基于電動公交車需求的永磁電機冷卻系統設計

孫立洋

摘 ?要：伴隨著電動公交車的研究進一步深入，對電動公交車驅動系統中電機的研究也在不斷加深。本文主要針對基于電動公交車需求的永磁電機冷卻系統進行優化，首先對永磁電機的整體設計和內部發熱情況進行了分析，然后基于分析對冷卻系統進行了重新設計。

關鍵詞：電動公交車;永磁電機;冷卻系統優化

一、序言

當前能源問題和環保問題已經成為了全人類所必須面對的挑戰，近些年來我國不斷對新能源產業進行探索，其中電動公交車的出現正是標志著我國的新能源產業已經逐漸走向成熟。電機驅動系統是電動公交車的核心部件，其中永磁電機以其質量輕、運行穩定、振動小、體積小、轉速范圍度、功率密度高、轉矩平穩等優點，在電動公交車領域受到了廣泛的應用。本文主要針對永磁電機的冷卻系統進行優化設計，對其內部溫度場進行準確研究，進而完成冷卻系統的整體優化。

二、電機整體設計與發熱分析

當前電動公交車作為居民城市出行的重要交通方式，電機驅動系統應對復雜城市路況的同時需要具備比工業化電機更強的性能。以筆者所在地區的城市交通狀況舉例，其坡度較多，所以電動公交車的永磁電機的最大功率為210kW，額定功率為105kW，結構方面有永磁體、轉子、定子、旋轉變壓組和其他機械結構幾個方面所組成，轉子磁鋼V字型內嵌式結構保證了轉子不會被破壞，冷卻方式采用液冷，受力均勻的雙鍵180°連接作為軸承盒轉子鐵心的連接方式，旋轉變壓器也處于電機內部，進一步縮減了永磁電機的整體尺寸。

電機之所以會發熱是由于電機在運行過程中出現了相應的損耗，主要的損耗包括鐵心損耗、繞組損耗、雜散損耗和機械損耗四個方面。首先是鐵心損耗，鐵心損耗也是鐵耗的主要來源，主要是由于電機在工作過程中會使得內部磁場發生一系列變化，進而加速釘子的齒部和軛部的磁性材料的磁滯，使得磁電轉化的過程中出現相應的空載附加損耗和負載附加損耗;其次是繞組損耗（電氣損耗），因為電機運行過程中繞組電流會出現渦流進而引起集膚效應，使得繞組損耗和相應銅耗進一步加劇，這也是電機運行的主要損耗;第三是雜散損耗，雜散損耗主要包括除了鐵心損耗、繞組損耗和機械損耗之外的損耗總成，相對占比較小，但也不容忽視;最后是機械損耗，機械損耗主要包括風損耗和軸承摩擦損耗，可以通過減小負載和轉速、更換軸承材料、添加潤滑劑等方式進行減小。

三、冷卻系統方案設計

1.冷卻方案整體設計

當前我國電動公交車用的永磁同步電機仍需要進一步的研究實踐，尤其是當前永磁電機呈小型化趨勢發展，這也加大了對電機功率的考驗。依照上文中對電機整體設計和相關的發熱原因分析，筆者本次選擇的冷卻系統為循環水冷卻系統，主體設施為制冷水箱，其制冷能力為100kw，控溫范圍在5～35℃之間，額定功率為50Hz，額定電壓為380V，輸入功率為36kw，最大流量為1.0m3/h。整體冷卻方式為冷卻水通過永磁電機的出水口流出進入水鄉，在制冷后進入永磁電機的外殼進水口，完成制冷工作。

2.水冷外殼設計

在水冷系統的外殼材質方面，基于電動公交車內部的實際空間情況，筆者認為選擇鋁材是一項不錯的選擇，一方面因為鋁作為金屬，本身的表面對流傳熱系數高，散熱快，另一方面鋁型材由于其的本身的物理特性使其可以加工成多種形狀，截面種類繁多，加工方便、快捷成本低廉，能夠很好的應用到相應的循環水冷卻系統之中。

此外根據電動公交車的電機運行情況，筆者認為該冷卻循環水系統的水路設計不僅需要有效散熱，還需要兼顧整車水箱的換熱能力，減少換熱功率的損耗，即要求水流的沿層阻力與局部阻力損失盡可能降低。所以該系統內部無論是周向水道還是軸向水道，都可以做成多通道模式的水道，多通道水道長度短，沿程阻力損失小，冷卻水進水流量大，散熱效果比單通道水道更好，但是考慮到電動大巴車內部空間狹小，冷卻水由機殼出水口流出后進入水箱的距離很短，多通道水道會導致出水溫度很高，經由水管的散熱有限，流進水箱水溫更高，水箱制冷能力可能不足，會致使水冷循環系統的整體溫度升高，因此綜合考慮散熱效果與加工成本，本課題電機選用軸向z字折流式單通道水道。

四、總結

總而言之，本文基于當前電動公交車的永磁電機運行情況出發，對永磁電機的冷卻系統進行了重新設計和相應優化，讓其能夠滿足復雜城市路況中永磁電機的冷卻需求，根據后續的模擬仿真試驗，筆者認為本次設計的永磁電機冷卻系統能夠很好的滿足該城市的公交車運行需求。而其他地區還需要根據其所在城市的政策、經濟、路況和環境要求對該系統進行調整，才能最大程度的滿足永磁電機的運行需要。

參考文獻

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