油冷溫度與流速對輪轂電機(jī)溫度場研究

楊文豪，周志剛,2，李爭爭

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.寧波圣龍(集團(tuán))有限公司，浙江 寧波 315100)

0 引 言

輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)將電機(jī)安裝在汽車輪轂內(nèi)，可去掉離合器、變速器和傳動軸等機(jī)械裝置，使其結(jié)構(gòu)簡化、成本降低、保養(yǎng)方便并且提高傳動效率[1]。由于輪轂電機(jī)電動汽車需要滿足功率密度高、轉(zhuǎn)矩密度高要求和受車輪內(nèi)的空間大小限制，使輪轂電機(jī)散熱能力較差，而且由于輪轂電機(jī)對工作環(huán)境溫度要求嚴(yán)格，使得輪轂電機(jī)散熱問題至關(guān)重要[2]。為解決這一問題，對輪轂電機(jī)電動汽車進(jìn)行相應(yīng)熱管理研究具有重要意義。

油內(nèi)冷散熱方式是使用變壓器油液在電機(jī)內(nèi)部流動，利用熱傳導(dǎo)方式將熱量傳出，實(shí)現(xiàn)電機(jī)降溫的目的。對于風(fēng)冷散熱方式，由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)低于變壓器油液導(dǎo)熱系數(shù)，對電機(jī)的散熱能力有限，水冷散熱方式會提高電機(jī)的結(jié)構(gòu)要求和設(shè)計(jì)難度，并且造成輪轂電機(jī)內(nèi)部溫度分布不均衡，相較于風(fēng)冷與水冷散熱方式，油內(nèi)冷散熱方式更加適合外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)[3]。國內(nèi)外學(xué)者對電機(jī)散熱方式進(jìn)行了廣泛研究，佟文明等[4]利用有限體積法對常用的軸向“Z”字型和軸向螺旋型水冷系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。Zhe Huang[5]等通過多參數(shù)對不同形狀進(jìn)行研究并進(jìn)一步優(yōu)化冷卻通道。李翠萍等[6]研究水冷電機(jī)的流速對汽車電機(jī)溫升影響。David A.Station等[7]研究分析了電機(jī)風(fēng)冷對流換熱。吳琳等[8]對水冷與風(fēng)冷散熱方式進(jìn)行研究比較。晉社民等[9]改變冷卻風(fēng)扇出口角度對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化前、后散熱性能進(jìn)行比較。丁樹業(yè)等[10]通過研究電機(jī)不同結(jié)構(gòu)的外風(fēng)扇冷卻能力，完成了電機(jī)外風(fēng)扇優(yōu)化。Shinichi.Noda等[11]研究了內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷散熱方式，避免電機(jī)從外部吸入灰塵。Zhu Gaojia等[12]介紹一種電機(jī)自動循環(huán)空氣-空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。Kawashiwa等[13]提出一種新型的葉片形狀作為冷卻風(fēng)扇，并經(jīng)過驗(yàn)證該風(fēng)扇可以增加流經(jīng)輪轂的空氣流量。王曉遠(yuǎn)等[3]根據(jù)外轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)的機(jī)構(gòu)及變壓器油的物理特性，提出油內(nèi)冷輪轂電機(jī)冷卻方式。

本文基于Ansys軟件平臺，在軟件中輸入電機(jī)基本參數(shù)，建立輪轂電機(jī)有限元物理模型，仿真輪轂電機(jī)的磁場分布情況，然后計(jì)算出繞組損耗、定轉(zhuǎn)子損耗、永磁體渦流損耗等，進(jìn)行電機(jī)磁熱耦合分析計(jì)算出熱量分布，最后通過流固耦合分析得到輪轂電機(jī)的溫度場，進(jìn)行冷卻液流速和溫度對輪轂電機(jī)影響分析。

1 輪轂電機(jī)樣機(jī)

本文所分析一臺12 kW的純電動汽車用輪轂電機(jī)為研究對象，其結(jié)構(gòu)為外轉(zhuǎn)子表貼式永磁電機(jī)，表1給出了輪轂電機(jī)的主要基本參數(shù)。定子繞組為分?jǐn)?shù)槽集中式繞組。

表1 輪轂電機(jī)主要基本參數(shù)

輪轂電機(jī)電動汽車在運(yùn)行過程中必然會產(chǎn)生一定損耗，這部分損耗會轉(zhuǎn)化為電機(jī)內(nèi)部熱量。輪轂電機(jī)的損耗主要分為鐵心損耗、繞組損耗、永磁體渦流損耗和機(jī)械損耗。由于電機(jī)功率密度較高，會在短時(shí)間內(nèi)加劇電機(jī)溫度上升，而且因?yàn)槠囕嗇瀮?nèi)部工作空間有限，使電機(jī)內(nèi)部熱量不能及時(shí)散出，進(jìn)一步加劇電機(jī)溫度上升，若不能采用合理冷卻方式，將導(dǎo)致電機(jī)損壞乃至威脅人的生命及財(cái)產(chǎn)安全，因此采用合理冷卻方式至關(guān)重要。油內(nèi)冷散熱方式可以有效降低輪轂電機(jī)內(nèi)部的溫升，使電機(jī)各部件溫度分布更加均勻，并且合適的油冷散熱方式熱管理會避免資源浪費(fèi)和節(jié)省汽車成本。為節(jié)省軟件3-D運(yùn)算時(shí)間，將輪轂電機(jī)3-D模型進(jìn)行簡化，圖1為輪轂電機(jī)模型的部分示意圖。

圖1 輪轂電機(jī)3-D物理模型

2 輪轂電機(jī)內(nèi)熱源分析

輪轂電機(jī)在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生一定損耗，轉(zhuǎn)化為輪轂電機(jī)內(nèi)部的熱源。輪轂電機(jī)內(nèi)部的損耗主要包括繞組銅耗PCu、鐵心損耗PFe、永磁體渦流損耗Ppm、機(jī)械損耗Pf。因?yàn)闄C(jī)械損耗計(jì)算較為復(fù)雜，并且在損耗中所占比重較小，因此忽略機(jī)械損耗[14]。

2.1 繞組銅耗

計(jì)算輪轂電機(jī)繞組銅耗時(shí)，需要考慮中電樞繞組阻值隨溫度的變化，繞組的銅耗為[15]

pCu=3I2R

(1)

式中,pCu為銅耗；I為電機(jī)運(yùn)行周期內(nèi)平均相電流；R為運(yùn)行溫度下的相電阻。

2.2 鐵心損耗

定轉(zhuǎn)子鐵心損耗是指電機(jī)磁通在磁路的鐵磁材料中交變時(shí)的損耗。考慮趨膚效應(yīng)影響的鐵耗可以表示為[16]

(2)

式中,PFe為鐵耗；kh為磁滯損耗系數(shù)；ke(f)為與頻率有關(guān)的渦流損耗系數(shù)；ke為由磁場分布引起的附加(雜散)渦流系數(shù)；Bm為磁通密度最大幅值；f為磁通密度的頻率。

2.3 永磁體渦流損耗

分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)中，定子電流會產(chǎn)生很強(qiáng)的諧波磁動勢，并且在電機(jī)高速運(yùn)行過程中，這些諧波磁動勢產(chǎn)生的磁場會在永磁體內(nèi)感應(yīng)出渦流，產(chǎn)生損耗，造成永磁體溫度上升。永磁體渦流損耗計(jì)算式為[17]

(3)

式中,Ppm為電機(jī)渦流損耗；jn為渦流密度；σ為永磁體的電導(dǎo)率。

輪轂電機(jī)功率損耗密度云圖如圖2所示，定子鐵心與繞組部分損耗密度較高，轉(zhuǎn)子鐵心與永磁體損耗密度較低，其中定子損耗主要包括渦流損耗與磁滯損耗。

圖2 損耗密度云圖

3 溫度場分析

輪轂電機(jī)在運(yùn)行過程中將產(chǎn)生的損耗轉(zhuǎn)化為熱量，使電機(jī)各部分的溫度升高。輪轂電機(jī)內(nèi)部溫度相互傳導(dǎo)并且與空氣對流，其基本的傳熱方式是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射，而這個(gè)過程與物體的導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)緊密相關(guān)。由于熱輻射在本文所占比重較小因此其忽略不計(jì)[18]。

3.1 輪轂電機(jī)傳熱方式

當(dāng)物體內(nèi)部存在溫差時(shí)，熱量從高溫部分傳遞到低溫部分；不同溫度的物體相接觸時(shí)，熱量從高溫物體傳遞到低溫物體。這種熱量傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)。

其中，熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

(4)

式中,qn為熱流密度，其單位為W/m2;k為導(dǎo)熱系數(shù)，其單位為W/(m℃)。

對流是指溫度不同的各個(gè)部分流體之間發(fā)生相對運(yùn)動所引起的熱量傳遞方式。高溫物體表面附近的空氣因受熱而膨脹，密度降低而向上流動，密度較大的冷空氣將下降替代原來的受熱空氣而引發(fā)對流現(xiàn)象。熱對流分為自然對流和強(qiáng)迫對流兩種。

熱對流滿足牛頓冷卻方程：

qn=h(Ts-Tb)

(5)

式中,h為對流換熱系數(shù)(或稱膜系數(shù));Ts為固體表面溫度;Tb為周圍流體溫度。表2為輪轂電機(jī)各部件熱參數(shù)。

表2 輪轂電機(jī)各部件熱參數(shù)

3.2 輪轂電機(jī)油內(nèi)冷散熱系數(shù)

定轉(zhuǎn)子油間的等效散熱系數(shù)hairgap_oil可通過下式進(jìn)行計(jì)算[3]：

(6)

式中,η為定子外徑與轉(zhuǎn)子內(nèi)徑之比；k為與氣隙內(nèi)物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)的修正系數(shù)；r為轉(zhuǎn)子外徑；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；δ為氣隙長度；voil為油的運(yùn)動粘度系數(shù)。

由旋轉(zhuǎn)體表面散熱系數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)則，計(jì)算轉(zhuǎn)子表面的對流散熱系數(shù)[3]：

(7)

式中,hk為旋轉(zhuǎn)住表面的對流散熱系數(shù)；vair為大氣壓下空氣的運(yùn)動速度。

4 輪轂電機(jī)仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述計(jì)算和輪轂電機(jī)各部件參數(shù)，創(chuàng)建輪轂電機(jī)的3-D物理模型，仿真出輪轂電機(jī)的磁場分布情況，計(jì)算出輪轂電機(jī)繞組損耗、定轉(zhuǎn)子損耗和永磁體的渦流損耗，再將所得到的結(jié)果導(dǎo)入到熱場中得到輪轂電機(jī)的熱量分布，最后進(jìn)行熱場與流場結(jié)合，得到不同液體流速與溫度的電機(jī)溫度云圖。圖3為輪轂電機(jī)純電動汽車在運(yùn)行過程中，得到的整體溫度分布云圖。

圖3 電機(jī)整體溫度分布云圖

4.1 液體流速對輪轂電機(jī)溫度場影響

輪轂電機(jī)變壓器油流速不同時(shí)，輪轂電機(jī)溫度分布曲線如圖4所示。由圖4可知，輪轂電機(jī)內(nèi)部各部件的溫度隨著冷卻液流速的增加而逐漸下降，在冷卻液流速小于0.01 m/s時(shí)，隨著冷卻液流速的增加，冷卻液流速對輪轂電機(jī)內(nèi)部各部件溫度影響較大，繞組溫度從126.5 ℃下降到87 ℃，定子溫度從120.8 ℃下降到84.8 ℃，永磁體溫度從98.1 ℃下降到80.5 ℃，轉(zhuǎn)子溫度從96.8 ℃下降到78.2 ℃，其中繞組與定子溫度下降較大，永磁體與轉(zhuǎn)子次之。在冷卻液流速大于0.01 m/s時(shí)，隨著冷卻液流速的增加，冷卻液流速對輪轂電機(jī)內(nèi)部的溫度影響逐漸減小。在冷卻液流速大于0.05 m/s時(shí)，電機(jī)溫度不會因?yàn)槔鋮s油流速增大而急劇降低。當(dāng)冷卻液流速逐漸增加時(shí)，輪轂電機(jī)內(nèi)部溫差逐漸減小，這是由于油冷冷卻方式在輪轂電機(jī)內(nèi)部起到了均溫的作用，使輪轂電機(jī)內(nèi)部的溫差減小，避免造成輪轂電機(jī)局部溫度過高的現(xiàn)象。

圖4 輪轂電機(jī)各部件最高溫度隨變壓器油液流速的變化曲線

4.2 液體溫度對輪轂電機(jī)溫度場影響

輪轂電機(jī)在冷卻液流速為0.01 m/s，變壓器油液溫度不同的輪轂電機(jī)溫度云圖如圖5所示。由圖6可知，在變壓器油液溫度不同時(shí)，變壓器油液溫度與輪轂電機(jī)溫度呈正相關(guān)，隨著變壓器油液的溫度逐漸增加，輪轂電機(jī)內(nèi)部各部件溫度同時(shí)出現(xiàn)上升。

圖5 變壓器油液溫度不同情況下電機(jī)溫度云圖

圖6 變壓器油液溫度不同情況下電機(jī)溫度曲線

5 結(jié) 論

采用電磁場、熱場與流場相結(jié)合的方法，對不同冷卻油流速與冷卻油溫度的輪轂電機(jī)進(jìn)行流固耦合仿真得出結(jié)論，冷卻油溫度對輪轂電機(jī)各部件溫度影響較大，當(dāng)冷卻油溫度增加時(shí)，輪轂電機(jī)各部件溫度也相應(yīng)增加。冷卻油流速在小于0.01 m/s時(shí)，冷卻油流速對輪轂電機(jī)各部件溫度影響較大。在冷卻油流速大于0.01 m/s時(shí)，冷卻油流速對輪轂電機(jī)溫度的影響逐漸變小。在冷卻油流速大于0.05 m/s時(shí)，輪轂電機(jī)溫度不會因?yàn)槔鋮s油流速的增大而急劇降低。電機(jī)內(nèi)部溫差隨冷卻液流速逐漸增加而減小。電機(jī)的溫升不是因冷卻液流速的增大而一直急劇減小，若想增大流速減小溫升，需要極大提高冷卻油流速，但是得到的冷卻效果有限。