基于CFD的增程器磁電機散熱裝置改進設(shè)計

周琦 張宇翔 李丹雯

摘 要：針對增程器磁電機運行過程中出現(xiàn)的定子線圈短時溫升過高現(xiàn)象，設(shè)計了一種新的電機散熱裝置。通過CFD流體力學(xué)仿真分析，對比了改進前后散熱裝置對線圈短時溫升現(xiàn)象的影響，并對仿真結(jié)果進行了物理實驗驗證。實驗結(jié)果表明，改進后的散熱裝置的散熱性能有了明顯改善，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，說明該研究結(jié)果能夠為磁電機散熱裝置的改進設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：增程器磁電機;冷卻風(fēng)扇;散熱性能;CFD流體分析

0 引言

增程器是為了解決電動汽車電池壽命短，以及由于無法及時為電池充電而影響續(xù)航里程等問題而設(shè)計的一種新型電動汽車續(xù)航裝置[1]。增程式電動車以電動機為主，發(fā)電機為輔，實現(xiàn)混合動力發(fā)電，驅(qū)動車輛前進。增程器磁電機內(nèi)部多為定子結(jié)構(gòu)，運行時易發(fā)熱，且熱量聚集在電機內(nèi)部，容易導(dǎo)致溫升過高的現(xiàn)象[2]。電機運行過程中出現(xiàn)的溫升是衡量電機性能的重要指標之一，因此電機中的散熱裝置，如散熱風(fēng)扇，是其必不可少的組成部件。

國內(nèi)眾多學(xué)者針對電機內(nèi)部的溫升問題展開了研究。賀文凱等人通過有限元仿真，分析了不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)對電機散熱性能的影響，提出可以通過選擇合適的通風(fēng)方式來提高效能[3];溫嘉斌等對高壓電機溫度場進行了仿真和實驗研究，分析了單個通風(fēng)槽對電機散熱的影響[4]。然而，現(xiàn)有研究缺乏對散熱裝置運行過程中的流體力學(xué)特征的深入分析，導(dǎo)致其散熱性能難以得到顯著提升。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以增程器內(nèi)散熱風(fēng)扇為研究對象，以其結(jié)構(gòu)改進設(shè)計為目標，開展仿真與實驗研究，以期為散熱裝置的改進設(shè)計提供一種可行的參考方案。

1 模型建立

本文以EH6000增程器為例，通過仿真實驗對冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)改進設(shè)計，以實現(xiàn)其散熱性能的提升。

1.1 ? ?原冷卻風(fēng)扇建模

圖1為增程器磁電機內(nèi)部電機模型，從左到右分別為冷卻風(fēng)扇、風(fēng)扇安裝位置、電機進風(fēng)口。其基本工作原理：通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)帶動氣體流動，使外部冷卻空氣由進風(fēng)口流入，內(nèi)部線圈散熱后空氣流出，進而借助氣體的循環(huán)實現(xiàn)冷卻。

為排除外界環(huán)境干擾，保證數(shù)據(jù)的準確性，在仿真驗證前，邊界及工況設(shè)置如下：入口采用停滯進口，設(shè)置冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 800 r/min;出口采用壓力出口，相對壓力為0 Pa，參考壓力為101 325 Pa。本文約定，按照從圖1（a）中垂直紙面向里的方向看，順時針方向為正轉(zhuǎn)，逆時針方向為反轉(zhuǎn)。

風(fēng)扇正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時進出口速度矢量圖分別如圖2（a）（b）所示。從圖2（a）可知，定子安裝座上方的風(fēng)口為出風(fēng)口，風(fēng)罩上的風(fēng)口為進風(fēng)口，提取分析結(jié)果得到風(fēng)口進風(fēng)量為0.030 55 kg/s;而從圖2（b）可知，定子安裝座上方的風(fēng)口，一部分是進風(fēng)狀態(tài)，另一部分為出風(fēng)狀態(tài)，提取分析結(jié)果得到風(fēng)口進風(fēng)量為0.014 62 kg/s。

經(jīng)過上述分析得知，風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時的進風(fēng)量是反轉(zhuǎn)時進風(fēng)量的2倍，說明磁電機風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時的散熱效果更好。改變風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向雖然可以改善散熱效果，但在同狀態(tài)下對比EH6000與其他型號增程器磁電機的溫度，發(fā)現(xiàn)EH6000增程器磁電機仍存在溫升過高的問題。因此，本文設(shè)計了一種新型冷卻風(fēng)扇，將進風(fēng)量與氣壓梯度力提高后，再次進行相應(yīng)測試。

1.2 ? ?新風(fēng)扇模型與進風(fēng)量仿真分析

新風(fēng)扇模型如圖3所示，本文約定從圖3垂直紙面向里的方向看，逆時針方向為正轉(zhuǎn)，順時針方向為反轉(zhuǎn)。新冷卻風(fēng)扇主要從進風(fēng)流量的角度來設(shè)計，邊界條件與原風(fēng)扇的設(shè)置相同。

圖4為新冷卻風(fēng)扇進出口速度矢量圖。從圖4可知，定子安裝座上方的風(fēng)口為出風(fēng)口，風(fēng)扇罩上的風(fēng)口為進風(fēng)口，提取分析結(jié)果得到新風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時風(fēng)口進風(fēng)量為0.037 5 kg/s。綜合以上結(jié)果可知，新風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時的進風(fēng)量比舊風(fēng)扇正、反轉(zhuǎn)時的進風(fēng)量都大，由此得出改進設(shè)計后的新風(fēng)扇為最佳冷卻風(fēng)扇。

2 實驗驗證

經(jīng)過仿真分析，得出不同結(jié)構(gòu)的模型對風(fēng)扇散熱性能有一定的影響這一結(jié)論。為進一步驗證此結(jié)論，本次實驗采用PLA材料，通過3D打印制作出兩種風(fēng)扇的實物，裝機拖動磁電機進行溫升實驗，對比新舊風(fēng)扇的散熱性能，并檢測改進后的風(fēng)扇能否滿足磁電機的冷卻要求。

2.1 ? ?實驗方法與數(shù)據(jù)

固定增程器，在接線正確的情況下，發(fā)燃發(fā)動機，每隔5 min對各參數(shù)進行采集，主要包括時間、轉(zhuǎn)速、定子溫度1（定子靠近缸體側(cè)）、定子溫度2（定子遠離缸體側(cè)）、發(fā)電電流、發(fā)電電壓、驅(qū)動電流等。部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 ? ?實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，分析不同參數(shù)下新冷卻風(fēng)扇的性能，如圖5所示。

圖5（a）為新、舊冷卻風(fēng)扇兩個定子溫度隨時間變化的點線圖，圖5（b）（c）（d）分別為新舊冷卻風(fēng)扇機頭溫度、缸頭溫度、控制器溫度隨時間變化的點線圖。新舊冷卻風(fēng)扇這3處的溫度并無較大差距。由圖5（a）可以看出，使用舊冷卻風(fēng)扇時，定子最高溫度達到188 ℃，使用新冷卻風(fēng)扇時，定子最高溫度為94 ℃。20 min以內(nèi)，舊冷卻風(fēng)扇定子溫度1比新冷卻風(fēng)扇平均高76.2 ℃，定子溫度2比新冷卻風(fēng)扇平均高出62.6 ℃，即舊冷卻風(fēng)扇運行時磁電機定子溫度較高。由此可見，新冷卻風(fēng)扇的冷卻效果明顯好于舊冷卻風(fēng)扇。

上述實驗結(jié)果驗證了仿真模型的正確性，得出了在其他條件不改變的情況下，新冷卻風(fēng)扇散熱性能有所提升的結(jié)論，證明新冷卻風(fēng)扇的模型可以優(yōu)化磁電機散熱性能。

3 結(jié)語

本文針對增程器磁電機短時溫升過高的現(xiàn)象，通過對定子區(qū)域溫度場、流體場進行分析，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)動方向改進為正轉(zhuǎn)。通過實物實驗驗證，發(fā)現(xiàn)相較于舊冷卻風(fēng)扇，新冷卻風(fēng)扇的散熱效果更好。由此將舊風(fēng)扇進行改進設(shè)計，并通過實驗驗證了設(shè)計方案的可行性。

[參考文獻]

[1] 周蘇，牛繼高，陳鳳祥，等.增程式電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究[J].汽車工程，2011，33（11）：924-929.

[2] 姚丙雷，劉朋鵬，王建輝，等.高壓高速電機通風(fēng)與散熱分析[J].電機與控制應(yīng)用，2019，46（8）：70-75.

[3] 賀文凱，顧德軍，王鴻鵠.兩種不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)對高壓電機性能的影響[J].電機與控制應(yīng)用，2014（6）：36-38.

[4] 溫嘉斌，鄭軍，于喜偉.YKK中型高壓異步電動機換熱分析與冷卻器優(yōu)化[J].電機與控制學(xué)報，2015，19（9）：33-39.

收稿日期：2020-11-26

作者簡介：周琦（1982—），男，陜西丹鳳人，工程師，研究方向：航空電氣。