基于CFD水冷式牽引電機(jī)不同工況下溫度場(chǎng)分析

王景妍，李秀芬，張永學(xué)，王 康

（黃河科技學(xué)院交通學(xué)院，河南 鄭州 450064）

1 引言

牽引電機(jī)功率大、損耗大、散熱空間小，其冷卻散熱成為整車(chē)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。工程車(chē)輛載重量大，產(chǎn)生的熱量多，同時(shí)其工作環(huán)境惡劣，通常采用水冷式冷卻系統(tǒng)對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行冷卻，這就對(duì)冷卻提出了更高的要求[1]。對(duì)牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要綜合考慮內(nèi)外各種因素的影響，同時(shí)其邊界條件是非常復(fù)雜的，存在耦合傳熱現(xiàn)象，因此，需要綜合考慮。設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的系統(tǒng)，對(duì)牽引電機(jī)及整車(chē)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。

學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[2]應(yīng)用標(biāo)定測(cè)試法，通過(guò)改變冷卻液的流速，測(cè)試電機(jī)表面溫度，獲取二者之間的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[3]采用一維軟件搭建牽引電機(jī)的熱管理模型，對(duì)不同冷卻方式和流量下，電機(jī)的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[4]采用三維建模軟件，分析不同的冷卻尺寸對(duì)整機(jī)溫度場(chǎng)分布影響規(guī)律；文獻(xiàn)[5]采用試驗(yàn)方法測(cè)試不同的過(guò)載工況下，電機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度分布和流量變化。

根據(jù)水冷式牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和冷卻系統(tǒng)需要，基于CFD建立牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)的流固耦合傳熱模型，對(duì)冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)耦合進(jìn)行分析；選取穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行流場(chǎng)分析，獲取電機(jī)各部分的溫度場(chǎng)分布；選取瞬態(tài)極限工況的停機(jī)、過(guò)載等進(jìn)行分析，獲取牽引電機(jī)的過(guò)載能力，以此判斷系統(tǒng)的可靠性。

利用牽引電機(jī)冷卻平臺(tái)進(jìn)行溫度測(cè)試，通過(guò)測(cè)功機(jī)調(diào)整負(fù)載，獲取最大扭矩狀態(tài)各測(cè)點(diǎn)溫度，并與模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性。

2 牽引電機(jī)流固耦合傳熱模型

2.1 牽引電機(jī)建模

電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不同類(lèi)別的電機(jī)結(jié)構(gòu)差異較大，但總體來(lái)說(shuō)永磁同步水冷電機(jī)由機(jī)殼、兩端端蓋、定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子上的永磁體、轉(zhuǎn)軸、定子外的冷卻水套及軸承等部件組成[6]。

電機(jī)的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸一般由電機(jī)特性、功率、冷卻要求、強(qiáng)度要求及裝配要求等因素決定。

所研究的120kW交流驅(qū)動(dòng)永磁同步水冷卻電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic Diagram of Traction Motor Structure

根據(jù)牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，依據(jù)分析需要，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

（1）電機(jī)內(nèi)熱源

根據(jù)建模需要，建立的電機(jī)傳熱模型將研究重點(diǎn)放在繞組、絕緣材料、定子鐵、機(jī)殼及冷卻水套模型的建立[7]。

（2）定子槽內(nèi)模型

根據(jù)布置規(guī)則，設(shè)定定子槽內(nèi)各種絕緣材料均勻分布；定子槽內(nèi)各導(dǎo)線(xiàn)均勻排列；絕緣材料和導(dǎo)體充滿(mǎn)了定子槽內(nèi)部；絕緣材料和導(dǎo)體分別看作兩部分導(dǎo)熱體[8]。

定子槽內(nèi)簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。

圖2 定子槽內(nèi)等效導(dǎo)熱簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified Model of Equivalent Heat Conduction in the Stator Slot

等效絕緣體由不同絕緣材料等效而來(lái)，其等效導(dǎo)熱系數(shù)由下式計(jì)算：

式中：λeq—等效導(dǎo)熱系數(shù)；δi—等效厚度；λi—導(dǎo)熱系數(shù)。

（3）繞組端部模型

繞組端部是指繞組伸出定子槽兩端的部分，這部分由于沒(méi)有與定子鐵接觸，僅與電機(jī)內(nèi)空氣接觸，散熱效果較差[9]，因此繞組溫度相對(duì)于繞組中部要高，需要對(duì)該部分的溫度分布加以重點(diǎn)分析。這里對(duì)繞組端部進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3（a）所示。在結(jié)構(gòu)圖基礎(chǔ)上，建立牽引電機(jī)三維物理簡(jiǎn)化模型，如圖3（b）所示。

圖3 牽引電機(jī)三維簡(jiǎn)化模型Fig.3 Three-Dimensional Simplified Model of Traction Motor

2.2 流固耦合模型

牽引電機(jī)冷卻散熱時(shí)，各個(gè)熱源均與冷卻液發(fā)生熱交換，而熱源之間也會(huì)因?yàn)槔鋮s液的流動(dòng)發(fā)生熱交換，各個(gè)部分相互影響，邊界條件復(fù)雜，單獨(dú)分析時(shí)，誤差較大，相互之間存在耦合，因此在分析時(shí)，需要進(jìn)行整體考慮，分析流體和固體的耦合作用。因此，建立牽引電機(jī)的冷卻水道三維模型，如圖4（a）所示。對(duì)牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)三維模型的網(wǎng)格劃分需要分區(qū)域進(jìn)行[10]。

圖4 牽引電機(jī)流固耦合模型Fig.4 Traction Motor Fluid-Structure Coupling Model

區(qū)域以需要進(jìn)行耦合傳熱計(jì)算的界面為邊界進(jìn)行劃分，可分為：冷卻水道、冷卻水套、電機(jī)機(jī)殼、定子鐵心、等效絕緣體、等效導(dǎo)體5個(gè)區(qū)域。網(wǎng)格劃分情況，如圖4（b）所示。

3 牽引電機(jī)流場(chǎng)分析

3.1 穩(wěn)態(tài)工況分析

所研究的牽引電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其總散熱量為6261.7W，繞組和定子散熱折算成熱流密度分別為：442760.4W/m3和102837.7W/m3，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行仿真計(jì)算，電機(jī)各部溫度仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature Field Distribution

電機(jī)繞組溫度場(chǎng)分布圖，如圖5（a）所示?？梢钥闯觯姍C(jī)繞組的溫度分布規(guī)律為：兩端溫度高，中部溫度低，左側(cè)高于右側(cè)，主要由于左側(cè)為冷卻液入口位置，溫度偏低。同時(shí)，通過(guò)電機(jī)右端面溫度場(chǎng)分布可以看出，由于冷卻液沿電機(jī)周向流動(dòng)，再次方向上存在一定的溫度梯度，極值點(diǎn)位于右端部下方、上方中部靠近進(jìn)水口處，溫度分別為145.66℃、122.27℃。通過(guò)圖5（b）可以看出，電機(jī)定子溫度場(chǎng)分布規(guī)律為：齒部的溫度最高，依次向外溫度遞減；與繞組圖5（a）相似，兩端溫度高，中部溫度低，左側(cè)高于右側(cè)的規(guī)律；定子外周面溫度分布規(guī)律可由圖5（c）清晰的看到，冷卻水道的走向?qū)Χㄗ訙囟确植加休^為明顯的影響。電機(jī)定子最高溫度點(diǎn)位于定子齒部，其值為74.09℃；最低溫度點(diǎn)位于定子外周面，其值為25.05℃。圖5（d）為電機(jī)機(jī)殼溫度場(chǎng)分布圖，可以看出由于受到冷卻水道分布的作用，在軸線(xiàn)方向溫度逐漸升高。極值點(diǎn)位于冷卻液入口、機(jī)殼內(nèi)表面處，溫度分別為16.57℃、30.98℃。

3.2 瞬態(tài)工況分析

瞬態(tài)工況既可呈現(xiàn)溫度場(chǎng)隨時(shí)間變化規(guī)律，同時(shí)可以分析過(guò)載工況，系統(tǒng)的承受能力。

（1）溫度場(chǎng)變化分析

保持冷卻液流量為18L/min，入口溫度17.2℃，電機(jī)散熱量設(shè)為6261.7W，電機(jī)各部初始溫度設(shè)為17.2℃，電機(jī)在該條件下運(yùn)行3600s，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。

電機(jī)運(yùn)行80s、320s、640s及1600s時(shí)冷卻系統(tǒng)各部分溫度場(chǎng)分布對(duì)比，如圖6所示。電機(jī)繞組最高溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖6 不同時(shí)間點(diǎn)溫度場(chǎng)分布Fig.6 Temperature Field Distribution

圖7 繞組最高溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.7 Curve of Maximum Temperature of Winding with Time

圖中可以看出，隨著時(shí)間的變化冷卻系統(tǒng)各部分溫度一方面逐漸升高，另一方面溫度梯度逐漸增大，仿真結(jié)果比較合理的反映了冷卻系統(tǒng)溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

由圖可以看出，整體溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，變化趨勢(shì)先增后穩(wěn)，最后達(dá)到穩(wěn)定，需要2600s。

（3）停機(jī)工況分析

此工況仿真的邊界條件為：保持冷卻水入口溫度（17.2℃）及流量（18L/min）不變，電機(jī)總散熱量為6261.7W，電機(jī)運(yùn)行1h后[12]，電機(jī)停止運(yùn)行，即電機(jī)散熱量降為0。對(duì)整個(gè)傳熱過(guò)程進(jìn)行分析，得到繞組最高溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，如圖8所示。

圖8 繞組最高溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation Curve of Maximum Winding Temperature with Time

由圖可知，電機(jī)停機(jī)后，在保持冷卻條件的情況下，電機(jī)溫度在2000s以后逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)。但事實(shí)上，電機(jī)停機(jī)后不可能長(zhǎng)時(shí)間保持冷卻系統(tǒng)運(yùn)行，一般情況下，待電機(jī)溫度較低后，冷卻系統(tǒng)便停止運(yùn)行，電機(jī)其余熱量自然散發(fā)到周邊環(huán)境當(dāng)中。

（2）短時(shí)過(guò)載工況分析

電機(jī)各部分損耗，如表1所示。將其他損耗項(xiàng)按各50%折算到電機(jī)繞組和定子兩個(gè)熱源處，計(jì)算熱源分別為：繞組11549.7W和定子7189.99W。

表1 峰值功率下電機(jī)各部分損耗Tab.1 Losses of Various Parts of the Motor Under Peak Power

冷卻液流量分別設(shè)為6L/min、18L/min和30L/min，入口溫度均為17.2℃，仿真時(shí)間設(shè)為1200s。分析結(jié)果，如圖9所示。

圖9 繞組最高溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.9 Curve of Maximum Winding Temperature with Time

圖9（a）中可以看出，在峰值工況下，繞組溫度升高迅速，在350s左右時(shí)便達(dá)到了180℃電機(jī)溫度限值；同時(shí)在電機(jī)運(yùn)行300s以后，冷卻流量對(duì)溫升速率的影響才逐漸開(kāi)始顯現(xiàn)。

圖9（b）可以看出，冷卻流量為6L/min時(shí)，電機(jī)溫度到180℃需要時(shí)間約為350s；冷卻流量18L/min時(shí)，電機(jī)溫度到180℃需要時(shí)間約為365s；冷卻流量30L/min時(shí)，電機(jī)溫度到180℃需要時(shí)間約為370s。冷卻流量由6L/min提升到30L/min，僅僅使電機(jī)的過(guò)載時(shí)間延長(zhǎng)了約10s。可以說(shuō)，冷卻流量在（6～30）L/min 范圍內(nèi)時(shí)，冷卻流量對(duì)短時(shí)過(guò)載性能的影響并不明顯。

4 牽引電機(jī)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)

利用牽引電機(jī)、測(cè)功機(jī)等設(shè)備搭建冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)原理圖，如圖10（a）所示。

采用LMS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、流量傳感器和溫度傳感器等；獲取各部分的冷卻液的溫度和流量、整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和扭矩變化等，平臺(tái)，如圖10（b）所示。

圖10 牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Temperature Rise Test Platform of Traction Motor

初始狀態(tài)為環(huán)境溫度，調(diào)整牽引電機(jī)在高速低扭矩運(yùn)行，速度為1280rpm，輸出扭矩為5Nm，此時(shí)牽引電機(jī)冷卻液入口溫度為18.9℃，流量為19.11L/min；平臺(tái)可以通過(guò)調(diào)整測(cè)功機(jī)的功率，對(duì)牽引電機(jī)施加負(fù)載，通過(guò)調(diào)整，使得扭矩達(dá)到最大值1360Nm，此時(shí)獲取的轉(zhuǎn)速為458rpm，獲取各個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器的溫度，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，停止系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。

穩(wěn)定狀態(tài)各測(cè)點(diǎn)溫度，如圖11所示。

圖11 測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定溫度對(duì)比Fig.11 Comparison of Stable Temperature of Measuring Points

對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)，試驗(yàn)值和模型分析結(jié)果保持一致，電機(jī)繞組的溫度最高，實(shí)測(cè)結(jié)果為135.63℃，模型分析結(jié)果為146.85℃，二者之間的誤差為8.28%，其他位置的誤差也控制在10%以?xún)?nèi)，主要原因是模型假設(shè)和參數(shù)設(shè)置造成。模型分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的一致性，表明所建模型的準(zhǔn)確性與可靠性。

5 結(jié)論

（1）采用流固耦合模型分析水冷式牽引電機(jī)溫度場(chǎng)分布，結(jié)果更為合理；

（2）在牽引電機(jī)各組件中，繞組損耗影響更大，其溫度升高的最高值與冷卻液初始溫度成正相關(guān)；

（3）通過(guò)瞬態(tài)仿真計(jì)算可知，在以峰值功率過(guò)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)運(yùn)行360s左右即達(dá)到溫升限值，冷卻流量在（6～30）L/min范圍內(nèi)時(shí)，冷卻流量對(duì)短時(shí)過(guò)載性能的影響并不明顯。

（4）各測(cè)點(diǎn)的溫度試驗(yàn)值和模型分析結(jié)果變化趨勢(shì)保持一致，電機(jī)繞組的溫度最高，誤差也控制在10%以?xún)?nèi)，表明所建模型的準(zhǔn)確性與可靠性。