略上下水室所散發(fā)的熱量)：

式中：Qw為散熱器散發(fā)的熱量，kW；φw為散熱器貯備系數(shù)，取φw=1.1～1.5；K為散熱器的傳熱系數(shù)，由散熱器廠家提供；Δt為散熱器中冷卻液和冷卻空氣的平均溫差Δt=tw-ta

式中：tw為冷卻液平均溫度，ta為冷卻空氣平均溫度。

tw=tw1-Δtw/2

(2)

ta=ta1+Δta/2

(3)

式中：tw1為散熱器進(jìn)水溫度，℃；ta1為散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度，℃；Δtw為散熱器冷卻液的進(jìn)出口溫差，℃；Δta為散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫差，℃。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果選擇合適的散熱器芯體。選擇的散熱器要滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的散熱要求，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器能夠正常的工作。

2.2 電子風(fēng)扇設(shè)計(jì)

電子風(fēng)扇作為散熱器的重要散熱部件對其設(shè)計(jì)校核尤為重要，設(shè)計(jì)過程中主要考慮風(fēng)扇的風(fēng)量與風(fēng)扇的大小。

2.2.1 風(fēng)扇風(fēng)量

風(fēng)扇風(fēng)量Va一般和散熱器的散熱量相匹配，可以根據(jù)散熱器的散熱量由以下公式計(jì)算：

(4)

式中：Δta為空氣進(jìn)入散熱器前后的溫度差，℃；γa為空氣的重度，kg/m3；cp為空氣定壓比熱，kJ/kg·℃。

2.2.2 風(fēng)扇外徑

根據(jù)選定散熱器的尺寸確定風(fēng)扇的外徑D，可按下面公式計(jì)算：

(5)

式中：Sz為散熱器芯體的正面面積。

2.3 水泵設(shè)計(jì)

在電機(jī)冷卻系統(tǒng)中，電機(jī)及控制器產(chǎn)生的熱量隨著冷卻液的不斷循環(huán)流動(dòng)而帶走，為了保證散熱需求，水泵的流量及揚(yáng)程也是重要的技術(shù)指標(biāo)。

2.3.1 水泵流量

根據(jù)系統(tǒng)中散熱量的需求，可由下式計(jì)算冷卻液循環(huán)量Vw：

(6)

式中：Δtw為冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)時(shí)的容許溫升，℃；γw為水的比重，kg/m3；cw為水的比熱，kJ/kg·℃。

2.3.2 水泵揚(yáng)程

揚(yáng)程是單位質(zhì)量的液體通過水泵后獲得的能量[4]。由于冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水道內(nèi)部存在水阻，得到所匹配的揚(yáng)程可以避免發(fā)生氣蝕及供水不足現(xiàn)象[5]。水泵所需揚(yáng)程通?？梢酝ㄟ^對水道的長度及形狀進(jìn)行估算，但是智軌用電機(jī)及控制器內(nèi)部的水道形狀復(fù)雜，且流量分配難以確定，估算會(huì)存在較大誤差，故一般采用實(shí)驗(yàn)的方式測得。

3 電機(jī)冷卻系統(tǒng)工作邏輯

此系統(tǒng)整體工作邏輯為：當(dāng)電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)電機(jī)及控制器溫度達(dá)到設(shè)定值后，水泵開始工作，循環(huán)冷卻液，在外界溫度較低或者運(yùn)行時(shí)間較短時(shí)可以滿足電機(jī)及控制器的散熱要求；若通過冷卻液循環(huán)的自然散熱無法滿足散熱要求時(shí)就需要啟動(dòng)散熱器電子風(fēng)扇，從而在短時(shí)間內(nèi)使電機(jī)及控制器的溫度下降到合理的范圍內(nèi)。

3.1 水泵工作邏輯

水泵的啟停條件主要根據(jù)電機(jī)及控制器的溫度。水泵啟動(dòng)的條件為：電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫度高于50 ℃或控制器溫度高于45 ℃；電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)溫度高于60 ℃或控制器溫度高于50 ℃。水泵停止的條件為：電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)溫度低于50 ℃或控制器溫度低于45 ℃；電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)溫度低于60 ℃或控制器的溫度低于50 ℃。

3.2 電子風(fēng)扇工作邏輯

當(dāng)冷卻液循環(huán)自然冷卻無法滿足散熱需求時(shí)就需要電子風(fēng)扇工作來加快系統(tǒng)散熱，啟動(dòng)條件為：若散熱器的冷卻液入口溫度>45 ℃或出口溫度>40 ℃時(shí)，電子風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)散熱器的冷卻液入口溫度>65 ℃或出口溫度>60 ℃時(shí)，電子風(fēng)扇將高速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)散熱器的冷卻液入口溫度在45～65 ℃之間，或出口溫度在40～60 ℃之間時(shí)，電子風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速線性增加。

電子風(fēng)扇關(guān)閉所需條件：當(dāng)散熱器的冷卻液入口溫度<45 ℃或出口溫度<40 ℃。

4 基于AMESim的管路設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

電機(jī)散熱系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)也是影響散熱效果的重要因素。根據(jù)選定的散熱部件，設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)的管路。其布置方案有如下兩種。

(1)冷卻液流向：膨脹水箱→水泵→控制器/驅(qū)動(dòng)電機(jī)→散熱器→水泵(如圖2所示)。

圖2 并聯(lián)水路連接方案

(2)冷卻液流向：膨脹水箱→水泵→驅(qū)動(dòng)電機(jī)→控制器→散熱器→水泵(如圖3所示)。

圖3 串聯(lián)水路連接方案

4.1 搭建電機(jī)冷卻系統(tǒng)AMESim模型

AMESim是一款圖形化仿真軟件，主要用于機(jī)械、控制、液壓和熱系統(tǒng)等領(lǐng)域的建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析，其特有的組件庫和組件模型經(jīng)過嚴(yán)格測試，保證仿真結(jié)果的可靠性[6]。將電機(jī)冷卻系統(tǒng)的兩個(gè)管路設(shè)計(jì)方案分別建立仿真模型，以分析散熱性能，以得到較優(yōu)的管路設(shè)計(jì)方案。

在AMESim軟件平臺(tái)搭建智軌電車電機(jī)冷卻系統(tǒng)的仿真模型，如圖4、5所示分別為串聯(lián)管路和并聯(lián)管路的仿真模型。模型主要由電機(jī)、散熱器、水泵、風(fēng)扇及冷卻管路等子模塊組成。

圖4 電機(jī)冷卻系統(tǒng)串聯(lián)管路模型

圖5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)并聯(lián)管路模型

4.1.1 電機(jī)子模塊

電機(jī)以智軌電車采用的某型永磁電機(jī)為研究對象，其主要參數(shù)如表3所列。電機(jī)模型選用AMESim軟件IFP Drive庫中的DRVEM02元件。電機(jī)散熱量根據(jù)式(1)計(jì)算。

表3 電機(jī)的主要參數(shù)

4.1.2 散熱器子模塊

散熱器為縱向流水結(jié)構(gòu)，進(jìn)水口在左上方，出水口在右下，其主要參數(shù)如表4所列。散熱器模型選用AMESim軟件HEAT庫中的THPHISIMP01元件，膨脹水箱模型選用Thermal Hydraulic庫中的TFTK3元件。此散熱器是利用氣-液交換器來模擬熱交換的，熱交換公式為：

Qr=AeU(Tin-Tout)

(7)

式中：Qr為單位時(shí)間內(nèi)空氣與散熱器內(nèi)冷卻液單的熱交換量；Ae為散熱器中交換面積；U為對流換熱系數(shù)；Tin和Tout分別為散熱器進(jìn)水和出水溫度。

其中，對流換熱系數(shù)計(jì)算公式為：

(8)

式中：km為散熱器管道的導(dǎo)熱系數(shù)；Ma和Mf為空氣和冷卻液的質(zhì)量流量；Aa和Ba為空氣側(cè)的對流修正系數(shù)；af和bf為冷卻液側(cè)對流修正系數(shù)。

表4 散熱器的主要參數(shù)

將散熱器的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到散熱功率與流量和風(fēng)速的關(guān)系圖，如圖6所示。

4.1.3 其他子模塊

電機(jī)冷卻系統(tǒng)使用的水泵、電子風(fēng)扇和管路的主要參數(shù)如表5所列。水泵模型選用AMESim軟件Thermal Hydraulic Resistance庫中的TFPU001元件，風(fēng)扇模型選用HEAT庫中的FAN001元件，系統(tǒng)中管路模型選用Thermal Hydraulic Resistance庫中的TFL001元件。

表5 系統(tǒng)中其他元件參數(shù)

4.2 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

仿真之前對智軌電車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，環(huán)境溫度為20 ℃，大氣壓力為101.3 kPa，車速為45 km/h，仿真時(shí)間為50 000 s。

分別對兩種管路連接狀態(tài)進(jìn)行仿真，管路中的溫度曲線如圖7所示，從圖中可以看出并聯(lián)水路的散熱效果較好，串聯(lián)水路的溫升較快。但是在運(yùn)行一定時(shí)間之后兩者差異不大，溫度都趨于穩(wěn)定。

圖7 兩種連接方式管路內(nèi)冷卻液溫度結(jié)果圖

對于電機(jī)冷卻系統(tǒng)的管路連接，兩種方式都能夠有效降溫，并聯(lián)方式可以使得電機(jī)和控制器冷卻液進(jìn)水口的冷卻液都是直接由散熱器流出，故優(yōu)先選用該方式進(jìn)行管路連接。但是考慮到管路連接的復(fù)雜性以及安裝空間的局限性，采用串聯(lián)的安裝方式可以減少管路相關(guān)元器件數(shù)量，連接簡單可靠。

5 結(jié) 語

以智軌電車電機(jī)及其控制器的散熱需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了適用于智軌電車的電機(jī)冷卻系統(tǒng)。同時(shí)利用AMESim仿真軟件對管路連接方案進(jìn)行了分析，得出了在不同的條件下適用的安裝方案，對系統(tǒng)及管路的設(shè)計(jì)提供理論參考。