一種油冷電機計算攪油損失的方法和研究

主題詞：油冷電機攪油損失無網(wǎng)格粒子法三維動態(tài)CFD多物理場耦合仿真

中圖分類號：TM351 文獻標(biāo)志碼：A DOI：10.19620/j.cnki.1000-3703.20240982

AMethod and Study for Calculating Oil ChurningLosses in Oil-Cooled Motors

ZhouHang'，LiSongsong'，SunYouqing'，YanKuo2，Cui Jiangtao'，ChenDexint （1.CommercialVehicleDevelopmentInstitute，F(xiàn)AWJiefangTruckCo，Ltd.，Changchun13Ool1;2.AMilitaryOfficein Changchun， Changchun 130000）

【AbstractIToaddresstheissueofoilchurning losses intheoperationofoil-coled motors，this study proposesamethod forcalculatingoilchurninglosesinoil-coledmotors.Theproposedmethodintegratesfluidmechanicsandthermodynamic theoryandemploysathree-dimensionaldynamic CFDmulti-physicscouplingsimulation basedonameshlessparticle method tocalculateoilchurning loses.Theaccuracyof theproposed method isvalidated throughcomparativeanalysiswith experimentaldata，providing valuable insights for optimizing oil-cooled motor design and improving effciency.

Key words：Oil-Cooled motor，Oilchurning loss，Meshlessparticle method，Three-dimensional dynamic CFD，Multiphysics coupling simulation

【引用格式】周航，李松松，孫友情，等.一種油冷電機計算攪油損失的方法和研究[J].汽車技術(shù)，2025（7）：57-62.ZHOUH，LISS，SUNYQ，etal.AMethodandStudyforCalculatingOilChurning LossesinOil-ColedMotors[J].Automobile Technology，2025（7）： 57-62.

1前言

驅(qū)動電機作為新能源汽車的核心部件，其性能直接影響整車的動力性、經(jīng)濟性及可靠性。為提升電機功率密度、效率和可靠性，電機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計已成為電機研發(fā)中的研究熱點[1-2]。

當(dāng)前驅(qū)動電機的冷卻方式主要有風(fēng)冷、水冷及油冷三種。其中，油冷方式由于其高效的冷卻性能和結(jié)構(gòu)緊湊性，逐漸成為主流選擇。油冷驅(qū)動電機通過在內(nèi)部加入一定量的冷卻油，利用電子油泵將冷卻油從油底殼經(jīng)濾清器和散熱器冷卻后送至電機內(nèi)部，使冷卻油流經(jīng)定子繞組、轉(zhuǎn)子和左右軸承等關(guān)鍵部位，達到高效散熱的目的[3-4]。

然而，在永磁同步驅(qū)動電機的高速運轉(zhuǎn)過程中，定子繞組的銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵芯的鐵耗、軸承的機械損耗及風(fēng)摩損耗都會產(chǎn)生大量的熱量。若冷卻或散熱不足，將導(dǎo)致磁鋼、鐵芯、軸承等溫度升高，對電機磁鏈、軸承壽命產(chǎn)生影響。因此，針對電機內(nèi)部的主要熱源，如定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子軸和內(nèi)部軸承等，設(shè)計專門的冷卻油道，使冷卻油能夠充分流經(jīng)這些部位，通過固體間的導(dǎo)熱和固液間的對流換熱等形式進行散熱[5-7]。由于冷卻油本身具有一定黏度，在電機高速運轉(zhuǎn)時，如果油量過多，會導(dǎo)致攪油損失增加，進而增加能耗，影響電機的工作效率；但如果油量過少，則會影響電機散熱能力，導(dǎo)致電機過熱。因此，準(zhǔn)確計算在一定設(shè)計流量下的攪油損失，對優(yōu)化油冷電機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計和提升電機效率具有重要意義。

為了解決上述問題，本文提出一種油冷電機計算攪油損失的方法，與傳統(tǒng)有限元分析方法相比減少了建模時間和計算工作量。通過結(jié)合流體力學(xué)和熱力學(xué)的理論，深入分析油冷電機攪油損耗的產(chǎn)生機理，采用無網(wǎng)格粒子法建立攪油損失的計算模型。在三維動態(tài)仿真模擬多物理場耦合仿真中，模擬電機內(nèi)部油液的流動和熱交換過程，并對不同工況下的攪油損失進行計算。最后，通過與實際性能臺架試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證所提出方法的準(zhǔn)確性和可靠性，以期為進一步優(yōu)化油冷電機的設(shè)計和提升其運行效率提供理論支持和技術(shù)參考。

2原理分析和無網(wǎng)格粒子法計算理論

本文以某種油冷扁線永磁同步驅(qū)動電機為研究對象。電機總成結(jié)構(gòu)包括電機殼體、噴油環(huán)、定子鐵心、定子繞組總成、轉(zhuǎn)子鐵心、磁鋼、轉(zhuǎn)子軸、左右軸承、導(dǎo)油管、油泵、后端蓋、散熱器等多個核心部件。這些部件之間的相互作用和冷卻油的流動特性決定了電機的熱管理性能和運行效率。

電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計總體方案旨在有效降低電機內(nèi)部的熱量積累，提高電機的散熱性能。具體而言，定子繞組總成分為左、右2個繞組端部，在2個繞組上部通過2個噴油環(huán)實現(xiàn)對繞組噴淋冷卻。噴淋出的冷卻油與定子繞組直接接觸，實現(xiàn)高效的對流換熱，從而快速帶走定子繞組產(chǎn)生的熱量。轉(zhuǎn)子軸設(shè)計為空心軸結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)油管將冷卻油輸送至轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部。轉(zhuǎn)子軸的左右兩端在徑向開有一定數(shù)量小孔，通過轉(zhuǎn)子軸的高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)冷卻油的甩油功能。前軸承處通過設(shè)計專有油道實現(xiàn)對前軸承的噴油冷卻，后軸承處則通過轉(zhuǎn)子軸后端油孔甩油進行冷卻。其中，電機中的旋轉(zhuǎn)部件包括轉(zhuǎn)子總成、前軸承及后軸承，以上旋轉(zhuǎn)部件隨著冷卻油的流動及積累會在油液中產(chǎn)生攪油損失。為簡化分析，本文將電機內(nèi)的油液流動簡化為不可壓縮模型。油冷電機冷卻油路方案如圖1所示。

2.1計算攪油損失原理

攪油功率損失（即攪油損失）主要由潤滑油液本身的黏性引起，旋轉(zhuǎn)部件在油液中受到液體阻力作用，該阻力會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致功率損失。電機攪油功率損耗公式為：

式中： _;P 為攪油損耗， T 為攪油力矩， n 為電機轉(zhuǎn)速。

攪油力矩是由于轉(zhuǎn)子及前后軸承受到流體阻力產(chǎn)生的，受力方程為[9-10]：

式中： u 為流體矢量速度， Ψ_t 為時間 ，ρ 為流體密度 ，^p 為壓力， τ 為粘度 ，f 為流體質(zhì)量力，V為梯度算符， abla² 為拉普拉斯算符。

湍流粘度的計算采用大渦模擬（LargeEddySimulation，LES）模型，其公式為：

τ=（C_smΔ）²|D_ab|

式中： C_sm 為Smagorinsky常數(shù)， 為濾波器寬度， D_ab 為應(yīng)變速率張量， u_a 為流體粒子在空間坐標(biāo)系中 a 向時均速度分量， u_b 為流體粒子在空間坐標(biāo)系中 b 向時均速度分量， x_a 為流體粒子在空間坐標(biāo)系中 Ψ_a 向坐標(biāo)變量， ?_?x_b 為流體粒子在空間坐標(biāo)系中 b 向坐標(biāo)變量。

2.2無網(wǎng)格粒子法計算理論

無網(wǎng)格粒子法又稱光滑質(zhì)點流體動力學(xué)（SmoothedParticleHydrodynamics，SPH），它不同于傳統(tǒng)有限元法，不需要生成網(wǎng)格及網(wǎng)格劃分，而是以運動流體質(zhì)點為研究對象，將連續(xù)的流體用相互作用的質(zhì)點組來描述。各個質(zhì)點上承載質(zhì)量、速度等各種物理量，通過分析其隨時間的變化規(guī)律，求解質(zhì)點組的動力學(xué)方程以及跟蹤每個質(zhì)點的運動軌跡，從而求得整個流場的分布和發(fā)展。在粒子法中，通常將流體視為不可壓縮流體，因此將流體密度視為常數(shù)處理。

粒子法基于拉格朗日坐標(biāo)系，將流體的物理量標(biāo)記在運動的流體單元上，用連續(xù)性方程和能量守恒方程描述如下：

式中： H 為比焓， ?_k 為導(dǎo)熱系數(shù)， T_temp 為溫度， Q 為體熱源項。

每個離散粒子都占據(jù)流場域的一小部分，對于鄰近粒子間的相互作用基于光滑函數(shù)進行求解，用核函數(shù)描述為：

r=r_j-r_i

式中： r_e 為粒子作用范圍， r 為粒子間距， r_j 為第 j 個粒子的位置向量， r_i 為第 i 個粒子的位置向量， w 為核函數(shù)。

對于粒子疏密程度，用粒子數(shù)密度來描述：

式中： n_i 為 i 粒子的粒子數(shù)密度 ，j 為 i 粒子鄰居粒子。

時間項離散之后速度描述為：

其中，令：

則得到：

將速度帶人連續(xù)性方程，描述為：

對于壓強求解，根據(jù)壓力泊松方程，描述為：

式中： u 為速度矢量，表示流體在空間各點的速度； Δt 為時間步長，表示計算過程中的時間間隔； ablap 為壓力梯度，表示壓力隨空間位置的變化率 ;ρ 為密度，表示單位體積的質(zhì)量； τ 為黏度，描述湍流結(jié)構(gòu)的衰減特性; abla² 為拉普拉斯算子，描述二階空間導(dǎo)數(shù) _;f 為外力矢量，表示作用在流體上的外力； u^* 為速度場在下一時間步的預(yù)測值； u^t-1 為速度場在前一時間步的值。

3仿真過程及結(jié)果分析

3.1幾何模型數(shù)模處理

本文應(yīng)用PreonLab軟件，基于無網(wǎng)格粒子法對油冷驅(qū)動電機總成進行計算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD）仿真分析。根據(jù)油冷驅(qū)動電機總成的結(jié)構(gòu)原理及電機運動規(guī)律，對油冷電機總成的三維模型進行了簡化處理，以提高計算效率并確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體的簡化處理如下：

首先，將左右定子繞組上部的噴油環(huán)、電機殼體及后端蓋處理成一個部件；將定子鐵心設(shè)置為一個部件，以減少不必要的幾何復(fù)雜性；其次，將定子繞組總成拆分成一個前輸出端繞組、一個鐵心內(nèi)繞組及一個后輸出端繞組，目的是計算前后兩個軸向輸出端繞組在與冷卻油接觸中冷卻面積占比，用來校核冷卻油對繞組散熱能力的大??；然后，將轉(zhuǎn)子總成設(shè)置為一個部件。同時，為計算軸承攪油損失，將前端軸承總成和后端軸承總成分別拆分成各一個軸承外圈、一個滾子和一個軸承內(nèi)圈；將滾子和軸承內(nèi)圈合并為一個部件。在簡化后的數(shù)模中，旋轉(zhuǎn)部件主要包括轉(zhuǎn)子總成、前軸承滾子及軸承內(nèi)圈和后軸承滾子及軸承內(nèi)圈，共計三個旋轉(zhuǎn)部件。此外，定子和轉(zhuǎn)子間氣隙定義為驅(qū)動電機工作過程中定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯之間的間隙長度，具體如圖2所示。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

首先計算轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子軸、前軸承滾子及內(nèi)圈和后軸承滾子及內(nèi)圈共4個旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)中心，并定義以上4個部件的旋轉(zhuǎn)方向為 （0，0，-1） 。接著設(shè)定4個部件的旋轉(zhuǎn)速度保持一致。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置固體部件的材料屬性、總成的重力方向，并添加初始化潤滑油。其中，默認所有固體的材料相同，固體表面的粗糙度為1，固體表面和液體黏附性為1。接著設(shè)置油冷電機內(nèi)部的冷卻油粒子直徑為 0.00075m ，冷卻油粒子的直徑大小是根據(jù)電機內(nèi)部設(shè)計的專有油道管徑及小孔的孔徑設(shè)計的，確保冷卻油粒子能夠通過電機內(nèi)部所有管徑及孔徑。隨后，定義冷卻油材料屬性。當(dāng)冷卻油溫度在 85°C ，入口流量為 7L/min 時，冷卻油的密度為 799.47kg/m³ 、表面張力系數(shù)為 0.035N/m 剪切黏性為 0.00557Pa?s 和體積黏性為 0.01114Pa?s 。接下來，在油冷電機殼體上添加冷卻油源，用于設(shè)置冷卻油進入電機內(nèi)部的位置和角度。通過入口流量需求及入口管徑面積大小，計算出入口流速為 0.99m/s 。最后，在轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子軸、前軸承滾子及內(nèi)圈和后軸承滾子及內(nèi)圈關(guān)聯(lián)ForceSensor力矩傳感器，對油冷電機總成內(nèi)冷卻油液動態(tài)仿真過程中，因攪油過程產(chǎn)生的扭矩損失進行實時數(shù)據(jù)采集。

3.3計算結(jié)果分析

在油冷電機冷卻油工作溫度為 、入口流量為7L/min 的條件下，分別計算驅(qū)動電機在 3000r/min r6600r/min 和 12000r/min3 種轉(zhuǎn)速工況下產(chǎn)生的攪油功率損失。通過對油冷電機在以上3種轉(zhuǎn)速工況下的冷卻油動態(tài)流體仿真，在運行4s后，使得冷卻油能夠充滿油冷電機內(nèi)部油路，此時油冷電機總成內(nèi)油液分布情況達到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3所示。同時通過對油冷電機冷卻油人口位置處流量監(jiān)測，得到如圖4所示的監(jiān)測結(jié)果。結(jié)果表明，油冷電機冷卻油入口流量與設(shè)計需求符合，能夠持續(xù)滿足 7L/min 入口流量需求。

冷卻油從油冷電機殼入口位置開始進入電機內(nèi)部專有油道內(nèi)，按照專門油道設(shè)計，分別流經(jīng)定子繞組上部分油路、轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部油路和軸承油路，實現(xiàn)定子繞組出線端及焊接端上部分的噴油環(huán)噴淋、轉(zhuǎn)子軸甩油和對軸承冷卻，通過設(shè)置Sensorplane流量傳感器計算電機在 3000r/min，6600r/min 和 12 000r/min 轉(zhuǎn)速下電機內(nèi)部各油路冷卻流量分配情況，具體流量監(jiān)測結(jié)果如圖5＼～圖8所示。

由圖5可得到在驅(qū)動電機3組轉(zhuǎn)速工況下，左右定子噴油環(huán)分布均接近1：1；由圖6得到定轉(zhuǎn)子油量分布約為4：2.3；由圖7得到轉(zhuǎn)子軸前后端甩油量分布均接近1：1，粒子分布均勻；由圖8得到繞組端部冷卻面積系數(shù) gt;10% ，以上計算數(shù)據(jù)驗證油冷電機的冷卻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

對3組工況的旋轉(zhuǎn)部件添加力矩傳感器，監(jiān)測攪油損耗，取曲線穩(wěn)態(tài)數(shù)值，如圖9所示。

通過對3種電機轉(zhuǎn)速下的動態(tài)流體運行仿真結(jié)果分析，得到了在電機內(nèi)部流體分布達到平衡狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子總成、前軸承滾子及內(nèi)圈和后軸承滾子及內(nèi)圈的攪油力矩數(shù)據(jù)，分別為 0.045 66N?m，0.338N?m 和 0.1361N?m 。電機在上述轉(zhuǎn)速工況下的攪油功率損失分別為 0.0143kW，0.233kW 和 0.171kW 。

4試驗驗證與對比分析

為了驗證電機攪油損失計算結(jié)果，將油冷電機在高速電機試驗臺上做開啟油泵時電機的空載損耗測試和關(guān)閉油泵時電機的空載損耗測試，測試數(shù)據(jù)如圖10所示。計算兩次試驗測試數(shù)據(jù)中電機在 3000r/min 6600r/min 及 12000r/min 的扭矩差值即可得到對應(yīng)轉(zhuǎn)速下的電機攪油損失，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

通過試驗數(shù)據(jù)得知，電機在 3000r/minΩ，6600r/min 及 12000r/min 工況下的攪油損失功率分別為 0.012kW /0.229kW 及 0.113kW 。與仿真計算結(jié)果相比，試驗數(shù)據(jù)驗證了采用無網(wǎng)格粒子法對油冷驅(qū)動電機攪油損失功率進行計算具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性。雖然試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果之間存在一定誤差，但是總體趨勢保持一致，表明該仿真方法在工程應(yīng)用中具有實際的指導(dǎo)意義。

為降低油冷電機產(chǎn)生的攪油損失，根據(jù)仿真結(jié)果，提出如下改進方向：在結(jié)構(gòu)方面，可以調(diào)整前后軸承分布位置，減少多余油液飛濺和攪拌；在轉(zhuǎn)子軸內(nèi)腔表面粗糙度方面，可以通過給轉(zhuǎn)子軸內(nèi)壁表面涂覆低摩擦因數(shù)的涂層，進一步減少油液與轉(zhuǎn)子軸內(nèi)腔的摩擦，降低攪油損耗；在潤滑油品選擇方面，選擇合適工作溫度范圍的油液黏度，既能在不同工況下保證最佳的潤滑性能，又能減少油液的黏性阻力，降低攪油損耗。

5結(jié)束語

本文提出了一種油冷電機計算攪油損失的方法。不同于基于傳統(tǒng)有限元的方法，本文應(yīng)用無網(wǎng)格粒子法進行油冷電機動態(tài)流體分布進行仿真計算。通過分析油冷電機冷卻系統(tǒng)的流量分配結(jié)果，驗證是否滿足電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求，同時計算油冷電機在油液分布達到穩(wěn)態(tài)條件下的攪油功率損耗。通過油冷電機空載損耗試驗，對仿真計算結(jié)果進行了試驗驗證。試驗結(jié)果證明了應(yīng)用無網(wǎng)格粒子法的CFD分析結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，能夠有效解決計算油冷電機攪油損耗功率的問題，可為后續(xù)油冷電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計、熱計算及提高工作效率提供參考。

參考文獻

[1]張鳳閣，杜光輝，王天煜，等.高速電機發(fā)展與設(shè)計綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2016，31（7）：1-18. ZHANGFG，DUGH，WANGTY，etal.Reviewon Development and Design of High Speed Machines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2O16，31（7）： 1-18.

[2]王鳳翔.高速電機的設(shè)計特點及相關(guān)技術(shù)研究[J].沈陽工 業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006（3）：258-264. WANG F X.Study on Design Feature and Related TechnologyofHighSpeedElectricalMachines[J].Journalof Shenyang University of Technology，2006（3）：258-264.

[3]楊寧.電動汽車扁線油冷式永磁同步電機研究[D].哈爾 濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020. YANGN. Study on Oil-Cooled Permanent Magnet Sychronous Motorof Electric Vehicle with Flat Wire[D]. Harbin： Harbin Institute of Technology，2020.

[4]何思源.全封閉永磁同步牽引電動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計[J].大 功率變流技術(shù)，2012（3）：48-53. HE S Y.Design of the Cooling System for Fully Enclosed Permanent Magnet Synchronous Traction Motor[J].High Power Converter Technology，2012（3）： 48-53.

[5]吳勝男，郝大全，佟文明.基于等效熱網(wǎng)絡(luò)法和CFD法高 速永磁同步電機熱計算研究[J].電機與控制學(xué)報，2022， 26（7）： 29-36. WU S N，HAO D Q， TONG W M. Thermal Calculation of High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Equivalent Thermal Network and CFD Method[J].Electric Machines and Control，2022，26（7）： 29-36.

[6]陳小健，李婷，徐剛，等.油冷電機繞組噴淋冷卻數(shù)值模擬 與研究[J].汽車技術(shù)，2023（10）：58-62. CHEN XJ，LI T，XUG，etal.NumericalSimulationand Study on Winding Spray Cooling of Oil-Cooled Motors[J]. Automobile Technology，2023（10）： 58-62.

[7]李和明，李俊卿.電機中溫度計算方法及其應(yīng)用綜述[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報，2005（1）：1-5. LI H M，LI JQ.Review on Temperature Computation and Applicationin Electric Machines[J].Journal of North China Electric Power University：Natural Science Edition，2005（1）： 1-5.

[8]王曉遠，杜靜娟.應(yīng)用CFD流固耦合熱分析車用高功率密 度電機的水冷系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30（9）：30-38. WANG X Y，DUJJ. Design and Analysis of Water Cooling System for HEVs High-Power-Density Motor Using CFD andThermalTechnology[J].Transactionsof China Electrotechnical Society，2015，30（9）：30-38.

[9]陶文鈺.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2018. TAO W Q. Heat Transfer[M].Beijing：Higher Education Press，2018.

[10]李玉柱，苑明順.流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社， 2014. LIYZ，YUANMS.Fluid Mechanics[M].Beijing：Higher Education Press，2014. （責(zé)任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2025年3月12日。