車用油冷電機溫度場分析

李東和

(遼寧省交通高等專科學校，沈陽 110122)

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車用油冷電機溫度場分析

李東和

(遼寧省交通高等專科學校，沈陽 110122)

為研究車用油冷電機的溫度場，以一臺額定功率為50 kW的車用油冷電機為例，基于計算流體力學(CFD)方法建立了電機熱仿真模型；通過有限元軟件仿真得到了額定工況下的電機內部溫度分布規律；搭建電機溫升實驗平臺驗證仿真結果的準確性并通過合理設置流體域導熱系數方法修正熱仿真模型，修正后的溫度場仿真結果與實驗結果相比誤差較小。

油冷電機；溫度場；額定工況；熱仿真模型修正

0 引 言

在能源安全與環境問題的雙重壓力下，我國大力推廣新能源汽車[1]。永磁同步電機作為新能源汽車驅動系統的關鍵部件，其性能直接影響整車的安全性與可靠性。隨著汽車技術的不斷發展，驅動電機需要更高的功率密度及更大的啟動轉矩等；而這些性能提高的同時會帶來電機損耗增加、溫升過高等問題[2-3]，故需要對電機的溫度場進行分析，以保證電機的安全運行。

針對車用電機的溫度場，國內外專家、學者展開了大量的研究。田玉冬等[4]對車用電機的一種C型環槽水路結構進行熱仿真分析并優化，得到一種傳熱性能良好的冷卻系統；沈啟平等[5]對一臺水冷型永磁同步電機進行流體場和溫度場的計算與實驗，計算結果與實驗結果誤差較小；劉嬌等[6]對一臺功率為150 kW的循油冷卻永磁同步電動機內部的溫度場作了分析, 得到了額定工況下電機穩態溫度分布規律；Ahmad Darabi等[7]對一臺橫向磁場永磁電機冷卻系統進行研究，通過在殼體上設計2條冷卻通道促進電機散熱，溫度場分析結果顯示冷卻效果良好。以上都是對間接冷卻的電機溫度場分析，國內對于冷卻液與電機內部直接接觸的油冷電機的溫度場研究還較少。P. Ponomarev等[8]基于流固耦合傳熱模型，采用CFD 方法對一種混合動力汽車用直接油冷電機的溫度場進行了研究，對本文的油冷電機溫度場分析提供一定的參考依據。

本文以一臺額定功率為50 kW的車用油冷電機為研究對象，建立電機熱仿真模型，通過有限元仿真軟件，得到了電機工作在額定工況下的溫度場；搭建電機溫升實驗平臺驗證仿真結果的準確性，并對熱仿真過程進行修正。

1 電機參數與熱仿真模型

1.1 電機參數

本文研究對象為一臺額定功率為50 kW的車用永磁同步電機，冷卻方式為直接油冷。電機的基本參數如表1所示。

表1 電機的基本參數

1.2 電機物理模型

由于電機運行過程中發熱主體為電機定子，而轉子發熱小，故本文以電機定子為研究對象。在三維軟件中建立電機的三維模型如圖1所示，其包括電機殼體、定子鐵心、等效繞組及兩根進油管。兩根進油管靠近繞組一側均布11個出油孔，冷卻油經兩根進油管進入，直接噴灑在繞組端部；出油口位于電機左側，左側的油直接由出油口流出；電機內右側的油經電機定轉子間氣隙、定子鐵心與殼體鑲嵌結構間隙，流至電機左側，再由出油口流出。

圖1 電機物理模型

1.3 流體域等效處理

本文將電機內的流體域等效成一個整體，如圖2所示。流體域中的物質以液態油為主，其材料參數先按液態油設置，后面再做修正。冷卻油的材料參數[9]如表2所示。

圖2 流體域等效處理圖

表2 冷卻油材料參數

1.4 數學模型

對所研究的電機三維溫度場進行數值分析并建立數學模型。由傳熱學基本理論知識，設介質各向同性，在直角坐標系下求解域內三維瞬態導熱微分方程及其邊界條件[10]可表示:

(1)

式中：λx，λy，λz為物體在x，y，z方向上的導熱系數，λ為物體導熱系數；qv為熱源密度；ρ為物質密度；c為物質比熱容；τ為時間項；S1，S2，S3為物體邊界；q0為通過邊界S2的熱流密度；T為物體待溫度，T0為邊界S1的溫度，Te為邊界S3介質的溫度；α為散熱表面對流換熱系數。

湍流條件下的冷卻液應滿足的三維控制方程[10]：

(2)

式中：ψ為通用變量；ξ為擴展系數；Sψ為源項；u為速度。

1.5 內熱源確定

永磁同步電機轉動過程中鐵心會產生大量磁滯損耗、渦流損耗及雜散損耗等，而繞組通電會產生銅耗，這些損耗即為電機溫度場的內熱源。因此，準確計算電機各部分的損耗值，是進行溫度場分析的重要前提。文獻[2]結合已有實驗數據，通過有限元仿真對電機各部分損耗進行分離，得到額定工況下的電機定子各部分損耗值如表3所示。

表3 額定工況下的各部分損耗值

2 電機溫度場仿真與分析

2.1 基本假設

為了簡化分析，作如下基本假設：

(1)認為電機的大部分熱量由冷卻油帶走，不考慮電機殼體、端蓋與空氣的對流換熱；

(2)由于定子鐵心與殼體間裝配間隙對油冷電機的溫度場影響不大，本文不考慮其產生的接觸熱阻；

(3)電機各部分材料的導熱系數、散熱系數不隨溫度變化；

(4)不考慮電機的輻射換熱的影響；

(5)電機各損耗均勻分布在相應物體上。

2.2 邊界條件

運用有限元仿真對工作在額定工況下的電機進行溫度場仿真分析設置的邊界條件如下：

(1)冷卻油入口邊界條件為速度入口，入口油速為2.44 m/s，入口油靜態溫度為85℃；

(2)冷卻油出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為0。

2.3 溫度場仿真與分析

根據建立的熱仿真模型，在有限元軟件中設置好相關參數，求解得到額定工況下電機運行達到穩定時的溫度場如圖3所示。

(a)求解域內電機溫度場云圖

(b)繞組溫度場云圖

(c)定子鐵心溫度場云圖

圖3 仿真結果

由圖3可知，電機工作在額定工況下達到穩定時繞組溫度最高，最高溫度為124.37℃。圖3(b)為繞組溫度場云圖，由圖可見最高溫度位于靠近出油口的繞組端部，繞組整體溫差較小，為8.62℃。圖3(c)為定子鐵心溫度場云圖，其最高溫度位于鐵心中間，且鐵心與繞組溫度相差不大。由于電機主要的熱源為鐵心損耗和繞組銅耗，冷卻油直接噴灑在電機兩端的繞組端部，具有較好的對流換熱效果，且繞組與鐵心導熱效果較好；故與水冷電機溫度場[10]相比，油冷電機繞組溫升相對來說不是很高，且繞組與鐵心溫差較小。

3 溫升實驗與熱仿真模型修正

3.1 電機溫升實驗

為驗證溫度場仿真的準確性，搭建電機溫升實驗臺測量額定工況下的電機溫升變化，實驗臺如圖4所示。實驗臺主要由電機、控制器及測功機等組成，冷卻油由一根進油管一分為二同時進入電機兩

圖4 電機溫升實驗臺

端，在電機繞組端部靠近出油口處埋置溫度傳感器。

連接、調試好實驗臺，設置與熱仿真分析一致的環境，即設置冷卻油入口初始油溫為85℃，油速為5 L/min，上位機設置功率為額定功率50 kW，轉速為額定轉速4 500 r/min，最終得到電機運行達到穩定時的繞組溫升曲線，與仿真值對比，如圖5所示。

圖5 仿真與實驗溫升對比曲線

電機在額定工況下運行1 200 s，仿真結果與實驗結果顯示電機溫度最終都趨于穩定，仿真溫度最大值為124.37℃，實驗溫度最大值為106.75℃，仿真值與實驗值相差17.62℃，誤差為16.51%。

3.2 熱仿真模型修正

誤差產生原因為未考慮電機轉子轉動對電機散熱效果的影響[8]。轉子轉動會增加流體域流體的湍流強度，進而增強流體與電機的對流換熱效果，從而帶走更多的熱量；從另一方面來說，由于湍流渦旋，流體域的實際導熱系數比冷卻油的導熱系數大，故仿真值偏高。

本文采用合理選取流體域導熱系數的方法來修正熱仿真模型。當選取流體域導熱系數為0.18 W/(m·K)時，額定工況下電機溫度場仿真結果如圖6所示，電機最高溫度為114.05℃，與實驗值誤差為6.84%；當選取流體域導熱系數為0.2 時，電機溫度場仿真結果如圖7所示，電機最高溫度為109.13℃，與實驗值誤差為2.23%，此時熱仿真結果較準確，達到修正熱仿真模型的目的。

圖6 修正仿真結果1

圖7 修正仿真結果2

4 結 語

本文圍繞一臺額定功率為50 kW的車用油冷電機，通過建立熱仿真模型，仿真計算了電機工作在額定工況下電機瞬態溫度場；搭建電機溫升實驗平臺并修正熱仿真模型，修正后的模型誤差較小。通過對車用油冷電機溫度場分析，可為直接油冷冷卻系統的溫度場分析提供參考。后期可對油冷電機全域溫度場及轉子轉動對電機溫度場的影響展開進一步研究。

[1] 王淳.中國新能源汽車產業發展政策研究[D].成都：西南石油大學，2015.

[2] 徐長明.電動車用電機損耗及溫度分析[D].錦州：遼寧工業大學，2013.

[3] 宋俊.短時高過載永磁電機熱可靠性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[4] 田玉冬，王瀟，張舟云，等.車用電機冷卻系統熱仿真及其優化[J].機械設計與制造，2015(2)：238-242.

[5] 沈啟平，韓雪巖.車用水冷高功率密度永磁同步電機的流體場分析[J].微電機，2014，47(12)：1-5.

[6] 劉嬌，黃守道，成本權，等.循油冷卻永磁同步電動機的溫度場分析[J].微電機，2010，43(5)：11-12，26.

[7] DARABI A,SARRESHTEHDARI A,TAHANIAN H.Design of the forced water cooling system for a claw pole transverse flux permanent magnet synchronous motor[C]//2013 21st Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE).IEEE,2013:1-5.

[8] PONOMAREV P,POLIKARPOVA M,PYRHONEN J.Conjugated fluid-solid heat transfer modeling of a directly-oil-cooled PMSM using CFD[C]//International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion.IEEE,2012:141-145.

[9] SIM J H,CHAI S H,KIM D M.Temperature prediction of oil-cooled IPMSM for in-wheel direct-drive through lumped parameter thermal model[C]//International Conference on Electrical Machines and Systems.IEEE,2013：134-138.

[10] 劉蕾，劉光復，劉馬林，等.車用永磁同步電機三維溫度場分析[J].中國機械工程，2015，26(11)：1438-1444.

Analysis on Temperature Field of Oil-Cooled Motor Used in Vehicles

LIDong-he

(Liaoning Provincial College of Communications,Shenyang 110122,China)

In order to study the temperature field of oil-cooled motor used in vehicles, a rated power of 50 kW motor in vehicles was taken as an example in this paper. A thermal simulation model was established based on Computational Fluid Dynamics(CFD)method. By the simulation analysis of finite element software, motor temperature distribution at rated condition was obtained. A test platform was build to verify the accuracy of the motor temperature simulation results. The thermal simulation model was corrected by setting reasonable thermal conductivity of fluid domain and corrected temperature field simulation results were close to the experimental results.

oil-cooled motor； temperature field； rated condition； thermal simulation model correcting

2015-12-20

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)07-0037-04

李東和(1967-)，男，碩士，副教授，研究方向為機械設計與制造。