新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱仿真分析

丁永根 徐天稷 張南 海露

摘 要：本文針對(duì)新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電機(jī)溫升問(wèn)題，重點(diǎn)分析了驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體熱量傳遞方式，以及電機(jī)殼體冷卻通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了冷卻通道截面尺寸與冷卻通道沿程阻力損失之間的關(guān)系。同時(shí)，借助ANSYS熱仿真技術(shù)，對(duì)螺旋式冷卻結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫升問(wèn)題進(jìn)行了熱仿真分析。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē) 永磁同步電機(jī)

當(dāng)前，在國(guó)家節(jié)能減排政策的支持下，新能源電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)獲得了迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)方向發(fā)展已經(jīng)一種必然趨勢(shì)。永磁同步電機(jī)由于具備高功率密度、高效率、高可靠性與安全性，已被廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。通常，新能源電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度較高（通常高于70℃），同時(shí)還要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須具備較強(qiáng)的過(guò)載能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，這就會(huì)帶來(lái)電機(jī)溫升問(wèn)題。而較高的電機(jī)溫升會(huì)影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的可靠性和使用壽命，直接影響整車(chē)的動(dòng)力性能，因此，如何更好的解決新能源電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的電機(jī)的溫升問(wèn)題，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的可靠性，合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)，就具有十分重要的意義。

1 永磁同步電機(jī)熱量傳遞方式

永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由電機(jī)繞組銅損耗和定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯的鐵損耗產(chǎn)生的熱量，其在電機(jī)內(nèi)部傳遞的路徑如圖1所示。經(jīng)分析，電機(jī)內(nèi)部由損耗產(chǎn)生的熱量，大部分通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式，按照定子繞組→定子鐵芯→冷卻介質(zhì)的傳遞路線，最終通過(guò)冷卻介質(zhì)傳遞到機(jī)殼外部。此外，還有極少部分熱量通過(guò)熱輻射的方式由機(jī)殼殼體輻射到周?chē)諝饨橘|(zhì)中，這部分熱量所占比例較少，對(duì)電機(jī)散熱的貢獻(xiàn)值較小。由此可見(jiàn)，如何解決好熱量由定子繞組→冷卻介質(zhì)的傳遞，就成為了解決電機(jī)溫升問(wèn)題的關(guān)鍵。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體冷卻通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)熱量在電機(jī)內(nèi)部的傳遞方式，本文設(shè)計(jì)了一款螺旋式冷卻結(jié)構(gòu)的電機(jī)殼體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。冷卻介質(zhì)由殼體底部進(jìn)水口流入，在殼體內(nèi)螺旋循環(huán)上升4圈以后，從殼體右側(cè)出水口流出殼體，完成冷卻介質(zhì)在殼體內(nèi)部的一次循環(huán)過(guò)程。冷卻通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到整車(chē)端液壓泵的壓力及冷卻介質(zhì)沿程阻力損失，在螺旋通道轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)時(shí)過(guò)渡圓角盡可能大，這樣既可以減少冷卻介質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中的沿程阻力，又可以在生產(chǎn)鑄造過(guò)程中保證金屬液順利充填型腔，避免冷卻澆道內(nèi)形成卷氣、夾渣等鑄造缺陷。

螺旋形冷卻通道截面設(shè)計(jì)以矩形截面為主，假設(shè)螺旋水道截面均勻，在忽略局部水頭損失情況下，采用Fluent抽取水道結(jié)構(gòu)模型，總結(jié)得到螺旋水道沿程阻力與矩形截面參數(shù)之間的近似關(guān)系，其結(jié)果如下式所示表示。其中：Qfin為冷卻液入口流量，Ls、c、n、H、L 分別表示與矩形截面螺旋水道結(jié)構(gòu)相關(guān)的尺寸：軸向長(zhǎng)度、隔板寬度、水道個(gè)數(shù)、水道截面寬度、總流動(dòng)長(zhǎng)度。由此可見(jiàn)，在入口流量Qfin一定情況下，螺旋水道結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，對(duì)永磁同步電機(jī)的整體散熱能力、整車(chē)端冷卻泵的選擇都有重要影響。

3 電機(jī)殼體螺旋形冷卻通道熱仿真分析

本文采用Fluent抽取水道結(jié)構(gòu)模型，獲得水道流體體積為0.46L。電機(jī)散熱邊界條件為：冷卻介質(zhì)流量8L/min，電機(jī)入水口水溫70℃，電機(jī)初始溫度和環(huán)境溫度均為70℃，外部對(duì)流換熱系數(shù)為8W/（m2·K）。在此條件下，對(duì)額定工況點(diǎn)26.7kW@10000RPM@26N.m和峰值工況點(diǎn)55kW@3600RPM@147N.m@30S的電機(jī)散熱情況進(jìn)行熱仿真分析。

3.1 額定工況下熱仿真分析

在額定工況點(diǎn)26.7kW@10000RPM@26N.m下，對(duì)永磁同步電機(jī)裸銅線、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯和機(jī)殼四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖3所示。分析發(fā)現(xiàn)，電機(jī)裸銅線、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯和機(jī)殼四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部分中，電機(jī)裸銅線溫度最高，其最高溫度為138.2℃，所處位置為電機(jī)繞組端部。這是由于冷卻介質(zhì)只覆蓋到鐵芯端部，鐵芯兩端的繞組線包超出冷卻液覆蓋范圍，其散熱方式主要以輻射和對(duì)流散熱為主，散熱效果較差，所以繞組線包部位溫度明顯高于其它部件，這一仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果也是相吻合的。

3.2 峰值工況下熱仿真分析

在峰值工況點(diǎn)55kW@3600RPM@147N.m@30S下，對(duì)永磁同步電機(jī)裸銅線、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯和機(jī)殼四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖4所示。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，峰值工況下，電機(jī)溫度最高的部位依然為鐵芯兩端的線包端部，其最高溫度145.8℃。通過(guò)對(duì)螺旋形冷卻結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行溫升仿真，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前螺旋形冷卻水道結(jié)構(gòu)，在額定工況和峰值工況條件下，都可以滿(mǎn)足繞組在長(zhǎng)期150℃以及短期150℃條件下的耐溫需求，螺旋冷卻結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的散熱能力，可以滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

1.在入口處冷卻介質(zhì)流量一定情況下，螺旋式冷卻通道截面參數(shù)，對(duì)永磁同步電機(jī)整體散熱能力具有重要影響，同時(shí)整車(chē)端冷卻系統(tǒng)沿程阻力損失、整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)油泵的選擇也具有非常重要影響。

2.螺旋式冷卻結(jié)構(gòu)殼體，在額定工況點(diǎn)下，永磁同步電機(jī)最高溫點(diǎn)位于機(jī)殼繞組端部，最高溫度為138.2℃，電機(jī)可以滿(mǎn)足長(zhǎng)期150℃耐溫的使用要求。

3.螺旋式冷卻結(jié)構(gòu)殼體，在峰值工況點(diǎn)下，永磁同步電機(jī)最高溫度為145.8℃，最高溫度區(qū)域?yàn)殍F芯兩端的線包端部，電機(jī)可以滿(mǎn)足短期150℃耐溫的使用要求。

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