電動(dòng)汽車(chē)水冷電機(jī)散熱影響因素研究

羅 驍， 石 魏， 劉文弢， 趙 鈴， 朱 曦， 委凱琪

(1.長(zhǎng)沙中車(chē)智馭新能源科技有限公司， 長(zhǎng)沙 410000; 2.中車(chē)時(shí)代電動(dòng)汽車(chē)股份有限公司， 湖南 株洲 412000)

永磁同步電機(jī)具有體積小、功率密度大、效率高、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但由于永磁體在高溫下易發(fā)生磁性能衰退，且高溫環(huán)境直接影響電機(jī)絕緣性能和使用壽命。因此，永磁電機(jī)的溫升影響研究一直是行業(yè)熱點(diǎn)。

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)開(kāi)展電機(jī)熱分析常用的方法主要有：簡(jiǎn)單公式法、等效熱路法、等效熱網(wǎng)絡(luò)法和有限元分析法[1-2]。在工程應(yīng)用中，普遍使用等效熱網(wǎng)絡(luò)法開(kāi)展電機(jī)溫升的仿真分析。本文也采用此方法對(duì)某款電動(dòng)商用車(chē)的電機(jī)建立損耗模型，并進(jìn)行多參數(shù)的散熱仿真分析，探求不同散熱結(jié)構(gòu)對(duì)其溫升的影響規(guī)律，最后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

1 電機(jī)損耗模型建立

電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：額定/峰值功率為100 kW/200 kW；額定電壓為540 V；額定/峰值電流為240 A/530 A；極數(shù)為8。永磁電機(jī)的發(fā)熱源主要包括繞組銅損耗、鐵心損耗和機(jī)械損耗。

1) 銅損耗計(jì)算的關(guān)鍵主要在于確定繞組的電阻率以及利用電阻增加系數(shù)來(lái)消除趨膚效應(yīng)的影響[3]。繞組的電阻直接受溫度影響，溫度越高，其值越大。此外，趨膚效應(yīng)的存在導(dǎo)致電阻值還會(huì)隨電流頻率變化。根據(jù)焦耳定律，電機(jī)的銅損耗Pcu為

Pcu=mI2R

式中：m為永磁電機(jī)繞組相數(shù)；I為每相繞組中的相電流有效值；R為繞組的有效電阻值。

經(jīng)計(jì)算，本電機(jī)額定工況銅損耗為2.145 kW。

2) 鐵心損耗產(chǎn)生的物理過(guò)程比較復(fù)雜，工程應(yīng)用一般采用鐵耗分解模型，將鐵心損耗PFe分解為磁滯損耗Ph、渦流損耗Pw和附加損耗Pexc[4]。

PFe=Ph+Pw+Pexc
Ph=KfBmaV,Pw=K2f2d2Bm2V/(12ρ)

式中：K為不同材料計(jì)算系數(shù)；f為電機(jī)頻率；Bm為磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值；V為鐵芯體積；d為硅鋼片厚度；ρ為硅鋼片電阻率。查文獻(xiàn)并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，附加損耗Pexc一般設(shè)置為電機(jī)額定功率的0.1%。

經(jīng)計(jì)算，本電機(jī)額定工況鐵心損耗為2.179 kW。

3) 機(jī)械損耗包括軸承的摩擦損耗、風(fēng)摩損耗及其他雜損。機(jī)械損耗占電機(jī)損耗的比重非常小，工程研究中往往根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)選定。本文設(shè)置機(jī)械損耗占電機(jī)額定功率的0.4%，即為0.4 kW。

2 電機(jī)溫度場(chǎng)仿真及驗(yàn)證

基于額定100 kW電機(jī)3D模型，利用熱網(wǎng)絡(luò)分析軟件Motor-CAD，建立電機(jī)的溫度場(chǎng)仿真模型，如圖1所示。

圖1 電機(jī)溫度場(chǎng)仿真模型示意圖

2.1 導(dǎo)熱參數(shù)設(shè)置

對(duì)電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，需設(shè)置內(nèi)部實(shí)體材料的導(dǎo)熱參數(shù)，并進(jìn)行各部件表面的熱輻射參數(shù)設(shè)置。與電機(jī)散熱有關(guān)的主要材料的導(dǎo)熱參數(shù)設(shè)置如下：

1) 鐵心導(dǎo)熱參數(shù)與鐵心材料牌號(hào)、疊壓系數(shù)、表面粗糙度與表面處理方式相關(guān)。本產(chǎn)品使用35W300硅鋼片，由仿真軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)查得其熱導(dǎo)率λ為30 W/(m·K)，比熱容c為0.5 kJ/(kg·K)，直接調(diào)用。

2) 定子繞組導(dǎo)熱參數(shù)與繞組浸漬漆、電磁線(xiàn)漆膜、絕緣紙等材料特性相關(guān)。分析計(jì)算時(shí)，需假設(shè)以上材料分布均勻。本電機(jī)層間絕緣和匝間絕緣結(jié)構(gòu)采用0.25 mm規(guī)格HNH絕緣紙，由兩層NOMEX紙和聚酰亞胺薄膜構(gòu)成。由仿真軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)庫(kù)查得繞組熱導(dǎo)率λ為400 W/(m·K)，比熱容c為 3 850.5 kJ/(kg·K)，直接調(diào)用。

3) 由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)帶動(dòng)空氣一起旋轉(zhuǎn)，氣隙導(dǎo)熱能力一般按等效導(dǎo)熱系數(shù)得到。查文獻(xiàn)[5]，氣隙等效導(dǎo)熱系數(shù)λg按下式計(jì)算：

η=D2/D1

式中：D2為轉(zhuǎn)子鐵心外徑；D1為定子鐵心內(nèi)徑；Reg為氣隙雷諾系數(shù)[5]。

經(jīng)計(jì)算，本文電機(jī)η=0.99，Reg=4 479。

4) 除水冷外，機(jī)殼表面還以輻射形式散發(fā)熱量。本文水冷機(jī)殼材料為ZL101A，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其熱導(dǎo)率取11.68 W/(m·K)，各散熱表面的熱輻射系數(shù)都取0.9，視界因子都取1，其余參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 熱輻射參數(shù)設(shè)置

2.2 多參數(shù)仿真分析

為了明確影響水冷電機(jī)散熱的主要因素，在同一電機(jī)損耗模型和導(dǎo)熱參數(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)水道結(jié)構(gòu)與接觸面的尺寸調(diào)整，計(jì)算出電機(jī)不同散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)下繞組各位置的溫度。電機(jī)為螺旋式水道，水道結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。仿真尺寸參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

圖2 水道結(jié)構(gòu)示意圖

表2 參數(shù)設(shè)置 mm

2.3 仿真結(jié)果

通過(guò)表2參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真計(jì)算，得到以下結(jié)果：

1) 水道高度由5 mm變化到9 mm，以及內(nèi)壁厚度由7 mm變化到8 mm，電機(jī)繞組各部位最高溫度幾乎無(wú)差別，即表示水道高度和內(nèi)壁厚度的變化對(duì)電機(jī)溫升基本上無(wú)影響。

2) 水道間隔由7 mm變化到15 mm，電機(jī)繞組各部位最高溫度差值在1 K以?xún)?nèi)，即表示水道間隔的變化對(duì)電機(jī)溫升的影響不大。

3) 接觸面等效間隙量由-0.05 mm變化到0.05 mm，電機(jī)繞組平均溫升差異達(dá)到21.35 K，表明接觸面等效間隙量設(shè)置對(duì)電機(jī)溫升影響最為顯著，如圖3所示。在分析軟件中，接觸面表示的是微觀層面定子與機(jī)殼接觸部分的等效間隙量。雖然電機(jī)機(jī)殼內(nèi)壁與定子鐵心通常采用過(guò)盈配合[6]，但由于材料配合表面粗糙度及配合公差帶的原因，該等效間隙仍然存在，即此等效間隙量總為正，只是過(guò)盈量越大，接觸面等效間隙量越小。從仿真結(jié)果也能看出，等效間隙量小于0的區(qū)間電機(jī)溫升無(wú)變化，大于0后，等效間隙量越大，電機(jī)溫升越高。

本文的接觸等效間隙量是微觀層面的概念，不同于文獻(xiàn)[6]中間隙配合的宏觀層面的間隙量概念。

圖3 接觸面等效間隙量變化對(duì)溫升的影響規(guī)律

4) 水道寬度由75 mm變化到85 mm，電機(jī)繞組各部位最高溫度差值在2 K以?xún)?nèi)，即表示水道寬度的變化對(duì)電機(jī)溫升的影響不大。

2.4 臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，以前述仿真參數(shù)為基礎(chǔ)制作了2臺(tái)樣機(jī)開(kāi)展溫升測(cè)試。2臺(tái)樣機(jī)除接觸面等效間隙量不一致外(樣機(jī)A為0.05 mm，樣機(jī)B為0.01 mm)，其余參數(shù)完全相同。

試驗(yàn)系統(tǒng)由電力測(cè)功機(jī)、功率分析儀、電機(jī)控制器、冷卻水箱和測(cè)試軟件組成。測(cè)試時(shí)，電力測(cè)功機(jī)拖動(dòng)被測(cè)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并能實(shí)時(shí)得到電機(jī)系統(tǒng)的輸出參數(shù)，如轉(zhuǎn)速、扭矩和軸功率。功率分析儀實(shí)時(shí)得到電機(jī)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，如電流、電壓和輸入功率等。電機(jī)的溫度通過(guò)內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器測(cè)量，由上位機(jī)軟件輸出數(shù)據(jù)。

在同一臺(tái)架分別對(duì)2臺(tái)樣機(jī)按S2(60 min)工況[7]開(kāi)展額定溫升測(cè)試，冷卻系統(tǒng)初始溫度設(shè)置為65.2 ℃，待電機(jī)繞組溫度到65.2 ℃后，測(cè)試開(kāi)始。結(jié)果顯示：樣機(jī)A在運(yùn)行25 min后溫度達(dá)到保護(hù)限值160 ℃；樣機(jī)B持續(xù)運(yùn)行60 min達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。兩樣機(jī)在25 min時(shí)的溫升分別為94.8 K和74.1 K，溫升差異達(dá)20.7 K。測(cè)試結(jié)果(表3)表明，接觸面等效間隙大小直接影響到電機(jī)的溫升表現(xiàn)，且測(cè)試與仿真吻合度高。樣機(jī)額定工況溫升曲線(xiàn)如圖4所示。

表3 測(cè)試結(jié)果與仿真對(duì)比

圖4 樣機(jī)額定工況溫升曲線(xiàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以某商用電動(dòng)汽車(chē)水冷永磁電機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用等效熱網(wǎng)絡(luò)法搭建熱仿真模型，分析了不同散熱結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)溫升的影響規(guī)律。仿真結(jié)果表明：電機(jī)殼與電機(jī)定子接觸面等效間隙對(duì)電機(jī)溫升的影響最顯著，接觸面等效間隙越大，電機(jī)的溫升越高。最后，進(jìn)行了不同接觸面等效間隙量的電機(jī)臺(tái)架測(cè)試，對(duì)仿真分析予以驗(yàn)證。