油冷電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱過(guò)程仿真分析

【摘 要】通過(guò)有限體積法研究轉(zhuǎn)子端蓋出油孔位置和冷卻油流量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的影響。研究結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋出油孔位置越靠近電機(jī)軸，電機(jī)轉(zhuǎn)子的散熱效果越好;增加轉(zhuǎn)子冷卻油流量也會(huì)強(qiáng)化電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱，但存在一個(gè)臨界流量，超過(guò)該臨界點(diǎn)后再增加轉(zhuǎn)子流量來(lái)提高轉(zhuǎn)子的散熱強(qiáng)度將會(huì)變?nèi)?。文章研究電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋出油孔位置及轉(zhuǎn)子流量變化對(duì)電機(jī)散熱過(guò)程的影響，旨在為電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻優(yōu)化提供指導(dǎo)性建議。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動(dòng)電機(jī);散熱;性能研究;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）09-0058-03

Simulation Analysis of Heat Dissipation Process of Oil Cooled Motor Rotor

YUAN Yadong，MENG Siyu，XIA Lingjun，TANG Tianbao

（Wuxi Infimotion Propulsion Technology Co.，Ltd.，Wuxi 214100，China）

【Abstract】The influence of the oil outlet hole position and coolant flow rate on the temperature field of the motor rotor was studied using the finite volume method. The research results indicate that the closer the oil outlet hole of the motor rotor end cover is to the motor shaft，the better the heat dissipation effect of the motor rotor; Increasing the flow rate of rotor coolant will also enhance the heat dissipation of the motor rotor，but there is a critical flow rate beyond which increasing the flow rate to improve rotor heat dissipation will weaken.In this paper，the influence of rotor end cover oil hole position and rotor flow rate change on motor cooling process is studied，aiming at providing guiding suggestions for motor rotor cooling optimization.

【Key words】drive motor;heat dissipation;performance research;numerical simulation

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和熱能，機(jī)械能主要用來(lái)對(duì)外做功，而熱能主要以熱損失的方式傳遞出去[1]。隨著電機(jī)功率的逐漸增加，電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的熱耗也越來(lái)越大，電機(jī)散熱問(wèn)題也變得越來(lái)越復(fù)雜。此外，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子表面與鄰近氣體之間產(chǎn)生較大的相對(duì)速度，該過(guò)程產(chǎn)生的風(fēng)摩損耗會(huì)惡化電機(jī)散熱過(guò)程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電機(jī)發(fā)熱是影響電機(jī)性能及效率的關(guān)鍵因素，電機(jī)故障有40%以上是由電機(jī)熱應(yīng)力引起的[2]。文獻(xiàn)[3]指出電機(jī)長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體退磁，情況嚴(yán)重的將直接導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[4～6]指出，如果電機(jī)產(chǎn)生的熱量不能夠及時(shí)傳遞出去，將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出功率受限、退磁甚至報(bào)廢。因而研究電機(jī)轉(zhuǎn)子熱量傳遞過(guò)程對(duì)強(qiáng)化電機(jī)散熱能力、改善電機(jī)工作性能具有重要意義。

1 集成式驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)傳熱問(wèn)題分析

集成式驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)由殼體、定子鐵芯、繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯和磁鋼等組成，電機(jī)工作時(shí)主要產(chǎn)熱部件有繞組、磁鋼、定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯。隨著電機(jī)功率的逐漸提高及體積的不斷減少，導(dǎo)致電機(jī)的功率密度急劇增加，尋找更加高效的散熱方式成為掣肘電機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素。同時(shí)行業(yè)內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速正朝著高速化發(fā)展，電機(jī)轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的風(fēng)摩損耗也會(huì)增加電機(jī)對(duì)散熱能力的需求。

2 仿真設(shè)置

油冷電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱過(guò)程熱仿真求解設(shè)置：入口邊界選擇質(zhì)量流量邊界，出口邊界選擇壓力邊界，開(kāi)啟能量方程和隱式求解器。電機(jī)工作中產(chǎn)生的熱耗以總熱源的形式加載，熱耗分別為：轉(zhuǎn)子鐵損158W，轉(zhuǎn)子磁鋼1.55W，氣隙302W。邊界條件見(jiàn)表1，材料屬性參數(shù)見(jiàn)表2。

3 結(jié)果分析

3.1 出油孔位置對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的影響

由圖2可知，隨著端蓋出油孔位置往邊緣移動(dòng)，端蓋最大溫度由138℃增加到了147℃，即端蓋出油孔位置越靠近軸心，端蓋的溫度越低。從圖2中還可以看出，端蓋出油孔位置往軸心移動(dòng)距離越大，轉(zhuǎn)子端蓋低溫區(qū)域面積越大。這是由于端蓋出油孔位置越低，更有利于附在端蓋表面的油液流過(guò)更多的區(qū)域，從而帶走更多的熱量。

由圖3可知，隨著端蓋出油孔位置靠近軸心，轉(zhuǎn)子鐵芯最大溫度越低，最大溫度由181℃降低到179℃;從圖3中還可以明顯看出，隨著端蓋出油孔位置靠近軸心，轉(zhuǎn)子鐵芯高溫區(qū)域逐漸減少，即端蓋出油孔位置靠近軸心有利于電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱。

3.2 出油孔位置對(duì)轉(zhuǎn)子端蓋表面換熱強(qiáng)度的影響

為了進(jìn)一步分析端蓋出油孔對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱的影響，對(duì)端蓋表面與冷卻油的換熱過(guò)程進(jìn)行分析。由圖4可知，端蓋出油孔位置越靠近軸心，端蓋表面換熱過(guò)程越均勻，整體換熱過(guò)程越好，與上述分析結(jié)論一致。

3.3 流量對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的影響

在電機(jī)工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)子超過(guò)一定溫度后電機(jī)功率將受到限制，因此本文重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)子最大溫度隨流量變化的規(guī)律。由圖5可知，隨著轉(zhuǎn)子冷卻油流量的增加，轉(zhuǎn)子鐵芯最大溫度逐漸降低;當(dāng)轉(zhuǎn)子冷卻油流量低于3L/min時(shí)，冷卻油流量的增加會(huì)使轉(zhuǎn)子最大溫度產(chǎn)生較大降幅;當(dāng)流量超過(guò)3L/min時(shí)，隨著冷卻油流量的增加，轉(zhuǎn)子最大溫度降低幅度變緩。

由圖6可知，隨著轉(zhuǎn)子冷卻油流量的增加，對(duì)流換熱系數(shù)逐漸增加，即增加轉(zhuǎn)子冷卻油流量能夠強(qiáng)化電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱過(guò)程;從圖6中還可以看出，當(dāng)流量高于3L/min時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)隨流量的增加，變化趨勢(shì)逐漸變緩，結(jié)合圖5可知，增加流量強(qiáng)化電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱的過(guò)程存在一個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)流量達(dá)到該臨界點(diǎn)后，流量的增加不會(huì)導(dǎo)致散熱能力的顯著提升。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立電機(jī)轉(zhuǎn)子熱仿真模型分析了端蓋結(jié)構(gòu)變化以及流量變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的影響，旨在為電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻優(yōu)化提供指導(dǎo)意義。

基于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子端蓋出油孔位置的仿真分析，結(jié)果表明端蓋出油孔位置越靠近軸心，端蓋表面與冷卻油的對(duì)流換熱過(guò)程越好，電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度越低。

通過(guò)增加轉(zhuǎn)子冷卻油流量能夠顯著降低電機(jī)轉(zhuǎn)子最大溫度，但當(dāng)轉(zhuǎn)子冷卻油流量超過(guò)某一個(gè)臨界點(diǎn)后，增加轉(zhuǎn)子冷卻油流量以達(dá)到降低電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的效果將會(huì)減弱。

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（編輯 楊凱麟）