油冷電機(jī)繞組噴淋冷卻數(shù)值模擬與研究

陳小健 李婷 徐剛 朱夢楠 吳愛華

（智新科技股份有限公司，武漢 430100）

主題詞：高壓油冷扁線電機(jī) 噴淋冷卻 CFD仿真 油量分配

1 前言

液冷電機(jī)的冷卻方式可分為間接冷卻和直接冷卻，二者均可提高電機(jī)的功率密度，廣泛應(yīng)用于電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域[1]。梁培鑫[2]針對間接冷卻的電機(jī)提出一種新的繞組等效模型，提高了電機(jī)溫度場的仿真計(jì)算精度。王曉遠(yuǎn)等[3]使用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法分析不同結(jié)構(gòu)間接式液冷電機(jī)的溫度分布情況，同時采用溫度熱成像儀進(jìn)行了對比驗(yàn)證。何思源[4]通過橫向?qū)Ρ蕊L(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出冷卻方案要根據(jù)電機(jī)的實(shí)際布局進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。此外，朱灑、楊寧等[5-6]對比了間接和直接油冷散熱方案的效率，結(jié)果表明，相同功率狀態(tài)下，采用直接油冷可降低定子軛部的平均溫度，從而提高電機(jī)的功率密度。

直接油冷可分為浸油和噴油兩種模式。Liu 等[7]提出在定子上設(shè)計(jì)流道，使油液沿流道流動，達(dá)到散熱效果。直接油冷中冷卻油與電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱部件直接接觸，從而實(shí)現(xiàn)高效散熱，但需考慮油液與電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的兼容性、效率等影響。吳元強(qiáng)等[8]使用CFD 仿真方法，分析入油口結(jié)構(gòu)和噴油環(huán)結(jié)構(gòu)對電機(jī)溫度場分布的影響，并對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使電機(jī)溫度降低5 ℃～10 ℃。韓世琦等[9]結(jié)合軸向噴淋和徑向噴淋的特點(diǎn)以及不同流量對各噴淋位置冷卻效果的影響，選擇合理的噴淋形式與噴淋流量，并與水冷電機(jī)進(jìn)行比較，證明了噴淋冷卻的有效性。陳玉祥等[10]通過對油孔直徑等多參數(shù)優(yōu)化分析，減小油冷系統(tǒng)的最大壓強(qiáng)差，改善油液噴淋均勻性。Chen 等[11]利用紅外溫度成像的方法驗(yàn)證電機(jī)繞組溫度分布仿真結(jié)果，采用反演法推導(dǎo)出傳熱數(shù)值，得到最小且最具成本效益的油流量。

目前，油冷噴淋是一種高效的電機(jī)冷卻方式，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時能夠有效降低電機(jī)溫度、提高電機(jī)性能并提升運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時，該方式可大幅降低維護(hù)成本、縮短停機(jī)時間，從而提高新能源汽車的性能及使用效率。然而，油冷噴淋電機(jī)還存在噴淋位置隨機(jī)、油液覆蓋區(qū)域有限、油量的合理性差、攪油損失大等問題。本文采用仿真可視化、試驗(yàn)觀察及結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法，針對噴淋位置、噴淋方式、潤滑油的流量及噴淋周期等問題進(jìn)行深入研究和分析。

2 油冷電機(jī)繞組冷卻仿真方法

本文以高壓油冷扁線電機(jī)的定子冷卻系統(tǒng)為研究對象，仿真模型包括定子油道、繞組端部、電機(jī)殼體、回油油道以及噴淋組件，如圖1所示。

圖1 高壓油冷扁線電機(jī)繞組冷卻流體仿真模型

2.1 控制方程與求解方法

油液噴淋包含多種復(fù)雜的流動狀態(tài)和流動性質(zhì)，為便于研究，將油液噴淋冷卻簡化為不可壓縮流動，用連續(xù)性方程和動量守恒方程來描述：

式中，v為流體矢量速度；ρ為流體密度；P為壓力；τ為粘性應(yīng)力；g為重力加速度；t為時間；?為梯度算符。

繞組冷卻噴淋是氣液兩相流，在仿真計(jì)算中使用流體體積（Volume of Fluid，VOF）法。油液的相分?jǐn)?shù)α定義為：

利用VOF法對油液噴淋狀態(tài)進(jìn)行可視化和量化分析，通過式（3）計(jì)算每個網(wǎng)格內(nèi)的相分?jǐn)?shù)，即油液的流動狀態(tài)。

經(jīng)過多次正交驗(yàn)證后，湍流模型選用SSTk-ω模型，壓力速度耦合方式采用壓力-隱式分裂算子（Pressure-Implicit with Splitting of Operators，PISO）法，能量等離散格式設(shè)置為二階迎風(fēng)[12]。

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)定

本文參照實(shí)際電驅(qū)動溫升測試要求，對高壓油冷扁線電機(jī)定子總成的流動分配及繞組噴淋冷卻進(jìn)行流體仿真。當(dāng)冷卻油溫度為80 ℃時，其流量為8 L/min、密度為815.5 kg/m3、動力粘度為0.010 62 kg/(m·s)，入口處使用壓力進(jìn)口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。

3 仿真結(jié)果分析

前處理及網(wǎng)格無關(guān)化驗(yàn)證后，對高壓油冷扁線電機(jī)的定子油路、繞組不同的冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化。

3.1 定子油道流動分析

在電機(jī)殼體內(nèi)部開槽，再與定子鐵芯過盈配合而形成定子油道及噴口，油液在其中流動并從兩端噴口噴淋冷卻繞組。研究對象不變時，流道中的湍流強(qiáng)度可以表征定子鐵芯換熱效率，同時兩端噴淋繞組的冷卻效果極易受噴淋的初始速度、流量、角度等因素影響，因此定子油道的油量分配至關(guān)重要。

3.1.1 定子油道結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)如圖2所示，通過仿真計(jì)算與理論推導(dǎo)，調(diào)整各關(guān)鍵油路的尺寸和結(jié)構(gòu)，得到換熱能力β：

圖2 定子油道優(yōu)化位置示意

式中，k為定子油道換熱系數(shù)；S為定子油道有效換熱面積。

本文應(yīng)用參數(shù)化方法仿真計(jì)算54組定子冷卻流道方案，如圖3 所示。根據(jù)流阻Pd、換熱系數(shù)k、換熱面積S、換熱能力β、油液斜噴口的速度的均勻性、流量分配合理性6 項(xiàng)性能指標(biāo)，通過數(shù)據(jù)分析，選擇換熱能力達(dá)到74 W/K、壓降為9 350 Pa、插線端噴油口的速度標(biāo)準(zhǔn)偏差值為95.5%、出線端的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差值為96.5%的較優(yōu)方案，進(jìn)行多相流流動仿真。

圖3 定子油道參數(shù)優(yōu)化圖譜

3.1.2 較優(yōu)方案的流量分配

基于參數(shù)優(yōu)化后的定子油道，對繞組的冷卻結(jié)構(gòu)展開研究。如圖4所示，斜噴口定義為rz1～rz7，各斜噴出口速度如圖5所示。

圖4 定子油道速度矢量圖

圖5 噴口油液流速

通過一維和三維的仿真分析和優(yōu)化，定子側(cè)流量占電機(jī)總油量的80%，剩余油量進(jìn)入轉(zhuǎn)子油路，并通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)甩出。流動過程冷卻轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯，再甩淋到定子繞組上，起到二次冷卻作用。

3.1.3 斜噴油結(jié)構(gòu)仿真分析與優(yōu)化

本文設(shè)計(jì)了斜噴油繞組冷卻結(jié)構(gòu)，在殼體內(nèi)部開槽、設(shè)計(jì)噴口。共設(shè)計(jì)直線型、多段型和弧線型3 種噴淋結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 噴油口結(jié)構(gòu)

由于多相流瞬態(tài)仿真所需計(jì)算資源多、時間長，為此在研究斜噴油結(jié)構(gòu)時，本文提出兩步仿真方法，以提高計(jì)算效率，即通過CFD數(shù)值模擬以及壓降計(jì)算，進(jìn)行流量分配仿真估算，從而獲得各斜噴口的流速與流量，再進(jìn)行局部仿真，如圖7所示。

圖7 仿真模型簡化示意

a.直線型噴油結(jié)構(gòu)

直線型噴嘴的繞組換熱系數(shù)隨時間的變化情況如圖8所示，其噴油結(jié)構(gòu)加工便捷、成本低，但油液在粘滯力、重力作用下，難以直接噴淋到繞組端部，油液覆蓋率低，因此換熱能力較差。特別地，在電機(jī)主油道兩側(cè)，油液易出現(xiàn)沿定子端部下流，以及沿電機(jī)壁面流動的現(xiàn)象，如圖9所示。

圖8 繞組換熱系數(shù)（直線型噴油嘴）

圖9 直線型噴油結(jié)構(gòu)油液流動仿真

受油液自身特性以及重力的影響，在7條油道中，左右兩側(cè)各2條噴油口的油液會沿定子斷面和殼體內(nèi)壁貼壁流動，導(dǎo)致在第0.45 s時，該方案的繞組表面換熱系數(shù)30.3 W/(m2·K)僅占雙噴油環(huán)方案換熱系數(shù)的25%，且繞組表面油液覆蓋率僅為5%。

b.弧線型噴油結(jié)構(gòu)

通過仿真、試驗(yàn)觀察到直線型噴嘴的噴油問題，進(jìn)而優(yōu)化噴油結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并加工出一種斜角弧形的結(jié)構(gòu)和多段直線結(jié)構(gòu)噴口，兩種結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果相近。

如圖10所示，在改進(jìn)噴嘴結(jié)構(gòu)、斜度后，在第0.45 s時，該方案的繞組表面換熱系數(shù)達(dá)到78 W/(m2·K)，繞組表面油液覆蓋率達(dá)到20%，有效提高了繞組換熱效率。在圖11 的流動可視化結(jié)果中，油液沿電機(jī)殼內(nèi)壁面流動量也明顯減少，說明噴口角度、結(jié)構(gòu)是影響油液噴淋有效程度的重要影響因素。

圖10 繞組換熱系數(shù)（弧線形噴油嘴）

圖11 弧線形噴油嘴油液噴淋仿真

3.2 噴油環(huán)仿真分析

油液有效噴淋到繞組端部是影響電機(jī)冷卻的重要因素。采用噴油環(huán)結(jié)構(gòu)對繞組端部冷卻效果較好，本文設(shè)計(jì)了雙噴油環(huán)結(jié)構(gòu)方案，建立了噴油環(huán)結(jié)構(gòu)仿真模型。在油液噴淋仿真中，定子側(cè)油液進(jìn)口流量為8 L/min，能夠清晰地觀察到油液在充滿噴油環(huán)后，通過孔洞噴淋可以有效冷卻電機(jī)繞組。

仿真結(jié)果顯示，出線端和插線端油液均可通過噴油環(huán)有效噴淋到繞組上，如圖12所示。同時，對油液從進(jìn)口到出口的流動情況進(jìn)行可視化，分析油液在各時刻、各位置的分布情況，結(jié)果表明，兩端噴油環(huán)中均充滿油液，各噴油口均有油液噴射到繞組表面，如圖13所示。

圖12 雙噴油環(huán)油液噴淋示意圖

圖13 雙噴油環(huán)油液流動仿真

為了定量地展示仿真的散熱效果，出線端繞組的換熱系數(shù)隨時間變化情況如圖14所示，在第1.3 s后，繞組平均換熱效率趨于穩(wěn)定，換熱系數(shù)達(dá)到124.6 W/(m2·K)，繞組表面油液覆蓋率達(dá)到55%，可以有效帶走繞組熱量。

圖14 繞組換熱系數(shù)（雙噴油環(huán)）

3.3 3種繞組冷卻方式對比

對比3種冷卻方案在繞組表面的噴淋情況，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 3種繞組冷卻方式對比

本文引入油液覆蓋率γ和油相體積分?jǐn)?shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差δ作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其中，γ越大，表明繞組表面被油液覆蓋的面積越多，δ越小，表明繞組表面的噴淋越穩(wěn)定，噴淋到繞組的油量變化越小，散熱性越強(qiáng)。

雙噴油環(huán)的換熱系數(shù)達(dá)到124.6 W/(m2·K)，遠(yuǎn)高于直線型噴油口方案，但優(yōu)化噴口角度、尺寸以及結(jié)構(gòu)后，弧線型噴口的換熱系數(shù)較直線型噴口提高了47.7 W/(m2·K)。因此，噴油環(huán)適合散熱需求大的電機(jī)，但需增加零部件數(shù)量，提高了電機(jī)制造成本，而與殼體一體成型的噴油口結(jié)構(gòu)方案具有一定的成本優(yōu)勢，因此，需根據(jù)電機(jī)型號及需求選擇電機(jī)繞組冷卻方案。

4 結(jié)束語

本文采用參數(shù)優(yōu)化的方法，優(yōu)化定子油道參數(shù)，從54 種方案中選取較優(yōu)方案的基礎(chǔ)上提出兩步仿真方法，分析繞組噴油冷卻特性。同時，引入油液覆蓋率γ和油相體積分?jǐn)?shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差δ量化對比噴油環(huán)、斜噴油的油冷方案性能和特性。本文提出的定子油道繞組噴油技術(shù)，可有效降低繞組溫升，能夠直接在殼體開模階段進(jìn)行殼體的加工。通過與定子過盈連接，形成冷卻油道，減少噴油環(huán)部件，保障電機(jī)溫升安全，降低電機(jī)制造成本。

綜上所述，本文提出的仿真方法、冷卻方案及優(yōu)化思路，提高了電機(jī)冷卻的仿真精度、效率，解決了電機(jī)熱管理問題。