油冷電機轉子散熱過程仿真分析

【摘 要】通過有限體積法研究轉子端蓋出油孔位置和冷卻油流量對電機轉子溫度場的影響。研究結果表明，電機轉子端蓋出油孔位置越靠近電機軸，電機轉子的散熱效果越好;增加轉子冷卻油流量也會強化電機轉子散熱，但存在一個臨界流量，超過該臨界點后再增加轉子流量來提高轉子的散熱強度將會變弱。文章研究電機轉子端蓋出油孔位置及轉子流量變化對電機散熱過程的影響，旨在為電機轉子冷卻優化提供指導性建議。

【關鍵詞】驅動電機;散熱;性能研究;數值模擬

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0058-03

Simulation Analysis of Heat Dissipation Process of Oil Cooled Motor Rotor

YUAN Yadong，MENG Siyu，XIA Lingjun，TANG Tianbao

（Wuxi Infimotion Propulsion Technology Co.，Ltd.，Wuxi 214100，China）

【Abstract】The influence of the oil outlet hole position and coolant flow rate on the temperature field of the motor rotor was studied using the finite volume method. The research results indicate that the closer the oil outlet hole of the motor rotor end cover is to the motor shaft，the better the heat dissipation effect of the motor rotor; Increasing the flow rate of rotor coolant will also enhance the heat dissipation of the motor rotor，but there is a critical flow rate beyond which increasing the flow rate to improve rotor heat dissipation will weaken.In this paper，the influence of rotor end cover oil hole position and rotor flow rate change on motor cooling process is studied，aiming at providing guiding suggestions for motor rotor cooling optimization.

【Key words】drive motor;heat dissipation;performance research;numerical simulation

電機在運行過程中將電能轉換為機械能和熱能，機械能主要用來對外做功，而熱能主要以熱損失的方式傳遞出去[1]。隨著電機功率的逐漸增加，電機運行中產生的熱耗也越來越大，電機散熱問題也變得越來越復雜。此外，電機高速運轉時，轉子表面與鄰近氣體之間產生較大的相對速度，該過程產生的風摩損耗會惡化電機散熱過程。據統計，電機發熱是影響電機性能及效率的關鍵因素，電機故障有40%以上是由電機熱應力引起的[2]。文獻[3]指出電機長期處于高溫狀態將會導致電機轉子永磁體退磁，情況嚴重的將直接導致電機無法正常運行。文獻[4～6]指出，如果電機產生的熱量不能夠及時傳遞出去，將會導致電機輸出功率受限、退磁甚至報廢。因而研究電機轉子熱量傳遞過程對強化電機散熱能力、改善電機工作性能具有重要意義。

1 集成式驅動電機系統傳熱問題分析

集成式驅動電機系統內部結構如圖1所示，主要結構由殼體、定子鐵芯、繞組、轉子鐵芯和磁鋼等組成，電機工作時主要產熱部件有繞組、磁鋼、定子鐵芯和轉子鐵芯。隨著電機功率的逐漸提高及體積的不斷減少，導致電機的功率密度急劇增加，尋找更加高效的散熱方式成為掣肘電機發展的關鍵因素。同時行業內電機轉速正朝著高速化發展，電機轉子表面產生的風摩損耗也會增加電機對散熱能力的需求。

2 仿真設置

油冷電機轉子散熱過程熱仿真求解設置：入口邊界選擇質量流量邊界，出口邊界選擇壓力邊界，開啟能量方程和隱式求解器。電機工作中產生的熱耗以總熱源的形式加載，熱耗分別為：轉子鐵損158W，轉子磁鋼1.55W，氣隙302W。邊界條件見表1，材料屬性參數見表2。

3 結果分析

3.1 出油孔位置對轉子溫度場的影響

由圖2可知，隨著端蓋出油孔位置往邊緣移動，端蓋最大溫度由138℃增加到了147℃，即端蓋出油孔位置越靠近軸心，端蓋的溫度越低。從圖2中還可以看出，端蓋出油孔位置往軸心移動距離越大，轉子端蓋低溫區域面積越大。這是由于端蓋出油孔位置越低，更有利于附在端蓋表面的油液流過更多的區域，從而帶走更多的熱量。

由圖3可知，隨著端蓋出油孔位置靠近軸心，轉子鐵芯最大溫度越低，最大溫度由181℃降低到179℃;從圖3中還可以明顯看出，隨著端蓋出油孔位置靠近軸心，轉子鐵芯高溫區域逐漸減少，即端蓋出油孔位置靠近軸心有利于電機轉子散熱。

3.2 出油孔位置對轉子端蓋表面換熱強度的影響

為了進一步分析端蓋出油孔對電機轉子散熱的影響，對端蓋表面與冷卻油的換熱過程進行分析。由圖4可知，端蓋出油孔位置越靠近軸心，端蓋表面換熱過程越均勻，整體換熱過程越好，與上述分析結論一致。

3.3 流量對轉子溫度場的影響

在電機工作過程中，轉子超過一定溫度后電機功率將受到限制，因此本文重點分析轉子最大溫度隨流量變化的規律。由圖5可知，隨著轉子冷卻油流量的增加，轉子鐵芯最大溫度逐漸降低;當轉子冷卻油流量低于3L/min時，冷卻油流量的增加會使轉子最大溫度產生較大降幅;當流量超過3L/min時，隨著冷卻油流量的增加，轉子最大溫度降低幅度變緩。

由圖6可知，隨著轉子冷卻油流量的增加，對流換熱系數逐漸增加，即增加轉子冷卻油流量能夠強化電機轉子散熱過程;從圖6中還可以看出，當流量高于3L/min時，對流換熱系數隨流量的增加，變化趨勢逐漸變緩，結合圖5可知，增加流量強化電機轉子散熱的過程存在一個臨界點，當流量達到該臨界點后，流量的增加不會導致散熱能力的顯著提升。

4 結論

本文通過建立電機轉子熱仿真模型分析了端蓋結構變化以及流量變化對電機轉子溫度場的影響，旨在為電機轉子冷卻優化提供指導意義。

基于對電機轉子端蓋出油孔位置的仿真分析，結果表明端蓋出油孔位置越靠近軸心，端蓋表面與冷卻油的對流換熱過程越好，電機轉子溫度越低。

通過增加轉子冷卻油流量能夠顯著降低電機轉子最大溫度，但當轉子冷卻油流量超過某一個臨界點后，增加轉子冷卻油流量以達到降低電機轉子溫度的效果將會減弱。

參考文獻：

[1] 江善林. 高速永磁同步電機的損耗分析與溫度場計算[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

[2] 董劍寧，黃允凱，金龍，等. 高速永磁電機設計與分析技術綜述[J]. 中國電機工程學報，2014，34（27）：4640-4653.

[3] 李永建，范子容，張長庚，等. 變溫條件下釤鈷永磁材料損耗特性測量與定量分析[J]. 電工電能新技術，2023，42（2）：68-77.

[4] Gundabattini E，Kuppan R，Solomon DG，et al. A review on methods of finding losses and cooling methods to increase efficiency of electric machines[J]. Ain Shams Engineering Journal，2021，12（1）：497-505.

[5] 柳浩浩，趙金星，孫宇行. 高速永磁電機的磁-熱雙向耦合冷卻系統設計優化[J/OL].機械科學與技術.https：//doi.org/10.13433/j.cnki.1003-8728.20230200.

[6] 史立偉，劉政委，喬志偉，等. 基于磁熱耦合法的非對稱混合磁極永磁電機熱分析[J]. 浙江大學學報（工學版），2024（1）：207-218.

（編輯 楊凱麟）