油冷電機繞組噴淋冷卻數值模擬與研究

陳小健 李婷 徐剛 朱夢楠 吳愛華

（智新科技股份有限公司，武漢 430100）

主題詞：高壓油冷扁線電機 噴淋冷卻 CFD仿真 油量分配

1 前言

液冷電機的冷卻方式可分為間接冷卻和直接冷卻，二者均可提高電機的功率密度，廣泛應用于電動汽車、風力發電等領域[1]。梁培鑫[2]針對間接冷卻的電機提出一種新的繞組等效模型，提高了電機溫度場的仿真計算精度。王曉遠等[3]使用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法分析不同結構間接式液冷電機的溫度分布情況，同時采用溫度熱成像儀進行了對比驗證。何思源[4]通過橫向對比風冷系統和水冷系統的設計要點，提出冷卻方案要根據電機的實際布局進行針對性設計。此外，朱灑、楊寧等[5-6]對比了間接和直接油冷散熱方案的效率，結果表明，相同功率狀態下，采用直接油冷可降低定子軛部的平均溫度，從而提高電機的功率密度。

直接油冷可分為浸油和噴油兩種模式。Liu 等[7]提出在定子上設計流道，使油液沿流道流動，達到散熱效果。直接油冷中冷卻油與電機內部發熱部件直接接觸，從而實現高效散熱，但需考慮油液與電機定、轉子間的兼容性、效率等影響。吳元強等[8]使用CFD 仿真方法，分析入油口結構和噴油環結構對電機溫度場分布的影響，并對其進行參數優化，使電機溫度降低5 ℃～10 ℃。韓世琦等[9]結合軸向噴淋和徑向噴淋的特點以及不同流量對各噴淋位置冷卻效果的影響，選擇合理的噴淋形式與噴淋流量，并與水冷電機進行比較，證明了噴淋冷卻的有效性。陳玉祥等[10]通過對油孔直徑等多參數優化分析，減小油冷系統的最大壓強差，改善油液噴淋均勻性。Chen 等[11]利用紅外溫度成像的方法驗證電機繞組溫度分布仿真結果，采用反演法推導出傳熱數值，得到最小且最具成本效益的油流量。

目前，油冷噴淋是一種高效的電機冷卻方式，在高速運轉時能夠有效降低電機溫度、提高電機性能并提升運行的穩定性。同時，該方式可大幅降低維護成本、縮短停機時間，從而提高新能源汽車的性能及使用效率。然而，油冷噴淋電機還存在噴淋位置隨機、油液覆蓋區域有限、油量的合理性差、攪油損失大等問題。本文采用仿真可視化、試驗觀察及結構優化相結合的方法，針對噴淋位置、噴淋方式、潤滑油的流量及噴淋周期等問題進行深入研究和分析。

2 油冷電機繞組冷卻仿真方法

本文以高壓油冷扁線電機的定子冷卻系統為研究對象，仿真模型包括定子油道、繞組端部、電機殼體、回油油道以及噴淋組件，如圖1所示。

圖1 高壓油冷扁線電機繞組冷卻流體仿真模型

2.1 控制方程與求解方法

油液噴淋包含多種復雜的流動狀態和流動性質，為便于研究，將油液噴淋冷卻簡化為不可壓縮流動，用連續性方程和動量守恒方程來描述：

式中，v為流體矢量速度；ρ為流體密度；P為壓力；τ為粘性應力；g為重力加速度；t為時間；?為梯度算符。

繞組冷卻噴淋是氣液兩相流，在仿真計算中使用流體體積（Volume of Fluid，VOF）法。油液的相分數α定義為：

利用VOF法對油液噴淋狀態進行可視化和量化分析，通過式（3）計算每個網格內的相分數，即油液的流動狀態。

經過多次正交驗證后，湍流模型選用SSTk-ω模型，壓力速度耦合方式采用壓力-隱式分裂算子（Pressure-Implicit with Splitting of Operators，PISO）法，能量等離散格式設置為二階迎風[12]。

2.2 仿真參數的設定

本文參照實際電驅動溫升測試要求，對高壓油冷扁線電機定子總成的流動分配及繞組噴淋冷卻進行流體仿真。當冷卻油溫度為80 ℃時，其流量為8 L/min、密度為815.5 kg/m3、動力粘度為0.010 62 kg/(m·s)，入口處使用壓力進口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。

3 仿真結果分析

前處理及網格無關化驗證后，對高壓油冷扁線電機的定子油路、繞組不同的冷卻結構進行仿真分析及優化。

3.1 定子油道流動分析

在電機殼體內部開槽，再與定子鐵芯過盈配合而形成定子油道及噴口，油液在其中流動并從兩端噴口噴淋冷卻繞組。研究對象不變時，流道中的湍流強度可以表征定子鐵芯換熱效率，同時兩端噴淋繞組的冷卻效果極易受噴淋的初始速度、流量、角度等因素影響，因此定子油道的油量分配至關重要。

3.1.1 定子油道結構參數優化

定子結構優化參數如圖2所示，通過仿真計算與理論推導，調整各關鍵油路的尺寸和結構，得到換熱能力β：

圖2 定子油道優化位置示意

式中，k為定子油道換熱系數；S為定子油道有效換熱面積。

本文應用參數化方法仿真計算54組定子冷卻流道方案，如圖3 所示。根據流阻Pd、換熱系數k、換熱面積S、換熱能力β、油液斜噴口的速度的均勻性、流量分配合理性6 項性能指標，通過數據分析，選擇換熱能力達到74 W/K、壓降為9 350 Pa、插線端噴油口的速度標準偏差值為95.5%、出線端的速度相對標準偏差值為96.5%的較優方案，進行多相流流動仿真。

圖3 定子油道參數優化圖譜

3.1.2 較優方案的流量分配

基于參數優化后的定子油道，對繞組的冷卻結構展開研究。如圖4所示，斜噴口定義為rz1～rz7，各斜噴出口速度如圖5所示。

圖4 定子油道速度矢量圖

圖5 噴口油液流速

通過一維和三維的仿真分析和優化，定子側流量占電機總油量的80%，剩余油量進入轉子油路，并通過轉子高速旋轉甩出。流動過程冷卻轉軸和轉子鐵芯，再甩淋到定子繞組上，起到二次冷卻作用。

3.1.3 斜噴油結構仿真分析與優化

本文設計了斜噴油繞組冷卻結構，在殼體內部開槽、設計噴口。共設計直線型、多段型和弧線型3 種噴淋結構，如圖6所示。

圖6 噴油口結構

由于多相流瞬態仿真所需計算資源多、時間長，為此在研究斜噴油結構時，本文提出兩步仿真方法，以提高計算效率，即通過CFD數值模擬以及壓降計算，進行流量分配仿真估算，從而獲得各斜噴口的流速與流量，再進行局部仿真，如圖7所示。

圖7 仿真模型簡化示意

a.直線型噴油結構

直線型噴嘴的繞組換熱系數隨時間的變化情況如圖8所示，其噴油結構加工便捷、成本低，但油液在粘滯力、重力作用下，難以直接噴淋到繞組端部，油液覆蓋率低，因此換熱能力較差。特別地，在電機主油道兩側，油液易出現沿定子端部下流，以及沿電機壁面流動的現象，如圖9所示。

圖8 繞組換熱系數（直線型噴油嘴）

圖9 直線型噴油結構油液流動仿真

受油液自身特性以及重力的影響，在7條油道中，左右兩側各2條噴油口的油液會沿定子斷面和殼體內壁貼壁流動，導致在第0.45 s時，該方案的繞組表面換熱系數30.3 W/(m2·K)僅占雙噴油環方案換熱系數的25%，且繞組表面油液覆蓋率僅為5%。

b.弧線型噴油結構

通過仿真、試驗觀察到直線型噴嘴的噴油問題，進而優化噴油結構，設計并加工出一種斜角弧形的結構和多段直線結構噴口，兩種結構仿真結果相近。

如圖10所示，在改進噴嘴結構、斜度后，在第0.45 s時，該方案的繞組表面換熱系數達到78 W/(m2·K)，繞組表面油液覆蓋率達到20%，有效提高了繞組換熱效率。在圖11 的流動可視化結果中，油液沿電機殼內壁面流動量也明顯減少，說明噴口角度、結構是影響油液噴淋有效程度的重要影響因素。

圖10 繞組換熱系數（弧線形噴油嘴）

圖11 弧線形噴油嘴油液噴淋仿真

3.2 噴油環仿真分析

油液有效噴淋到繞組端部是影響電機冷卻的重要因素。采用噴油環結構對繞組端部冷卻效果較好，本文設計了雙噴油環結構方案，建立了噴油環結構仿真模型。在油液噴淋仿真中，定子側油液進口流量為8 L/min，能夠清晰地觀察到油液在充滿噴油環后，通過孔洞噴淋可以有效冷卻電機繞組。

仿真結果顯示，出線端和插線端油液均可通過噴油環有效噴淋到繞組上，如圖12所示。同時，對油液從進口到出口的流動情況進行可視化，分析油液在各時刻、各位置的分布情況，結果表明，兩端噴油環中均充滿油液，各噴油口均有油液噴射到繞組表面，如圖13所示。

圖12 雙噴油環油液噴淋示意圖

圖13 雙噴油環油液流動仿真

為了定量地展示仿真的散熱效果，出線端繞組的換熱系數隨時間變化情況如圖14所示，在第1.3 s后，繞組平均換熱效率趨于穩定，換熱系數達到124.6 W/(m2·K)，繞組表面油液覆蓋率達到55%，可以有效帶走繞組熱量。

圖14 繞組換熱系數（雙噴油環）

3.3 3種繞組冷卻方式對比

對比3種冷卻方案在繞組表面的噴淋情況，仿真結果如表1所示。

表1 3種繞組冷卻方式對比

本文引入油液覆蓋率γ和油相體積分數相對標準偏差δ作為評價標準。其中，γ越大，表明繞組表面被油液覆蓋的面積越多，δ越小，表明繞組表面的噴淋越穩定，噴淋到繞組的油量變化越小，散熱性越強。

雙噴油環的換熱系數達到124.6 W/(m2·K)，遠高于直線型噴油口方案，但優化噴口角度、尺寸以及結構后，弧線型噴口的換熱系數較直線型噴口提高了47.7 W/(m2·K)。因此，噴油環適合散熱需求大的電機，但需增加零部件數量，提高了電機制造成本，而與殼體一體成型的噴油口結構方案具有一定的成本優勢，因此，需根據電機型號及需求選擇電機繞組冷卻方案。

4 結束語

本文采用參數優化的方法，優化定子油道參數，從54 種方案中選取較優方案的基礎上提出兩步仿真方法，分析繞組噴油冷卻特性。同時，引入油液覆蓋率γ和油相體積分數相對標準偏差δ量化對比噴油環、斜噴油的油冷方案性能和特性。本文提出的定子油道繞組噴油技術，可有效降低繞組溫升，能夠直接在殼體開模階段進行殼體的加工。通過與定子過盈連接，形成冷卻油道，減少噴油環部件，保障電機溫升安全，降低電機制造成本。

綜上所述，本文提出的仿真方法、冷卻方案及優化思路，提高了電機冷卻的仿真精度、效率，解決了電機熱管理問題。