基于ICEPAK的電機(jī)冷卻水道仿真分析

吳先坤， 黃 靖， 程 義， 高 海

(安徽安凱汽車(chē)股份有限公司 新能源汽車(chē)研究所， 合肥 230051)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一。目前純電動(dòng)汽車(chē)大多采用永磁同步電機(jī)，其具有功率密度大、效率高、體積重量小、便于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)在單位時(shí)間和單位體積內(nèi)產(chǎn)生較大熱量，容易帶來(lái)嚴(yán)重的溫升問(wèn)題。因此，在車(chē)用永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何使電機(jī)在工作期間的溫升始終保持在合理的范圍內(nèi)，是電動(dòng)汽車(chē)研制過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一[1-2]。

1 幾何模型簡(jiǎn)化及修正

電機(jī)的原始結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，包含了機(jī)殼、定子和轉(zhuǎn)子鐵芯、繞組、端蓋、轉(zhuǎn)軸、水接頭、吊環(huán)等。由于流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的計(jì)算相較于靜力學(xué)分析還需消耗更多的計(jì)算機(jī)資源，所以需對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。本文使用UG8.0三維建模軟件進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化及修正工作。在保留結(jié)構(gòu)的主要發(fā)熱源和傳熱路徑，不改變結(jié)構(gòu)熱容以及散熱方式的前提下，保留機(jī)殼、定子鐵芯和繞組等主要部件以及內(nèi)部流道等特征，忽略倒角、凸臺(tái)、螺紋孔等不影響傳熱的幾何特征以及額外零部件(螺釘、吊環(huán)、轉(zhuǎn)接板、水接頭等)[3]。另外，為了方便賦值與計(jì)算，還將定子繞組的銅導(dǎo)線部分簡(jiǎn)化成一個(gè)整體，繞組和鐵芯之間則填充絕緣材料。簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)模型如圖1(b)所示。

(a)簡(jiǎn)化前

(b)簡(jiǎn)化后

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化前后對(duì)比圖

圖1(b)中簡(jiǎn)化后的繞組兩端是封閉的，與實(shí)際狀態(tài)差異較大。為了提高最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要將簡(jiǎn)化后的模型圖1(b)中的繞組部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)修正，即將繞組封閉的兩端部修正為沿繞組溝槽打開(kāi)的開(kāi)放狀態(tài)，如圖2所示[4]。在UG中將圖1(b)中的繞組模型更換為圖2(b)所示的修正后的繞組模型。

(a)修正前 (b)修正后

圖2 繞組結(jié)構(gòu)修正前后對(duì)比圖

模型中原始電機(jī)的水道結(jié)構(gòu)為軸向串聯(lián)型，截面積較大，如圖3(a)所示。圖3(b)和圖3(c)為其他兩種常見(jiàn)的水道結(jié)構(gòu)，分別為軸向并聯(lián)型和螺旋型。本文將對(duì)比這3種結(jié)構(gòu)的冷卻性能。

(a)軸向串聯(lián)型

(b)軸向并聯(lián)型

(c)螺旋型

圖3 不同水道結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真計(jì)算及分析

2.1 仿真模型建立

采用ICEPAK軟件進(jìn)行仿真分析，它能夠?qū)δＰ偷膫鳠?、流?dòng)進(jìn)行模擬，縮短研發(fā)周期。ICEPAK采用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)求解器，可以靈活完成網(wǎng)格劃分，其多點(diǎn)離散求解算法也能夠縮短計(jì)算時(shí)間。

將修正繞組后的電機(jī)簡(jiǎn)化模型整體導(dǎo)入到ICEPAK中，進(jìn)行“Check model”和“Summary”處理，目的是檢查模型的正確性，避免在計(jì)算時(shí)發(fā)生因模型問(wèn)題導(dǎo)致的錯(cuò)誤。確認(rèn)無(wú)誤后采用Mesher-HD方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分時(shí)若一次性自動(dòng)劃分，網(wǎng)格單元太大，數(shù)量較少，結(jié)果不準(zhǔn)確；若直接使用細(xì)分網(wǎng)格，會(huì)使得網(wǎng)格數(shù)太多，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間大大加長(zhǎng)，也可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)系統(tǒng)因配置不夠而崩潰，所以在此分兩步來(lái)完成[5-6]：首先進(jìn)行“Generate Mesh”粗分網(wǎng)格，然后通過(guò)“Per-object meshing parameters”對(duì)水道進(jìn)行局部細(xì)化設(shè)置，使流固之間發(fā)生充分的熱交換[7-8]。最終形成1 429 470個(gè)節(jié)點(diǎn)、400 513個(gè)網(wǎng)格單元的有限元模型，如圖4所示。

網(wǎng)格劃分完成后需在“Basic parameters”中設(shè)置流動(dòng)方程為湍流模型并激活。最后在確定了冷卻介質(zhì)、入口水溫、水流量、定子鐵芯和繞組的損耗值等邊界條件后，再進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 邊界條件的確定

1)材料屬性設(shè)置。本仿真計(jì)算中，需在ICEPAK中設(shè)置材料屬性的部件包括電機(jī)外殼、定子鐵芯、定子繞組、絕緣材料和冷卻介質(zhì)，各部件材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)各部件材料參數(shù)

2)損耗計(jì)算。根據(jù)電機(jī)試驗(yàn)報(bào)告可知，額定工況下電機(jī)的整體熱耗值為3.15 kW[9-10]。參考相關(guān)文獻(xiàn)可知，永磁同步電機(jī)在工作過(guò)程中的電磁損耗可分為鐵芯損耗、繞組損耗和機(jī)械損耗等，其中機(jī)械損耗較小，可忽略。根據(jù)文獻(xiàn)，最終按照7∶3的比例對(duì)繞組損耗和鐵芯損耗進(jìn)行熱耗分配[11]，即繞組損耗2.23 kW、鐵芯損耗0.92 kW。

3)其他邊界條件。將冷卻介質(zhì)(水)的流量設(shè)置為15 L/min，入口溫度和環(huán)境溫度均設(shè)為25 ℃，流體的流動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為湍流[12]。

2.3 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)仿真，可獲得圖3所示的3種不同水道結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的電機(jī)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)云圖，如圖5和圖6所示。

(a)軸向串聯(lián)型水道

(b)軸向并聯(lián)型水道

(c)螺旋型水道

圖5 電機(jī)溫度場(chǎng)圖

(a)軸向串聯(lián)型水道

(b)軸向并聯(lián)型水道

(c)螺旋型水道

圖6 電機(jī)流場(chǎng)圖

從圖中可看出，在額定功況下電機(jī)溫度最高的為原始軸向串聯(lián)型水道，其值為72.31 ℃，最低為螺旋型水道，其值為68.8 ℃；螺旋型水道的流阻僅為原始串聯(lián)型水道的2/5。較低的水道流阻，可以降低對(duì)供液泵的供液壓力要求，還可減小泵的功率消耗和工作噪聲，同時(shí)降低高壓工作時(shí)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)不同冷卻水道結(jié)構(gòu)的電機(jī)散熱效果及流阻進(jìn)行了仿真分析，由仿真結(jié)果可以看出，采用螺旋型水道結(jié)構(gòu)不僅能有效降低溫升，且流阻也可大幅降低，其性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的軸向串聯(lián)型水道結(jié)構(gòu)。