基于CFD水冷式牽引電機不同工況下溫度場分析

王景妍，李秀芬，張永學，王 康

（黃河科技學院交通學院，河南 鄭州 450064）

1 引言

牽引電機功率大、損耗大、散熱空間小，其冷卻散熱成為整車設計的重要環節。工程車輛載重量大，產生的熱量多，同時其工作環境惡劣，通常采用水冷式冷卻系統對牽引電機進行冷卻，這就對冷卻提出了更高的要求[1]。對牽引電機冷卻系統的設計，需要綜合考慮內外各種因素的影響，同時其邊界條件是非常復雜的，存在耦合傳熱現象，因此，需要綜合考慮。設計高效穩定的系統，對牽引電機及整車的高效運轉具有重要意義。

學者們對此進行了一定研究：文獻[2]應用標定測試法，通過改變冷卻液的流速，測試電機表面溫度，獲取二者之間的變化規律；文獻[3]采用一維軟件搭建牽引電機的熱管理模型，對不同冷卻方式和流量下，電機的溫度場變化進行分析；文獻[4]采用三維建模軟件，分析不同的冷卻尺寸對整機溫度場分布影響規律；文獻[5]采用試驗方法測試不同的過載工況下，電機冷卻系統的溫度分布和流量變化。

根據水冷式牽引電機結構特點和冷卻系統需要，基于CFD建立牽引電機冷卻系統的流固耦合傳熱模型，對冷卻系統內的流場耦合進行分析；選取穩態工況進行流場分析，獲取電機各部分的溫度場分布；選取瞬態極限工況的停機、過載等進行分析，獲取牽引電機的過載能力，以此判斷系統的可靠性。

利用牽引電機冷卻平臺進行溫度測試，通過測功機調整負載，獲取最大扭矩狀態各測點溫度，并與模型分析結果進行對比，驗證模型的可靠性。

2 牽引電機流固耦合傳熱模型

2.1 牽引電機建模

電機內部結構比較復雜，不同類別的電機結構差異較大，但總體來說永磁同步水冷電機由機殼、兩端端蓋、定子鐵心、定子繞組、轉子、轉子上的永磁體、轉軸、定子外的冷卻水套及軸承等部件組成[6]。

電機的結構和幾何尺寸一般由電機特性、功率、冷卻要求、強度要求及裝配要求等因素決定。

所研究的120kW交流驅動永磁同步水冷卻電機結構，如圖1所示。

圖1 牽引電機結構簡圖Fig.1 Schematic Diagram of Traction Motor Structure

根據牽引電機的結構圖，依據分析需要，對部分參數進行簡化。

（1）電機內熱源

根據建模需要，建立的電機傳熱模型將研究重點放在繞組、絕緣材料、定子鐵、機殼及冷卻水套模型的建立[7]。

（2）定子槽內模型

根據布置規則，設定定子槽內各種絕緣材料均勻分布；定子槽內各導線均勻排列；絕緣材料和導體充滿了定子槽內部；絕緣材料和導體分別看作兩部分導熱體[8]。

定子槽內簡化模型，如圖2所示。

圖2 定子槽內等效導熱簡化模型Fig.2 Simplified Model of Equivalent Heat Conduction in the Stator Slot

等效絕緣體由不同絕緣材料等效而來，其等效導熱系數由下式計算：

式中：λeq—等效導熱系數；δi—等效厚度；λi—導熱系數。

（3）繞組端部模型

繞組端部是指繞組伸出定子槽兩端的部分，這部分由于沒有與定子鐵接觸，僅與電機內空氣接觸，散熱效果較差[9]，因此繞組溫度相對于繞組中部要高，需要對該部分的溫度分布加以重點分析。這里對繞組端部進行簡化，如圖3（a）所示。在結構圖基礎上，建立牽引電機三維物理簡化模型，如圖3（b）所示。

圖3 牽引電機三維簡化模型Fig.3 Three-Dimensional Simplified Model of Traction Motor

2.2 流固耦合模型

牽引電機冷卻散熱時，各個熱源均與冷卻液發生熱交換，而熱源之間也會因為冷卻液的流動發生熱交換，各個部分相互影響，邊界條件復雜，單獨分析時，誤差較大，相互之間存在耦合，因此在分析時，需要進行整體考慮，分析流體和固體的耦合作用。因此，建立牽引電機的冷卻水道三維模型，如圖4（a）所示。對牽引電機冷卻系統三維模型的網格劃分需要分區域進行[10]。

圖4 牽引電機流固耦合模型Fig.4 Traction Motor Fluid-Structure Coupling Model

區域以需要進行耦合傳熱計算的界面為邊界進行劃分，可分為：冷卻水道、冷卻水套、電機機殼、定子鐵心、等效絕緣體、等效導體5個區域。網格劃分情況，如圖4（b）所示。

3 牽引電機流場分析

3.1 穩態工況分析

所研究的牽引電機穩定運轉時，其總散熱量為6261.7W，繞組和定子散熱折算成熱流密度分別為：442760.4W/m3和102837.7W/m3，設置相關參數，進行仿真計算，電機各部溫度仿真結果，如圖5所示。

圖5 溫度場分布Fig.5 Temperature Field Distribution

電機繞組溫度場分布圖，如圖5（a）所示。可以看出，電機繞組的溫度分布規律為：兩端溫度高，中部溫度低，左側高于右側，主要由于左側為冷卻液入口位置，溫度偏低。同時，通過電機右端面溫度場分布可以看出，由于冷卻液沿電機周向流動，再次方向上存在一定的溫度梯度，極值點位于右端部下方、上方中部靠近進水口處，溫度分別為145.66℃、122.27℃。通過圖5（b）可以看出，電機定子溫度場分布規律為：齒部的溫度最高，依次向外溫度遞減；與繞組圖5（a）相似，兩端溫度高，中部溫度低，左側高于右側的規律；定子外周面溫度分布規律可由圖5（c）清晰的看到，冷卻水道的走向對定子溫度分布有較為明顯的影響。電機定子最高溫度點位于定子齒部，其值為74.09℃；最低溫度點位于定子外周面，其值為25.05℃。圖5（d）為電機機殼溫度場分布圖，可以看出由于受到冷卻水道分布的作用，在軸線方向溫度逐漸升高。極值點位于冷卻液入口、機殼內表面處，溫度分別為16.57℃、30.98℃。

3.2 瞬態工況分析

瞬態工況既可呈現溫度場隨時間變化規律，同時可以分析過載工況，系統的承受能力。

（1）溫度場變化分析

保持冷卻液流量為18L/min，入口溫度17.2℃，電機散熱量設為6261.7W，電機各部初始溫度設為17.2℃，電機在該條件下運行3600s，對整個過程進行仿真計算。

電機運行80s、320s、640s及1600s時冷卻系統各部分溫度場分布對比，如圖6所示。電機繞組最高溫度隨時間變化的曲線，如圖7所示。

圖6 不同時間點溫度場分布Fig.6 Temperature Field Distribution

圖7 繞組最高溫度隨時間變化曲線Fig.7 Curve of Maximum Temperature of Winding with Time

圖中可以看出，隨著時間的變化冷卻系統各部分溫度一方面逐漸升高，另一方面溫度梯度逐漸增大，仿真結果比較合理的反映了冷卻系統溫度場的動態變化過程。

由圖可以看出，整體溫度呈現上升趨勢，變化趨勢先增后穩，最后達到穩定，需要2600s。

（3）停機工況分析

此工況仿真的邊界條件為：保持冷卻水入口溫度（17.2℃）及流量（18L/min）不變，電機總散熱量為6261.7W，電機運行1h后[12]，電機停止運行，即電機散熱量降為0。對整個傳熱過程進行分析，得到繞組最高溫度隨時間變化曲線，如圖8所示。

圖8 繞組最高溫度隨時間變化曲線Fig.8 Variation Curve of Maximum Winding Temperature with Time

由圖可知，電機停機后，在保持冷卻條件的情況下，電機溫度在2000s以后逐漸達到穩態。但事實上，電機停機后不可能長時間保持冷卻系統運行，一般情況下，待電機溫度較低后，冷卻系統便停止運行，電機其余熱量自然散發到周邊環境當中。

（2）短時過載工況分析

電機各部分損耗，如表1所示。將其他損耗項按各50%折算到電機繞組和定子兩個熱源處，計算熱源分別為：繞組11549.7W和定子7189.99W。

表1 峰值功率下電機各部分損耗Tab.1 Losses of Various Parts of the Motor Under Peak Power

冷卻液流量分別設為6L/min、18L/min和30L/min，入口溫度均為17.2℃，仿真時間設為1200s。分析結果，如圖9所示。

圖9 繞組最高溫度隨時間變化曲線Fig.9 Curve of Maximum Winding Temperature with Time

圖9（a）中可以看出，在峰值工況下，繞組溫度升高迅速，在350s左右時便達到了180℃電機溫度限值；同時在電機運行300s以后，冷卻流量對溫升速率的影響才逐漸開始顯現。

圖9（b）可以看出，冷卻流量為6L/min時，電機溫度到180℃需要時間約為350s；冷卻流量18L/min時，電機溫度到180℃需要時間約為365s；冷卻流量30L/min時，電機溫度到180℃需要時間約為370s。冷卻流量由6L/min提升到30L/min，僅僅使電機的過載時間延長了約10s。可以說，冷卻流量在（6～30）L/min 范圍內時，冷卻流量對短時過載性能的影響并不明顯。

4 牽引電機冷卻系統試驗

利用牽引電機、測功機等設備搭建冷卻系統試驗平臺，平臺原理圖，如圖10（a）所示。

采用LMS 數據采集系統，利用轉速扭矩傳感器、流量傳感器和溫度傳感器等；獲取各部分的冷卻液的溫度和流量、整個系統的轉速和扭矩變化等，平臺，如圖10（b）所示。

圖10 牽引電機溫升試驗平臺Fig.10 Temperature Rise Test Platform of Traction Motor

初始狀態為環境溫度，調整牽引電機在高速低扭矩運行，速度為1280rpm，輸出扭矩為5Nm，此時牽引電機冷卻液入口溫度為18.9℃，流量為19.11L/min；平臺可以通過調整測功機的功率，對牽引電機施加負載，通過調整，使得扭矩達到最大值1360Nm，此時獲取的轉速為458rpm，獲取各個測點傳感器的溫度，達到穩定狀態后，停止系統數據采集。

穩定狀態各測點溫度，如圖11所示。

圖11 測點穩定溫度對比Fig.11 Comparison of Stable Temperature of Measuring Points

對比分析可以發現，各測點的溫度變化趨勢，試驗值和模型分析結果保持一致，電機繞組的溫度最高，實測結果為135.63℃，模型分析結果為146.85℃，二者之間的誤差為8.28%，其他位置的誤差也控制在10%以內，主要原因是模型假設和參數設置造成。模型分析與試驗測試結果的一致性，表明所建模型的準確性與可靠性。

5 結論

（1）采用流固耦合模型分析水冷式牽引電機溫度場分布，結果更為合理；

（2）在牽引電機各組件中，繞組損耗影響更大，其溫度升高的最高值與冷卻液初始溫度成正相關；

（3）通過瞬態仿真計算可知，在以峰值功率過載運行時，電機運行360s左右即達到溫升限值，冷卻流量在（6～30）L/min范圍內時，冷卻流量對短時過載性能的影響并不明顯。

（4）各測點的溫度試驗值和模型分析結果變化趨勢保持一致，電機繞組的溫度最高，誤差也控制在10%以內，表明所建模型的準確性與可靠性。