應(yīng)用CFD流固耦合熱分析車用高功率密度電機(jī)的水冷系統(tǒng)

王曉遠(yuǎn) 杜靜娟

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 天津 300072)

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應(yīng)用CFD流固耦合熱分析車用高功率密度電機(jī)的水冷系統(tǒng)

王曉遠(yuǎn) 杜靜娟

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 天津 300072)

針對(duì)高功率密度電機(jī)功率大、體積小的特點(diǎn)，通過綜合選擇水冷系統(tǒng)平衡電機(jī)的熱量，保證高功率密度電機(jī)的散熱。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和熱場(chǎng)比較軸向型、周向型、螺旋型3種水冷方式，從流速、冷卻效果、水泵功率、溫度分布及工藝等多方面綜合比較并選擇最優(yōu)水路結(jié)構(gòu)——螺旋型水路，并應(yīng)用此水路作為高功率密度電機(jī)的機(jī)殼內(nèi)部水冷方式。傳統(tǒng)電機(jī)的電流密度為5.0 A/mm2，通過采用螺旋型水冷系統(tǒng)、優(yōu)化電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)和對(duì)材料的特殊設(shè)計(jì)，同樣的溫升可使電流密度增至10.0 A/mm2。這樣在電機(jī)體積和重量基本不變的情況下可使電機(jī)的功率提高1倍，達(dá)到設(shè)計(jì)高功率密度電機(jī)的目標(biāo)。最后，通過紅外熱成像儀的溫度測(cè)試驗(yàn)證螺旋型水路應(yīng)用CFD流固耦合溫度場(chǎng)分布的一致性。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 水冷系統(tǒng) 熱場(chǎng) 高功率密度 電流密度

0 引言

高功率密度電機(jī)由于體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，特別適合應(yīng)用于航空航天、潛艇、電動(dòng)汽車等特殊場(chǎng)合。高功率密度電機(jī)作為車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，已成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。為了實(shí)現(xiàn)車用電機(jī)的高功率密度，合理的電磁設(shè)計(jì)和輕量化有一定的輔助作用，但良好的散熱和電機(jī)高速化[2]是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。高速高頻必然損耗增大，導(dǎo)致電機(jī)溫度較高，直接影響到電機(jī)運(yùn)行的可靠性。因此合理設(shè)計(jì)其冷卻系統(tǒng)對(duì)于提升電機(jī)的功率密度具有十分重要的意義。

高功率密度電機(jī)隨工作場(chǎng)所和使用環(huán)境及電機(jī)本身結(jié)構(gòu)的不同，冷卻方式也各不相同。海軍用于魚雷驅(qū)動(dòng)水下高功率密度電機(jī)，可采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)[3]。汽輪高功率密度電機(jī)定轉(zhuǎn)子采用雙水內(nèi)冷技術(shù)[4]。采煤機(jī)高功率密度電機(jī)采用定子水冷技術(shù)[5]。車用高功率密度電機(jī)多采用封閉強(qiáng)風(fēng)冷、油內(nèi)冷方式、機(jī)殼內(nèi)部水冷3種結(jié)構(gòu)?？諝饫鋮s其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是空氣的冷卻效果差，工藝要求高，尤其在高速電機(jī)中引起的摩擦損耗較大，噪聲大。液體冷卻主要有水冷、油冷以及混合溶液冷卻3種方式。豐田Prius電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)外部采用水乙二醇混合冷卻劑進(jìn)行冷卻，內(nèi)部灌入絕緣油冷卻散熱[6]。LEXUS LS600H混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了內(nèi)部油冷結(jié)構(gòu)，在輸出端通過齒輪帶動(dòng)油泵給電機(jī)內(nèi)部提供油的循環(huán)動(dòng)力，直接帶走電機(jī)內(nèi)部的熱量[7]。其缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的外部冷卻裝置，油的比熱容低于水的比熱容，散熱效果不如水冷。水冷系統(tǒng)用于車用電機(jī)的一些優(yōu)勢(shì)為[8]：用于高功率密度電機(jī)上的水冷系統(tǒng)具有低噪音(尤其是高速化的高功率密度電機(jī))、高效的特點(diǎn)，水路不受外界影響，機(jī)殼內(nèi)部不占空間，封閉強(qiáng)冷，對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間接冷卻，相比油冷方式性價(jià)比高等。

本文采用機(jī)殼內(nèi)水冷結(jié)構(gòu)比較3種不同水路的冷卻效果，并將最優(yōu)水路應(yīng)用在85 kW車用高功率密度電機(jī)上，通過CFD流固耦合分析電機(jī)溫度分布。最后，用紅外熱成像儀對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度測(cè)試。

1 高功率密度電機(jī)尺寸參數(shù)

本文討論的電機(jī)為籠型異步電機(jī)，定子槽采用梨形槽，轉(zhuǎn)子槽為平行齒深槽結(jié)構(gòu)，采用銅導(dǎo)條，樣機(jī)實(shí)物如圖1所示，圖2為水路和機(jī)殼尺寸。樣機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

圖1 高功率密度樣機(jī)Fig.1 Prototype of high-power density motor

圖2 機(jī)殼的幾何尺寸(單位：mm)Fig.2 The frame dimension (unit：mm)

表1 高功率密度電機(jī)的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of high power density motor

本文采用相同的機(jī)殼尺寸，水路截面相同，Sh=400 mm2。分別討論軸向型、周向型、螺旋型3種冷卻方式。

2 水冷結(jié)構(gòu)

本文采用機(jī)殼內(nèi)部水冷方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱，應(yīng)用CFD進(jìn)行流場(chǎng)的解析，對(duì)水的流速、進(jìn)出口壓差等進(jìn)行仿真分析。采用溫度場(chǎng)的有限元方法，仿真分析水路的溫度分布及最高溫度點(diǎn)，通過機(jī)殼和水冷系統(tǒng)流固耦合計(jì)算來綜合選擇合適的水路結(jié)構(gòu)。

2.1 CFD理論基礎(chǔ)

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)廣泛應(yīng)用于流體的計(jì)算中，采用有限元法對(duì)流體力學(xué)問題進(jìn)行求解。

流體的能量方程中，考慮到流體在流動(dòng)過程中的能量損失，沿流動(dòng)方向從截面1到截面2的伯努利方程[9]為

(1)

式中，ρ為密度，kg/m3；p為壓強(qiáng),Pa；u為流速,m/s；hf為水頭損失,m；z為位置水頭,m；α為動(dòng)能修改系數(shù)，湍流取1，層流取2。等式(1)左右兩端的第一項(xiàng)表征壓能項(xiàng)，第二項(xiàng)表征重力勢(shì)能項(xiàng)，第三項(xiàng)表征動(dòng)能項(xiàng)，等式右端最后一項(xiàng)表征總流的損失能量。

有限元求解是CFD計(jì)算最基礎(chǔ)的方程，所有的流體流動(dòng)問題都是圍繞N-S方程(Navier-Stokes)的求解進(jìn)行的?？紤]流體的密度和粘性系數(shù)都是常數(shù)時(shí)的N-S方程[9]

(2)

式中，η為流體的動(dòng)力粘度。式(2)左端項(xiàng)表示微元的慣性力，右端第一項(xiàng)表征粘性力、第二項(xiàng)表征壓力、第三項(xiàng)表征體積力(如重力)。若不考慮流體的粘性，得到理想流體的運(yùn)動(dòng)方程——?dú)W拉方程(Euler)[9]為

(3)

1)熱源確定

在有限元仿真軟件中，電機(jī)的總損耗作為熱源?？倱p耗由鐵損、摩擦損耗、定子銅損、轉(zhuǎn)子銅損和雜散損耗組成，表達(dá)式[10]為

Ploss=Pc+Pw1+Pw2+Pr+Pstr

(4)

式中，Ploss為總損耗，W；Pc為鐵損，W；Pw1、Pw2分別為定、轉(zhuǎn)子銅損，W；Pr、Pstr分別為風(fēng)摩損耗和雜散損耗，W。其中電機(jī)鐵損[10]由磁滯損耗和渦流損耗兩部分組成。

(5)

式中，Ph、Pe分別為磁滯損耗和渦流損耗，W；kh、ke分別為磁滯損耗系數(shù)和渦流損耗系數(shù)；Bm為磁密峰值；f為電機(jī)供電頻率；i=1.6～2.2。

本電機(jī)額定功率為85 kW，效率為92.2%，總損耗Ploss=7.18 kW。通過有限元仿真結(jié)果為：Pc=0.7 kW，Pw1=2.74 kW，Pw2=2.24 kW，Pr=1.0 kW，Pstr=0.5 kW。熱流密度qx與熱源總損耗、機(jī)殼尺寸的關(guān)系式為

(6)

進(jìn)而計(jì)算出qx=52.8 kW/m2作為熱流密度進(jìn)行CFD流體有限元分析。

2)流速確定

在邊界條件的加載中，假設(shè)進(jìn)出口溫差為7 K，進(jìn)口溫度和環(huán)境溫度均設(shè)置為25℃(298 K)。國標(biāo)QC/T 413-1999 (汽車電氣設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)條件)中3.1.3規(guī)定工作溫度：對(duì)于混合動(dòng)力汽車的工作溫度為-40～90℃；對(duì)于純電動(dòng)汽車的工作溫度為-20～55℃。本文實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)取25℃作為冷卻水進(jìn)口溫度和環(huán)境溫度。采用穩(wěn)態(tài)溫度模式來進(jìn)行仿真。電機(jī)損耗和流速的關(guān)系式[11]為

Ploss=mcp(Tout-Tin)

(7)

式中，m為流量，kg/s；Tout為出口溫度,K；Tin為進(jìn)口溫度，K；cp為比熱容，J/(kg·K)。假設(shè)進(jìn)出口溫度差為7 K，水的比熱容為4.2×103J/(kg·K)，計(jì)算得m=0.24 kg/s，u=2.8 m/s，因此3種水路結(jié)構(gòu)的進(jìn)水口流速均設(shè)置為2.8 m/s。

3)流體模型確定

已知流速u=2.8m/s，水的動(dòng)力粘度η=0.001 kg/(m·s)，進(jìn)水口直徑d=10.0mm，水的導(dǎo)熱系數(shù)kx=0.6 W/(m·K)。雷諾數(shù)[9]為

(8)

計(jì)算得到Rex=21 000。對(duì)于圓形管和長(zhǎng)方形管道的流動(dòng)，一般認(rèn)為臨界雷諾數(shù)為2 000，雷諾數(shù)>2 000為湍流模型；雷諾數(shù)<2 000為層流模型。

因此確定本文的流體模型為湍流流動(dòng)模式，湍流模型中選用雙方程模型，即標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，CFD流體有限元仿真的流程圖如圖3所示。

圖3 流體有限元流程圖Fig.3 CFD flowchart

2.2 CFD流體有限元分析

3種水冷方式采用相同的機(jī)殼尺寸，水流截面面積相同為Sh=400 mm2，水路高度h=12 mm，兩條水路之間的間隔距離d0=10 mm。進(jìn)出口直徑d=10.0 mm，進(jìn)口面積S1=86.6 mm2，面積比k=Sh/S1=4.6。

1)軸向型水路結(jié)構(gòu)

第1種水路結(jié)構(gòu)為軸向型，水流由進(jìn)水口沿軸的方向從機(jī)殼一端流到另一端，再沿預(yù)留的間隙處繞過，類似S型，反復(fù)進(jìn)行直到出水口，水路的流體和機(jī)殼模型如圖4所示。

圖4 軸向型的機(jī)殼模型Fig.4 Axial water cooling frame

應(yīng)用CFD對(duì)軸向型水路進(jìn)行流體仿真，進(jìn)水口流速設(shè)置2.8 m/s為邊界條件，流速變化如圖5所示。已知面積比為k=4.6，理論流進(jìn)軸向水路的流速為0.6m/s，但根據(jù)總流的伯努利方程，存在水頭的能量損失，由圖5可看出，大部分的水流速度在0.5m/s附近，水流均勻，非常吻合，說明水流的均勻性很好。但很明顯在水路的多處尖角水流速度很低，會(huì)導(dǎo)致高溫產(chǎn)生。

圖5 軸向型水流速變化圖Fig.5 Velocity of axial water cooling

2)周向型水路結(jié)構(gòu)

第2種水路結(jié)構(gòu)是周向型，其水路的流體和機(jī)殼模型如圖6所示，模型中，水流從進(jìn)口沿圓周方向分兩路并行向兩側(cè)流去，流經(jīng)圓周180°后再次匯合，反復(fù)周期進(jìn)行直到出水口。

圖6 周向型的機(jī)殼模型Fig.6 Radial water cooling frame

進(jìn)水口流速設(shè)置2.8m/s為邊界條件，流速變化如圖7所示。由進(jìn)水口流入到周向型水路中，兩個(gè)截面積比k=4.6，水路中水流分為兩路沿周向流動(dòng)，理論每路流速為0.3m/s。

圖7 周向型的水流速變化圖Fig.7 Velocity of radial water cooling

圖7顯示了水流的不均勻分布，水流匯合在中間流速很快，湍流明顯，最大達(dá)1.4m/s，而流向兩側(cè)半圓的流速降低，只有0.25m/s或更低。這種水路結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致半圓水路處溫度局部高的缺點(diǎn)。

3)螺旋型水路結(jié)構(gòu)

第3種水路結(jié)構(gòu)為螺旋型，水流由進(jìn)水口沿螺旋形狀繞流，沿圓周一個(gè)方向流動(dòng)直到出水口。水路的流體模型如圖8所示，水流的截面尺寸和機(jī)殼模型與前兩種水路相同。

圖8 螺旋型的機(jī)殼模型Fig.8 Spiral water cooling frame

同樣，進(jìn)水口流速設(shè)置2.8m/s為邊界條件，流速變化如圖9所示。此螺旋型水路與周向型水路近似，都是沿圓周繞流到出口。不同之處是無中間匯合，沿一個(gè)方向流動(dòng)。

圖9 螺旋型的水流速變化圖Fig.9 Velocity of Spiral water cooling

圖9中水流的速度并不均勻，每一層的水路近似，說明水流阻力相似。相比周向型水路，螺旋型流速分布相對(duì)均勻些，溫度場(chǎng)分布相對(duì)較好。

4)壓差計(jì)算及比較

CFD分析了流速的分布圖趨勢(shì)，流體中進(jìn)出口的壓力差也是一個(gè)重要參數(shù)。水冷系統(tǒng)中泵的功率與壓差有一定關(guān)系[11]，為

Wpump=uShΔp

(9)

式中，Wpump為泵的功率，W；Δp為進(jìn)出口水的壓力差，Pa。由式(9)可知，在3種水路水流截面相同、進(jìn)水口流速一致的情況下(u=2.8 m/s)，壓差與泵的功率呈正比，因此壓差越大，消耗泵的功率就越大，經(jīng)濟(jì)性越差。

CFD流體有限元定義

Δp=pout-pin

(10)

給定進(jìn)水口不同流速，流速范圍為0～4m/s，CFD仿真3種水路壓差隨流速的變化曲線如圖10所示。

圖10 3種水路不同流速下的壓差變化圖Fig.10 Pressure drop with velocity in three coolings

本文對(duì)3種水路的壓差仿真，分析歸納為二次方程曲線。

Δp=Au2+Bu+C

(11)

3種水路曲線擬合的系數(shù)A、B、C見表2。

表2 壓差與流速關(guān)系式的參數(shù)數(shù)值(流速：0～4 m/s)Tab.2 The parameter value of pressure drop and velocity (velocity range of 0 to 4 m/s)

由CFD仿真結(jié)果得出，當(dāng)水流速度為2.8 m/s時(shí)，軸向型水路壓差Δp=11.46 kPa，周向型水路壓差Δp=8.09 kPa，螺旋型水路壓差Δp=7.75 kPa。由此看出，軸向型壓差最大，經(jīng)濟(jì)性最差；螺旋型壓差最低，消耗泵的功率最低，僅為軸向型水路泵功率的65%。

2.3 溫度場(chǎng)分析

1)邊界條件

物體內(nèi)部任意位置處的導(dǎo)熱熱流密度與該點(diǎn)的溫度梯度呈正比[11，12]，即

(12)

式中，Φ為熱流量，W；A為傳熱面積，m2；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T為溫度，K；n為法向單位矢量，m。

將導(dǎo)熱物體某點(diǎn)分割為平行六面體微元，通過導(dǎo)熱基本定律可得導(dǎo)熱微分方程

(13)式中，qv為單位體積發(fā)熱率，W/m3；ρ為密度，kg/m3；cv為質(zhì)量定容熱容，J/(kg·K)；τ為時(shí)間，s。式(13)等號(hào)左端第一項(xiàng)表示從3個(gè)方向到微元的傳熱，第二項(xiàng)表示微元內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)熱量，等號(hào)右端項(xiàng)表示微元的內(nèi)能變化，也即微元內(nèi)能變化取決于微元傳熱與產(chǎn)熱的代數(shù)和。

牛頓冷卻定律[11]描述物體對(duì)流換熱過程

Φ=α(Tw-Tf)A

(14)

式中，α為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tw為固體表面溫度；Tf為流體平均溫度。即在對(duì)流傳熱邊界，傳熱面積A所傳熱流量與固體和流體溫差呈正比。

2)流固耦合溫度分析

在有限元溫度場(chǎng)仿真中，熱流密度52.8 kW/m2作為熱源均勻分布在鋁機(jī)殼的內(nèi)表面；機(jī)殼的熱量經(jīng)3種不同的水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻散熱。設(shè)置進(jìn)水口溫度為25℃(298 K)，加載流體CFD的結(jié)果與固體熱源耦合仿真，仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

由圖11、圖12可看出，軸向型水路最高溫度在沿進(jìn)水口旋轉(zhuǎn)180°的尖角處，高達(dá)69℃(342 K)。結(jié)合流速圖分析最高溫度處的流速很慢，流阻很大，考慮工藝中用圓角代替尖角，減少流阻，降低溫度。周向型水路明顯看出水路匯聚處溫度較低，溫度最高為82℃(355 K)。結(jié)合流體流速圖，此處流速很低，小于0.22 m/s。

圖11 軸向型水路的溫度場(chǎng)分布圖Fig.11 Thermal distribution of Axial water cooling

圖12 周向型水路的溫度場(chǎng)分布圖Fig.12 Thermal distribution of Radial water cooling

圖13 螺旋型水路的溫度場(chǎng)分布圖Fig.13 Thermal distribution of Spiral water cooling

圖13為螺旋型水路的溫度場(chǎng)分布圖，從進(jìn)水口開始，隨著溫度的增加直至出水口，溫度逐漸增大，散熱效果較均勻，溫度最高值出現(xiàn)在水路最后一層，為72℃(345 K)。

從溫度場(chǎng)分布來看，軸向型水路冷卻效果最好，周向型水路冷卻效果最差。

2.4 最優(yōu)水路的選擇

基于仿真的冷卻效果和壓差，綜合分析3種水路結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表3。

表3 水冷效果比較參數(shù)Tab.3 Parameter comparison of three water coolings

考慮冷卻效果、泵功率消耗和制作工藝等各方面進(jìn)行分析：

1)由壓差比較3種水路，軸向型水路壓差最大，為11.46 kPa，泵消耗功率最大；其次是周向型水路壓差，為8.09 kPa；螺旋型水路壓差最小，為7.75 kPa，泵消耗功率最低，僅為軸向型水路的65%。經(jīng)濟(jì)性最好。

2)從溫度場(chǎng)分析3種水路，周向型水路溫度場(chǎng)的最高溫度值在82℃，冷卻效果最差；軸向型和螺旋型水路溫度場(chǎng)的最高溫度值近似，在70℃左右。

3)從制作工藝的角度來看，在機(jī)殼中加工螺旋型水路最簡(jiǎn)單，其次是周向型水路的工藝，最難實(shí)現(xiàn)的工藝是軸向型水路。

綜合上述分析，本文選擇螺旋型水路為最優(yōu)水路，作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻方式。

3 螺旋型水冷高功率密度電機(jī)

傳統(tǒng)電機(jī)的定子電流密度為5.0 A/mm2，電機(jī)滿足絕緣等級(jí)H級(jí)要求[13，14]，繞組絕緣允許的最高工作溫度為180℃，繞組溫升限值125 K。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)定子電流密度為10.0 A/mm2，是傳統(tǒng)電機(jī)的2倍。轉(zhuǎn)子銅導(dǎo)條電流密度為13.6 A/mm2，如圖14所示。

圖14 高功率電機(jī)的電流密度圖Fig.14 Current density distribution of this motor

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高電流密度設(shè)計(jì)，保證定轉(zhuǎn)子的溫升限值，良好的散熱、合理的設(shè)計(jì)和特殊材料的選擇是本文高電流密度電機(jī)設(shè)計(jì)的保證[15，16]。具體實(shí)施方式如下：

1)采用3種水路中最優(yōu)水路——螺旋型機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)，通過合理的流速選擇將傳導(dǎo)在機(jī)殼的熱量很好的被冷卻水間接帶走。

2)疊片材料的特殊選擇。該車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻率為200 Hz，因此電機(jī)定轉(zhuǎn)子疊片均選擇中頻0.20 mm電工鋼片B20AT1200，代替?zhèn)鹘y(tǒng)0.35 mm矽鋼片DW270，經(jīng)有限元仿真兩種矽鋼片，該電機(jī)采用超薄型疊片的總鐵耗由9.5 kW降至7.12 kW，較好的降低電機(jī)鐵耗，進(jìn)而減少熱源降低溫升。兩種疊片對(duì)比的具體參數(shù)見表4。

3)由于繞組端部散熱能力較差，通常繞組端部溫度較高，該電機(jī)在定子繞組端部采用灌封工藝，即采用導(dǎo)熱性良好且耐高溫的環(huán)氧灌封膠將端部熱量較好的傳導(dǎo)到機(jī)殼上，再由機(jī)殼內(nèi)的螺旋型水路帶走合適的熱量，滿足繞組絕緣H級(jí)要求。

表4 兩種不同厚度的矽鋼片鐵耗比較Tab.4 Iron losses comparison of two different thickness Silicon steel lamination

4)轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣氣隙導(dǎo)熱差，轉(zhuǎn)子很難散熱，所以該電機(jī)轉(zhuǎn)子采用特殊的紫銅材料，達(dá)到很好的散熱效果。從電阻率來看，紫銅、黃銅的電阻率(20℃)分別為0.018 Ω·mm2/m和0.071 Ω·mm2/m；同樣的轉(zhuǎn)子電流條件下，選用紫銅的轉(zhuǎn)子銅耗是傳統(tǒng)黃銅的25%，熱量為傳統(tǒng)黃銅的25%。從材料的導(dǎo)熱性來看，黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)(20℃時(shí))為108.9 W/(m·K)，紫銅為386.4 W/(m·K)，是黃銅的近4倍，是散熱非常好的材料。本文的高功率密度電機(jī)轉(zhuǎn)子采用紫銅材料，相比傳統(tǒng)黃銅導(dǎo)條，得到較低的轉(zhuǎn)子銅耗和較好的散熱效果。

本文結(jié)合以上4點(diǎn)措施，利用有限元CFD流固耦合仿真溫度場(chǎng)。建模中，選用超薄型矽鋼片、紫銅材料轉(zhuǎn)子和環(huán)氧樹脂灌封膠，并結(jié)合螺旋型水路作為機(jī)殼內(nèi)冷卻流固耦合分析溫度場(chǎng)，電機(jī)部分模型的仿真結(jié)果如圖15所示，設(shè)置環(huán)境溫度為25℃。

圖15 高功率密度電機(jī)溫度場(chǎng)分布圖Fig.15 Thermal distribution of high power density motor

由圖15可知，沿機(jī)殼進(jìn)水口至出水口的軸向螺旋型冷卻方向，機(jī)殼的溫度場(chǎng)呈逐漸升高趨勢(shì)，在出水口處的機(jī)殼最高溫度為78℃；電機(jī)定子繞組最高溫度在出水口處的繞組端部，為118℃，溫升為93 K，滿足H級(jí)絕緣(當(dāng)純電動(dòng)汽車工作溫度最高為55℃時(shí)，繞組端部最高溫度為148℃，仍滿足H級(jí)絕緣要求)；電機(jī)轉(zhuǎn)子銅導(dǎo)條最高溫度為160℃。由仿真結(jié)果可知，利用螺旋型水路和特殊材料設(shè)計(jì)將高電流密度電機(jī)產(chǎn)生的高熱有效地散出，滿足繞組H級(jí)絕緣限制，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)螺旋型水路的電機(jī)進(jìn)行水冷驅(qū)動(dòng)的溫度實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖16所示，水冷冷卻系統(tǒng)的螺旋型水路需要水泵給定2.8 m/s的流速，同時(shí)，需要風(fēng)扇對(duì)散熱水箱進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖16 水冷方式驅(qū)動(dòng)的示意圖Fig.16 Diagram of water cooling drive

結(jié)合磁路設(shè)計(jì)和螺旋型水路結(jié)構(gòu)制造樣機(jī)，根據(jù)國標(biāo)QC/T 413-1999(汽車電氣設(shè)備基礎(chǔ)技術(shù)條件)4.3節(jié)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，連續(xù)工作8 h，30 min內(nèi)溫度上升值不大于1℃，樣機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的溫升，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為26℃。采用紅外線熱成像儀對(duì)該樣機(jī)機(jī)殼進(jìn)行溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖17所示。由圖可知，出口處的最高溫度為75℃。

圖17 螺旋型水路熱成像儀溫度結(jié)果Fig.17 Thermal testing result of Spiral water cooling

由于CFD流體對(duì)螺旋型水路機(jī)殼的仿真模型中，電機(jī)總損耗折成熱流密度均勻分布在機(jī)殼的內(nèi)表面，得到機(jī)殼仿真最高溫度為72℃。而事實(shí)上電機(jī)定轉(zhuǎn)子損耗并非均勻分布，因此CFD與實(shí)驗(yàn)存在誤差，但誤差小于5%，驗(yàn)證了采用CFD流體仿真螺旋型水路結(jié)構(gòu)的可靠性。

而且，本文結(jié)合電機(jī)內(nèi)部模型和CFD進(jìn)行聯(lián)合仿真，由圖15可知，機(jī)殼最高溫度為78℃，繞組端部最高溫度為118℃，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條最高溫度為160℃。由圖17可知，機(jī)殼最高溫度為75℃，與圖15仿真結(jié)果78℃非常吻合，進(jìn)而推斷驗(yàn)證定子和轉(zhuǎn)子最高溫度的合理性，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文討論的高功率密度電機(jī)通過綜合選擇水冷系統(tǒng)來平衡電機(jī)的熱量，保證高功率密度電機(jī)的絕緣等級(jí)。利用CFD和熱場(chǎng)分別比較周向型、軸向型、螺旋型3種水冷方式，結(jié)合溫度場(chǎng)的冷卻效果和泵的功率及制作工藝等多方面綜合分析，最終優(yōu)選螺旋型水路作為高功率密度電機(jī)的水冷方式，實(shí)現(xiàn)高電流密度10.0 A/mm2的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后，通過紅外線熱成像儀對(duì)樣機(jī)進(jìn)行溫度試驗(yàn)，驗(yàn)證CFD流固耦合仿真的可靠性。

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Design and Analysis of Water Cooling System for HEVs High-Power-Density Motor Using CFD and Thermal Technology

WangXiaoyuanDuJingjuan

(School of Electrical Engineering and Automation Tianjin University Tianjin 300072 China)

The focus of the paper consist in the design and analysis of the water cooling system applied in HEVs high power density motor.To make sure of the heating transfer of high-power-density motor，it's the key to choose the suitable cooling structure.The paper uses computational fluid dynamics (CFD) and the coupling of solid and liquid thermal analysis to analyze three cooling methods，i.e.axial，radial，and spiral channels.The aim of the paper is to find the optimal cooling structure through the comparison of the velocity distribution，heating transfer，the consumption of water pump，the temperature distribution，and the processing technic.Finally，the spiral channel is adopted for high power density motor as the frame cooling structure.Thus，the design target of 10.0 A/mm2is achieved with optimized magnetic circuit and special material.With the same temperature rise，the current density of the proposed high-power density motor is about 2 times higher than that (5.0 A/mm2) in normal motor.At last，the testing of temperature by the infrared equipment is done to verify the results by CFD and hot spot of thermal field in FEA.

CFD，water cooling system，thermal analysis，high power density，current density

2014-12-01 改稿日期2015-03-10

TM315

王曉遠(yuǎn) 男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)系統(tǒng)及其控制。(通信作者)

杜靜娟 女，1979年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)和冷卻系統(tǒng)的分析研究。