增程式電動汽車新型外轉(zhuǎn)子發(fā)電機水道設(shè)計

王升平，郭美華，何佳兵

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528404)

0 引言

純電動汽車，混合動力汽車及燃料電池電動汽車，作為新能源汽車的三大主體，各自有其優(yōu)缺點。近幾年，一種新的純電動汽車的概念“增程式電動汽車”被推廣，其技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。通過配置由發(fā)動機和發(fā)電機構(gòu)成的增程器，在動力電池荷電狀態(tài)下降至一定限度時及時給車輛提供能量，既能發(fā)揮純電動汽車的優(yōu)勢，又能有效彌補續(xù)駛里程短的不足。它只有電動機一種動力源，主要是在行駛中通過發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的電能用來驅(qū)動電動機，多余的電能給動力電池充電，本質(zhì)上仍然屬于純電驅(qū)動[1]。增程式電動汽車技術(shù)如今已被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可，并將成為新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向[2]?！吨袊圃?025》明確提出了要開發(fā)增程器發(fā)電機技術(shù)，重點進(jìn)行高效、高密度發(fā)電機的開發(fā)，研究高效發(fā)動機與發(fā)電機的集成核心關(guān)鍵技術(shù)。能否開發(fā)出性能優(yōu)越、油耗低、排放好的增程式電動汽車，主要依賴于增程器技術(shù)。增程器用發(fā)電機作為系統(tǒng)中重要的供能設(shè)備，是增程式電動汽車技術(shù)發(fā)展中亟需解決和完善的關(guān)鍵技術(shù)之一，開發(fā)用于增程器的高效緊湊型發(fā)電機勢在必行。有廠家開發(fā)試制了試驗樣機，初步實驗表明：增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機，性能良好、高效率工作區(qū)域占比高[3]。

圖1 增程式電動汽車技術(shù)架構(gòu)

1 増程器內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)特征

國內(nèi)一些企業(yè)已在開發(fā)公交車、輕型商務(wù)車上應(yīng)用增程器發(fā)電機，但大多數(shù)是采用傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子式發(fā)電機。內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機與外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機在工作原理上是一樣的，不同之處在于定子和轉(zhuǎn)子的位置結(jié)構(gòu)改變了。內(nèi)轉(zhuǎn)子式是定子在外側(cè)，轉(zhuǎn)子在內(nèi)部旋轉(zhuǎn),如圖2;而外轉(zhuǎn)子式是轉(zhuǎn)子在外側(cè)，定子在內(nèi)部，轉(zhuǎn)子繞著定子轉(zhuǎn),如圖3。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)

圖3 外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)

圖4為永磁外轉(zhuǎn)子發(fā)電機爆炸圖，內(nèi)定子由硅鋼片疊成，其線圈槽開在鐵芯圓周的外側(cè)，與常見的外定子相反。外轉(zhuǎn)子如同一個桶套在定子外側(cè)，由導(dǎo)磁良好的鐵質(zhì)材料制成，在“桶”的內(nèi)壁固定有永久磁鐵做成的磁極，使永磁體貼于轉(zhuǎn)子內(nèi)表面，“桶”就是轉(zhuǎn)子的磁軛。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一是磁極固定較容易，不會因為離心力而脫落，外轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子支架上的中間轉(zhuǎn)軸安裝在定子內(nèi)機殼的大小兩個軸承上，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子軸配合，外圈與內(nèi)機殼配合，軸承之間用軸套實施軸向定位，外轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過軸承實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。

圖4 外轉(zhuǎn)子發(fā)電機爆炸圖

傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計具有內(nèi)部空間小、不易實現(xiàn)多極、運行時熱量聚集在電機內(nèi)部難以快速散出、從而影響永磁體性能等缺點，難以達(dá)到增程器技術(shù)緊湊、高功率密度、高效率的要求。而外轉(zhuǎn)子電機則具有軸向尺寸緊湊、可靠性高、轉(zhuǎn)動慣量大、運行平穩(wěn)、散熱性能好、效率高等諸多優(yōu)點。

2 増程器外轉(zhuǎn)子發(fā)電機冷卻水道設(shè)計

2.1 水道結(jié)構(gòu)設(shè)計

高效冷卻系統(tǒng)設(shè)計是增程式電動汽車外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機實現(xiàn)高功率密度、高可靠性等功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著電機功率密度增高、體積減小，電機單位體積的熱負(fù)荷越來越大，過高的溫升嚴(yán)重影響到電機的性能及可靠性。因此，對發(fā)電機溫升的控制成為了該電機設(shè)計的關(guān)鍵。強制水冷的散熱系統(tǒng)因散熱效果好成為了散熱的主要解決方案，圖5為其結(jié)構(gòu)原理圖。

圖5 増程器外轉(zhuǎn)子發(fā)電機散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計內(nèi)機殼外表面與定子鐵芯通過過盈配合裝配在一起，可減小熱阻，內(nèi)機殼內(nèi)部的冷卻水道與基體后端蓋處的冷卻水出入口連接，因而內(nèi)置的冷卻系統(tǒng)能夠有效地將發(fā)電機內(nèi)部的熱量帶走，使電機處于低溫升的工作狀態(tài)。

目前，電機冷卻系統(tǒng)的水道結(jié)構(gòu)主要有折返型和螺旋型兩種。折返型水道壓降大，水泵的效率低；螺旋型水道則較為平順、壓降小。但由于電機兩端分別布置冷卻水的入口和出口，使得入口處溫升低、出口處溫升高，不利于控制電機的均溫性能。同時，螺旋型水道結(jié)構(gòu)對水?dāng)_動能力有限，水流的湍流強度不足，導(dǎo)致冷卻介質(zhì)的強化散熱性能不佳，達(dá)不到好的散熱效果。

鑒于此，設(shè)計了一種具有擾流作用的變截面電機內(nèi)機殼水道，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。電機水冷內(nèi)機殼由鋁合金制成，通過內(nèi)機殼內(nèi)表面與外表面裝配焊接而成。內(nèi)機殼內(nèi)、外表面之間形成的空腔即為水冷機殼的水道。與內(nèi)機殼內(nèi)表面一體成型的隔水板將水道分隔為螺旋型結(jié)構(gòu)。水道底部設(shè)計有“Y”形擾流物，入水口處的槽寬最大，隨后槽寬逐漸變小，出水口處槽寬最小。

圖6 電機內(nèi)機殼結(jié)構(gòu)示意(機殼局部剖開)

其工作原理為：冷卻介質(zhì)從水道的入水口流入，經(jīng)過螺旋型水道與機殼發(fā)生充分的強制對流換熱，后冷卻介質(zhì)從水道的出水口流出并流回冷卻裝置。冷卻系統(tǒng)通過冷卻介質(zhì)的循環(huán)流動來帶走電機產(chǎn)生的熱量，達(dá)到降低電機溫升的作用。

2.2 水道尺寸參數(shù)確定

內(nèi)機殼內(nèi)表面的凹槽結(jié)構(gòu)為水冷電機機殼的主體。如圖7所示，水道為螺旋型，水道隔板的高度h、寬度d保持不變。隔板的存在將水道分層，并使冷卻介質(zhì)順著隔板流動。靠近入水口處的槽寬最大為l1，隨后槽寬逐漸減小，到出水口處達(dá)到最小槽寬l6。水道參數(shù)不僅影響冷卻性能，而且影響壓力損失。有研究表明：螺旋圈數(shù)對電機溫升和水道壓降的影響都很大，而水道寬度和高度對電機溫升的影響較小，對壓降影響卻很大[4]。在進(jìn)行水道尺寸確定時必須考慮和優(yōu)化螺旋圈數(shù)、高度和寬度這幾個參數(shù)。在后續(xù)樣機試制和實驗中，根據(jù)計算和仿真分析，選定了螺旋圈數(shù)為4圈、寬度為50 mm、高度為10 mm的一款電機水道進(jìn)行溫升實驗。

圖7 電機水道結(jié)構(gòu)示意

特別地，在水道底部同時設(shè)計有“Y”形擾流物，如圖8所示，冷卻介質(zhì)在水道中流動，當(dāng)遇到擾流物時擾流物的三叉部分干擾了液體的向前流動，液體向兩側(cè)散開，增大了流動速度并擾亂了原有的流動軌跡，大大增強了冷卻介質(zhì)的湍流強度。為降低制造成本，設(shè)計隔水板和擾流物與內(nèi)機殼為一體，一次鑄造成型。

圖8 電機水道冷卻液流動示意

3 樣機溫升試驗

為了驗證設(shè)計的有效性，制作了一臺外轉(zhuǎn)子內(nèi)置水道試驗樣機，如圖9所示，與某專業(yè)電機公司生產(chǎn)的發(fā)電機產(chǎn)品進(jìn)行了對比實驗。實驗在電機溫升試驗平臺上進(jìn)行，該平臺主要由測功機、待測發(fā)電機、控制器、恒溫水池、水泵、熱電偶、溫度采集卡、控制操作臺、電腦及軟件系統(tǒng)等組成，如圖10。設(shè)置電機功率為 60 kW，轉(zhuǎn)速 3 000 r/min，冷卻介質(zhì)在水道中流速為 13.6 L/min，保持60 ℃恒溫狀態(tài)。樣機制作時，電機水道出入口兩端處定子繞組分別預(yù)埋熱電偶，試驗時作為兩個測溫點，電機的溫度通過熱電偶來采集，每隔 5 min溫度采集儀自動記錄一次熱電偶傳來的溫度數(shù)據(jù)。

圖9 發(fā)電機樣機

圖10 電機溫升試驗臺

兩種發(fā)電機分別在同等工況下運行，約60～70 min后繞組溫度趨向平穩(wěn)，直到1.5 h后溫度保持穩(wěn)定，此時停止實驗。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)整理后，匯集于表1。通過對比，可看出樣機溫升最高點下降了15.41 ℃，出入口處溫差僅1.52 ℃，說明采用變截面具有Y形擾流物的水道結(jié)構(gòu)，可有效降低溫升和保障均溫性能。

表1 溫升試驗測試結(jié)果 ℃

基于此種設(shè)計，電機水道呈現(xiàn)的優(yōu)勢特征如下：

(1)采用內(nèi)外機殼焊接的結(jié)構(gòu)，大大降低了機殼內(nèi)置水道的制造難度，實現(xiàn)了水道的擾流物與內(nèi)機殼一體成型，降低了機殼的制造成本。

(2)水道底部的“Y”形擾流物能有效地擾動冷卻介質(zhì)，增大冷卻介質(zhì)的湍流強度，從而增大水道的對流換熱能力，降低電機溫升。

(3)水道主體為螺旋型結(jié)構(gòu)，降低了水道壓降。設(shè)計水道截面大小為漸變形式，入口處水道寬，出口處水道窄。增大了水道出口處冷卻介質(zhì)的對流換熱能力，保證了電機的均溫性。

4 結(jié)論

為滿足增程式電動汽車高效緊湊型發(fā)電機輕量化、高功率密度的發(fā)展要求，本文作者提出了一種具有擾流作用的變截面電機水道結(jié)構(gòu)，為發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供了新的思路。通過水道內(nèi)的擾流物增強了冷卻介質(zhì)的湍流強度，有效地提高了水冷電機機殼的散熱性能，同時變截面的水道結(jié)構(gòu)保證了電機具有良好的均溫性能。