基于灌封材料的永磁同步電動機熱管理策略研究

李 想，郭志平

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機械工程學院，呼和浩特 010051)

0 引 言

永磁同步電機以其高效率、高響應速度、低振動噪聲和高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)勢而被廣泛應用于電動汽車領(lǐng)域[1-2]。與傳統(tǒng)的工業(yè)電動機相比，應用于電動汽車的永磁同步電動機正面臨著工作條件的頻繁變化、有限的安裝空間和惡劣的工作環(huán)境[3]。而這些因素都將導致電動機溫度顯著升高，從而使永磁體(PM)消磁并降低電動機效率[4]。因此，有必要為永磁同步電動機提供有效的冷卻系統(tǒng)，以減少溫升，確保運行穩(wěn)定性和使用壽命。

通常電動機的冷卻方法可分為兩類：空氣冷卻和液體冷卻。Jang等[5]研究了鰭片對開關(guān)磁阻電動機的散熱性能的影響，結(jié)果表明在自然對流條件下使用鰭片時，定子和轉(zhuǎn)子的冷卻性能分別提高了26.1%和16.4%。Li等[6]對帶有離心葉輪的PM電動機的空氣冷卻進行了熱分析，結(jié)果表明電樞表面存在較高的速度梯度。Kral等[7]使用CFD分析了全封閉水冷式感應電機，在模擬時間和精度之間顯示出良好的折衷。此外，由于與熱源直接接觸，使用油作為冷卻介質(zhì)比水可以實現(xiàn)更好的冷卻效果。另外，大功率電動機通常采用油浴[8]和噴油[9]。但是對于空氣冷卻法而言，只能滿足低功率電機的冷卻需求，而液體冷卻法往往存在成本高、布置困難等問題。

近年來，在電子部件中已使用了導熱率低，價格低廉的有機硅凝膠灌封技術(shù)[10]。它可以在室溫下以液態(tài)封裝，這意味著考慮到端部繞組的不規(guī)則形狀，它可以與端部繞組保持良好的接觸。鑒于此，本文將灌封的有機硅凝膠封裝在PMSM的端部繞組與外殼之間的間隙中，以此作為增強的熱管理策略。系統(tǒng)研究了添加灌封材料的PMSM(P-M)和原始PMSM(O-M)的溫升性能。建立了PMSM的3維模型，并進行了CFD分析，以獲得整個電動機的詳細溫度分布和溫升性能。在不同的工作條件下，冷卻性能的顯著提高證明了P-M在復雜的不斷變化的工作條件下具有廣闊的應用前景。

1 灌封硅凝膠PMSM模型構(gòu)建

1.1 PMSM配置

選擇液體冷卻PMSM來研究灌封硅凝膠在不同工作條件下的適應性。系統(tǒng)地測試了O-M和P-M在不同工作條件下的溫升性能。如圖1所示為簡化的液冷P-M的剖視圖，該結(jié)構(gòu)主要由帶有軸向水道的主圓柱狀鋁合金外殼、定子、轉(zhuǎn)子、灌封的有機硅凝膠以及多個繞組等組成。在端部繞組和殼體之間的間隙中加入導熱率為2 W/(m·K)的灌封硅樹脂明膠。表1和表2分別給出了PMSM和灌封硅凝膠化的詳細信息。

圖1 簡化的液冷P-M模型的剖視圖

表1 原型電機的詳細參數(shù)

表2 灌封硅凝膠的材料性能

1.2 測試環(huán)境

如圖2所示，對PMSM的溫升性能進行了測試。圖2中將電動機放在工作臺上，通過使用控制器將直流電源柜中的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電源，從而為電動機提供了交流電。其中，控制臺用于調(diào)節(jié)扭矩和速度，恒溫水箱提供冷水循環(huán)回路以冷卻電動機，同時采用流量計監(jiān)測水流。如圖1所示，將三個PT-1000型鉑電阻溫度計嵌入端部繞組中以記錄繞組溫度，局部溫度計沿圓周方向以120°的間隔分布，如圖1中紅色虛線所示。當溫度計的溫度波動在15分鐘內(nèi)小于1℃或在絕緣材料燒毀的情況下溫度達到135℃時，測試停止。以1 s的間隔進行溫度測量，但為了體現(xiàn)溫度變化趨勢，以不同的時間間隔繪制溫度上升曲線。即為了比較額定功率，在前10分鐘以1分鐘為間隔繪制溫度，因為在此期間溫度急劇上升，然后在10-20分鐘以2分鐘為間隔，其余每5分鐘繪制一次測試時間。對于峰值負載條件，考慮到測試時間短，以10 s的間隔繪制溫度。在不同的工作條件下測試了O-M的溫升性能后，將灌封材料封裝在端部繞組和外殼之間的間隙中，以形成P-M。隨后在相同的工作條件下測試P-M的相應性能，以確保測試的一致性。表3列出了詳細的工作條件，包括典型的轉(zhuǎn)速、扭矩、水溫和水流量。

圖2 實驗裝置的示意圖

表3 測試條件的詳細信息

1.3 建模與仿真

在模型構(gòu)建中，首先使用Solidworks建立被測電機的三維模型，其次通過磁分析計算出銅損和鐵損的必要熱源，然后使用Fluent進行CFD分析以獲得電機在不同工作條件下的溫度分布和溫升性能。PMSM的傳熱過程在理論上受節(jié)能法則的約束：

(1)

式中，ρ為材料密度，Cp為恒壓下的比熱容，k為導熱系數(shù)，q為光源中的生熱速率，T為溫度。直角坐標系中的熱傳導的非平穩(wěn)偏微分方程：

(2)

式中，kx、ky和kz分別為沿x、y和z方向的熱導率。在分析中，考慮到PMSM中的熱量產(chǎn)生非常復雜，模型的尺寸與實際電動機相同，因此調(diào)用了一些簡化模型的簡化方法：

(1)繞組和定子等效于均勻的加熱元件。

(2)僅模擬PMSM出口附近的四分之一。

(3)采用等效導熱系數(shù)來簡化轉(zhuǎn)子附近的氣流。

(4)PMSM內(nèi)部的散熱被忽略。

通過使用有限元方法，PMSM的模型被劃分為多個子元素，其中O-M模型具有895676個節(jié)點和2891093個元素，P-M模型具有1474239個節(jié)點和4340007個元素。溫度場的有限方程：

(3)

式中，C、K和L分別代表熱容量矩陣、熱傳導矩陣和溫度負載矩陣。矩陣的元素為

(4)

PMSM熱模型的初始傳導定義為

T(x,y,x,0)=T0

(5)

式中，T0為PMSM溫度的初始值，模擬的邊界條件規(guī)定如下：

(1)將水溫和流量設(shè)定為實際情況，詳細信息如表3所示。(2)電機的初始溫度為45℃。(3)定子與殼體之間的氣隙為0.037 mm，熱導率為0.026 W/(m·K)。(4)槽絕緣的厚度設(shè)定為0.31 mm，熱導率為0.18W/(m·K)。

實驗中使用基于壓力的求解器模擬了PMSM的溫升性能，并使用CFD-POST軟件可視化了所有溫度和速度場。

1.4 不確定度分析

實驗測得PT-1000溫度計的溫度測量不確定度為±0.45℃。冷卻水的溫度不確定度分別為±1℃，水流的相對不確定度為±1%。測得的電壓和電流的不確定度分別為±1.5%和±1%，因此根據(jù)標準分析方法[11]，施加到電動機上的功率的不確定度為±1.8%。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 水流比較

如圖3所示為在相同的扭矩(101 Nm)、轉(zhuǎn)速(5000 r/min)和水溫(55℃)，不同流量下O-M和P-M的溫升曲線。實驗中所有測試均未達到保護溫度，因此當溫度計的溫度波動低于1℃持續(xù)15分鐘時，測試將停止。如圖3所示，對于O-M和P-M，流量從9 L/min到15 L/min的變化對穩(wěn)態(tài)溫度沒有明顯的影響。例如，在9 L/min、12 L/min和15 L/min的水流量下，P-M的穩(wěn)定溫度分別為85.8℃，85.6℃和85.1℃。這表明P-M與O-M具有很好的水流適應性。由此可以看出，當水的傳熱能力高于散發(fā)到機殼的熱量時，水流量的增加幾乎對穩(wěn)定溫度沒有影響。

圖3 不同流量、相同扭矩、轉(zhuǎn)速和水溫下O-M和P-M的溫升曲線

與O-M相比，P-M的穩(wěn)態(tài)溫度要低得多，O-M在不同的水流量下最大溫度差達到約20℃。例如，P-M的穩(wěn)定溫度在15 L/min時為85.1℃，比O-M(104.9℃)的穩(wěn)定溫度低約18.9%。這種改進主要歸因于端部繞組和外殼之間的灌封硅凝膠，從而大大降低了繞組和外殼之間的熱阻。如式(6)的熱阻，如果熱流保持一致且熱阻較低，則溫度差會降低：

(6)

式中，Φ和R分別代表熱流和熱阻，則溫度差ΔT為

ΔT=Tw-Tc

(7)

式中,Tw和Tc分別代表繞組和殼體的穩(wěn)定溫度。

圖4 外殼溫度和冷卻水流線分布

對于O-M，熱量主要通過定子和殼體之間的界面進行傳遞，在CFD-POST中計算出的傳熱功率為1259.06 W。對于P-M，熱量也可以通過灌封的硅凝膠消散，對于封裝的硅凝膠，計算出的傳熱功率為173.27 W，在定子和外殼之間的界面處為1088.61 W。在此基礎(chǔ)上，由于總熱量基本相同，因此P-M的溫度差異較小。圖4為外殼溫度和冷卻水流線分布，其中圖4(a)、圖4(b)分別為O-M和P-M的外殼溫度分布情況，圖4(c)為冷卻水流線分布。計算的體積平均溫度分別為58.5℃和58.6℃。盡管平均溫度相似，但觀察到外殼的溫度分布略有不同，其原因是灌封的硅凝膠改變了流向外殼的熱流分布?？紤]到水通道中存在湍流，局部高溫區(qū)域出現(xiàn)在相應區(qū)域中如圖4(c)所示。如圖4(b)所示，通過灌封的硅凝膠改善了流向套管的熱量，因此減少了局部高溫和低溫區(qū)域的面積，這也進一步表明灌封的硅凝膠不僅可以有效地降低繞組溫度，而且可以使殼體的溫度分布更加均勻。

2.2 水溫比較

圖5顯示了在扭矩(127 Nm)、轉(zhuǎn)速(4000 r/min)和水流量(12 L/min)下，水溫對O-M和P-M的升溫性能的影響。對于每個水溫，P-M的穩(wěn)態(tài)溫度要比O-M的低很多，這在應用較低的水溫時更為明顯。具體來說，當水溫為45℃時，最高溫度降低了27.3℃，而當水溫為55℃時，穩(wěn)定溫度下降了約22℃。需要注意的是，當水溫為65℃時，O-M在約15分鐘內(nèi)達到135℃，而P-M在110.7℃的測試溫度下可以穩(wěn)定運行。繞組溫度的顯著下降顯然是由于封裝的硅凝膠的封裝所致。因此如前所述，P-M的穩(wěn)定繞組溫度比O-M低得多。

圖5 在相同轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速和水流量的不同水溫下，O-M和P-M的溫升曲線

從圖6可以看出，灌封的硅凝膠不僅降低了端部繞組的溫度，而且還改變了繞組的溫度分布。如圖6(a)對于O-M，繞組的最低溫度位于繞組的中間部分，直接通過槽紙與定子接觸。另外，圖6(b)中P-M的最低溫度區(qū)域已移至端部繞組的外邊緣，這是因為在端部繞組中產(chǎn)生的熱量可以通過灌封的硅凝膠快速傳遞到外殼。如前所述，最低溫度區(qū)域位置的變化也可以證明一部分熱量通過封裝的硅凝膠散發(fā)。

圖6 繞組溫度分布

除此之外，P-M在每種水流量和水溫下均顯示出明顯的溫度性能改善，這意味著可以降低應用于P-M的泵的功率以降低電池消耗。此外，即使在較高的冷卻水溫度下，P-M仍可以正常工作，這意味著可能不需要額外的冷卻裝置，從而可以降低生產(chǎn)成本并提高系統(tǒng)效率。

2.3 工作條件比較

2.3.1 額定功率

如圖7所示，在相同的冷卻條件、不同扭矩和轉(zhuǎn)速下P-M和O-M的溫升性能。在測試的四個額定功率中，P-M的穩(wěn)定繞組溫度低于O-M。在轉(zhuǎn)速為4000r/min的情況下，穩(wěn)態(tài)溫度下降21.9℃時，情況更加明顯。冷卻效果隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，如圖8所示的綠線，這是由PMSM的損耗變化和內(nèi)部熱交換引起的。圖8中，在4000r/min轉(zhuǎn)速下的銅損遠高于在其他轉(zhuǎn)速下的銅損，并且機械損耗增加，而其他損失則隨轉(zhuǎn)速的增加而幾乎保持恒定。如圖9所示，其中圖9(a)和圖9(b)分別為4000r/min和7700r/min下P-M和O-M的溫度分布，圖9(c)為7700r/min下P-M溫度分布，對比三個圖像可以看出電機內(nèi)部的最高溫度區(qū)域從端部繞組變?yōu)檗D(zhuǎn)子。此外，電動機內(nèi)部空氣的等效導熱系數(shù)將隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，端部繞組中的大量熱量可以通過周圍的空氣釋放，因此降低了灌封硅凝膠的冷卻效果。當轉(zhuǎn)速為7700r/min的P-M中的最高溫度移至轉(zhuǎn)子并達到139.6℃，這比轉(zhuǎn)速為4000r/min時的71.5℃約高95.2%。轉(zhuǎn)子溫度升高會影響P-M的磁性能，即當轉(zhuǎn)子溫度從70℃升高至140℃時，固有矯頑力將從19.56 kOe降低至11.05 kOe，最大能量乘積將從34.02 MGOe下降到28.40 MGOe，而這也將導致不可逆轉(zhuǎn)的損失。灌封硅凝膠的冷卻效果在高轉(zhuǎn)速下會降低，這表明灌封材料可能對于其最高溫度區(qū)域位于轉(zhuǎn)子和P-M中的高速PMSM效果不明顯。

圖7 在相同的水溫、水流量、不同扭矩和轉(zhuǎn)速下O-M和P-M的溫升曲線

圖8 冷卻效果與損耗分布之間的關(guān)系

圖9 不同轉(zhuǎn)速下電機內(nèi)部溫度分布

此外，如圖7所示P-M和O-M在最低轉(zhuǎn)速為4000 r/min時都具有最高的穩(wěn)態(tài)溫度，并且穩(wěn)態(tài)溫度隨著轉(zhuǎn)速升高先降低后升高。這種趨勢主要由相電流的變化決定，這是影響銅損并決定繞組穩(wěn)定溫度的主要因素。如圖8所示，在4000 r/min的轉(zhuǎn)速下，銅損為1040.07 W，比其他三個條件高出約58.7%，因此該額定功率具有最大的穩(wěn)定溫度。

2.3.2 峰值負載條件

如圖10所示，顯示了在峰值負載條件下P-M和O-M的測試和模擬溫度上升曲線。盡管模擬與測試之間存在誤差，但它準確地預測了與實驗測試相同的穩(wěn)定運行時間。仿真和測試數(shù)據(jù)之間的巨大差異逐漸減小，最終隨著時間收斂到相同的值。模擬數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)之間的溫升率差異主要是由于初始條件和邊界條件的誤差，例如將電動機的初始溫度設(shè)置為均勻分布在45℃，但是實際上在進行實驗測試時，電動機內(nèi)部存在溫度差異。

圖10 峰值負載條件下O-M和P-M的溫升曲線

在峰值負載條件下，輸出轉(zhuǎn)矩接近PMSM的極限，并且相電流遠高于額定條件。因此，峰值負載條件下的PMSM僅需幾分鐘即可達到保護溫度。如圖10所示，通過封裝硅凝膠，可以將峰值負載條件下的穩(wěn)定運行時間延長兩倍。電動機運行約84 s后，O-M達到135℃，而P-M在165 s內(nèi)可以穩(wěn)定運行，延長的時間可以有效地保護電動機免受高溫的損害。具體來說，如果電機必須在振動條件下運行約80 s，則O-M幾乎會達到臨界溫度，甚至超過臨界溫度。在相同條件下，P-M的溫度約為90.6℃，幾乎不會影響電機壽命。如前所述，P-M穩(wěn)定運行時間的增長可歸因于灌封的硅凝膠，它可以迅速散發(fā)端繞組中產(chǎn)生的熱量，并避免形成局部高溫。

3 結(jié) 語

本文將灌封材料封裝在端部繞組和外殼之間的間隙中，以提高整個水通道的利用率。該設(shè)計為PMSM提供了一種簡便且經(jīng)濟高效的熱管理解決方案。測試了O-M和P-M在不同的冷卻和工作條件下的溫升性能。結(jié)果表明，與O-M相比，在所有測試條件下P-M的溫升性能都有很大提高。本文得出的主要結(jié)論包括：

(1)在扭矩：101 Nm，轉(zhuǎn)速：5000r/min的工作條件下，水流在一定范圍內(nèi)的變化對O-M和P-M的穩(wěn)態(tài)溫度有輕微的影響。在每個測試水流下，P-M的穩(wěn)態(tài)溫度比O-M低約20℃。 P-M優(yōu)異的溫升性能

主要歸因于通過灌封硅明膠直接連接端部繞組和外殼。

(2)P-M在較低的水溫下具有更好的冷卻效果，在45℃的水溫下、扭矩為127 Nm、轉(zhuǎn)速為4000r/min時，最高溫度下降為27.3℃。灌封的硅凝膠還通過將一部分熱量從端部繞組直接傳遞到殼體來改變繞組和殼體的溫度分布。

(3)在峰值負載條件下，P-M可以有效地將穩(wěn)定運行時間從84 s延長到165 s，所獲得的三維瞬態(tài)熱模型可以準確預測電動機在峰值負載條件下的穩(wěn)定運行時間。