高轉矩密度電機溫度場分析及冷卻系統優化

翟景森，康 娟，楊泗鵬，馮勇敢，秦亞坤

(1.鄭州市公共交通總公司，鄭州 450046；2.鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州 450061)

0 引 言

驅動電機是電動客車中的關鍵部件，對動力性、經濟性和安全性有重要影響。電動客車的驅動電機應具有高轉矩密度、寬調速范圍和寬高效區等特點[1]。在不同類型的電機中，永磁同步電機具有相對較高的轉矩密度和效率，是目前最適合在電動客車上使用的電機[2]。

高轉矩密度就意味著電機在緊湊的空間內需要輸出更大的轉矩，即要求電機的體積和重量相比目前的電機更小。若要提高電機轉矩密度，需在電機初始設計時，充分利用材料極限性能，增加熱負荷。但電機工作溫度過高，會使得電機內絕緣材料性能快速下降，縮短電機的壽命，可能在嚴重時損毀電機[3]。而電動客車中安全性是極其重要的指標，因此設計合理的冷卻系統，將電機溫升控制在可以接受的范圍，對保證客車可靠運行具有重要的意義。

本文通過對電動客車用高轉矩密度驅動電機的溫度場仿真，設計滿足溫升要求的驅動電機。并對該電機冷卻系統進行了研究和優化，分析軸向水路結構、圓周螺旋水路結構和多路并聯水路結構的散熱效果。

1 溫度場仿真模型建立

1.1 溫度場數學模型

本文以一款電動客車的驅動電機為對象，進行溫度場分析和冷卻系統研究，永磁同步電機的參數如表1所示。

為了簡化計算，驅動電機在溫度場計算時，忽略熱輻射效應，只考慮熱傳導效應及對流換熱的影響。建立驅動電機溫度場數學模型，其暫態運行的三維熱傳導方程[4]：

(1)

式中：T為溫度；Kx，Ky，Kz為介質的導熱系數(分別為x，y，z方向)；K為法向導熱系數(s1，s2)；q為發熱源的密度；s1，s2分別為電機的絕熱和散熱邊界面；γ為介質的密度；Te為s2界面的介質溫度；α為s2界面散熱系數。

1.2 溫度場求解模型

本文中的驅動電機為低速大扭矩電機，極槽數為16極72槽，電機的轉子上的軸向通風孔有8個，在電機的軸中心處不產生熱交換，則電機求解區域可簡化為全模型的1/4，其中軸向上(x方向)取上半部，鐵心段(z方向)取半個鐵心為模型計算區域，如圖1所示。繞組直線段在定子槽內，其端部伸出鐵心，和機殼無接觸，熱量主要通過銅繞組傳遞至定子鐵心，再經過機殼和水道散熱。

圖1 電機溫度場計算求解區域

邊界條件如圖2所示。

(a) 徑向中心截面

(b) 軸向中心截面

在圖2中，S1面為電機的徑向中心截面；S2面為電機的軸向中心截面，根據電機結構的對稱性，認為S1和S2為絕熱面，不會產生熱交換，可使用熱流邊界條件(第二類邊界條件)；散熱面為電機內部各零部件的外表面(如機殼內外表面、鐵心內外表面、繞組表面)，發生熱量交換，可使用對流換流邊界條件(第三類邊界條件)。電機的散熱路徑如圖3所示。在實際情況中，電機定子和轉子既發生熱傳導，又發生熱對流。一般來說，電機的氣隙長度相對于鐵心長度而言非常小，可以將電機氣隙簡化為靜止流體[5]。

圖3中，空氣和電機表面之間為對流散熱形式；電機各零件之間以及冷卻水和水套之間通過熱傳導進行散熱。

圖3 電機的散熱路徑圖

2 電機溫度場仿真計算

2.1 穩態溫升仿真

電動客車驅動電機要求其在額定功率下能長時間運行，需要對其穩態溫度進行計算。仿真的電機在持續運行工況下穩態溫度狀態如圖4所示。

(a) 電機穩態溫度分布

(b) 繞組端部穩態平均溫度曲線

從圖4(a)的電機持續工況穩態溫度圖中看出，電機繞組溫度在端部處最高，因為繞組是主要熱源，端部繞組散熱一方面通過和空氣的對流交換，絕大部分是通過繞組、定子鐵心、機殼和冷卻水進行傳導散熱，散熱效果比繞組中間部位差；由于水道中冷卻水和機殼溫差較大，機殼、定子鐵心及轉子部分通過熱傳導散熱，溫度分布以繞組為中心向兩邊分布。圖4(b)是繞組端部穩態平均溫度曲線，其穩態溫度不超過104 ℃，此繞組選用H級絕緣，允許工作溫度為180 ℃，滿足電機的穩態允許溫度。

2.2 短時峰值轉矩溫升仿真

電動客車在爬坡、加速時需要驅動電機在峰值轉矩下工作，此工況下要滿足電機的溫升要求，以致于電機不會發生過熱故障，繞組燒毀。本文在電機40 ℃環境溫度下，對峰值轉矩工作時進行了仿真計算，如圖5所示。

(a) 電機峰值運行60 s后溫度分布

(b) 電機峰值運行60 s后繞組端部平均溫度曲線

由圖5可以看到，峰值轉矩運行時電機溫度急劇升高，運行60 s后，電機繞組端部平均溫度達到128 ℃，可以滿足電機峰值運行1 min的設計需求。

3 驅動電機冷卻系統優化

驅動電機的溫升和冷卻系統有直接的關系。假定冷卻系統的冷卻介質相關參數不變，比如水的流量和入水口溫度一定，電機的冷卻水道結構的不同對電機溫升亦有較大影響。本文對軸向Z型水道、圓周螺旋水道、多路并聯圓周水道的拓撲結構進行仿真，以確定最優的冷卻水道結構。

3.1 軸向Z型水道結構

軸向水道結構是電機常用的水路結構，也稱為“Z”字型水路結構，一般是單條水路沿軸向方向直走，軸向水路之間首尾依次連接，如圖6所示。

圖6 軸向水道結構

通過對額定功率下的穩態溫升仿真，可得繞組端部平均溫度穩定在114.4 ℃，如圖7所示。

圖7 軸向水道結構繞組端部穩態平均溫度曲線

3.2 圓周螺旋水道結構

圓周螺旋水道結構中的水路沿機殼周向螺旋連續前進，進出水口分居電機兩端，如圖8所示。

圖8 圓周螺旋水道結構

通過對額定功率下的穩態溫升仿真，可得繞組端部平均溫度穩定在102.3 ℃，如圖9所示。

圖9 圓周螺旋水道結構繞組端部穩態平均溫度曲線

3.3 多路并聯圓周水道結構

多路并聯圓周水路結構中的水路沿機殼周向呈圓圈狀分布，各水道之間有4個軸向水平的連接水道，進出水口分居電機兩端，如圖10所示。

圖10 多路并聯圓周水道結構

通過對額定功率下的穩態溫升仿真，可得繞組端部平均溫度穩定在108.9 ℃，如圖11所示。

圖11 多路并聯圓周水道結構繞組端部穩態平均溫度曲線

通過對3種水路的對比分析可知，在相同的熱源、相同的冷卻介質參數情況下，圓周螺旋水道結構的冷卻效果最好。由于軸向“Z”字型水道結構的水路之間有180°轉折，水路有很多轉彎倒角，水流阻力損失較大，散熱效果最差；而多路并聯圓周水道結構介于兩者之間，在滿足冷卻要求的情況下，選用圓周螺旋水道結構為最優方案，但也需要考慮由于進出口水溫度的差異會使電機兩端產生溫差。

3.4 冷卻水路優化

根據上述分析，本文選擇圓周螺旋水道結構作為電機的水路結構，設定冷卻水流量、入水口溫度不變，軸向總長度與定子鐵心長度相同。優化水道截面積及水道長度，保持水道間隔相同。

表2給出的是不同水道時繞組穩態溫度情況。

從表2中可以看出，從#1到#5，繞組平均溫度下降，但水道的接觸面積并不持續增加。因為保持水的流量不變時，#1水道截面積最大，水流速最慢，水的溫度較高，散熱能力下降。隨著水道接觸面積的增加，電機散熱能力越強。不同方案的繞組平均

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