电机液冷流道扰流片优化设计

郝嘉欣,唐志国,李荟卿,江　超

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥　230009)



电机液冷流道扰流片优化设计

郝嘉欣,唐志国,李荟卿,江超

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥230009)

摘要:电动汽车电机的体积小型化、功率高密度化以及工作环境相对封闭等特点,使得其产热和散热问题研究成为电机结构设计的重要课题。为了提高驱动电机的散热效果,文章以液冷电机为研究对象,提出在其定子冷却流道中加入扰流片进行传热强化,并设计了多种扰流片结构设计方案;对各种结构设计方案的电机定子进行三维建模,使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件进行温度场与流场的仿真,对比各方案的优劣,优化出扰流片的结构方案;使用Simulink软件对优化结构进行理论分析,并与CFD仿真结果对比,验证了优化结构的可行性。

关键词:电动汽车;液冷电机;冷却流道;扰流片;热仿真

电机作为电动汽车的核心部件之一,其优良的工作性能至关重要。由于电动汽车驱动电机在工作时会产生大量热量,需要选择适当的散热方式,将电机的温度控制在合理的范围内,以保障电动汽车稳定而安全地运行[1]。

随着电动汽车电机的体积趋于小型化、运行趋于大功率化,常规的风冷散热方式已难以满足冷却需求,需采用液冷散热方式对电机进行散热[2-6]。文献[2]对水冷系统参数进行了设计,对冷却液流动状态、流量、流阻和水泵功率进行了计算;文献[3]对目前常见的电机液冷流道轴向流道、周向流道、螺旋流道3种结构的冷却性能、工艺性、冷却液流通性等方面进行了深入的对比分析。为了进一步强化传热效果,液冷流道的优化设计十分重要。较为常见的优化方法为在流道中加入肋片[7],文献[8]中在电机的轴向水道中加入了肋片,优化后的水道散热效果得到了增强。

基于上述研究,为了增加固液换热面积以及增大冷却液湍流度,本文提出在驱动电机的定子冷却流道中加入扰流片以强化传热,并对扰流片的结构提出了多种设计方案,使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对各种方案进行了对比分析,获得扰流片的优化结构,并进一步使用Simulink软件分析结果进行验证。

1电机定子热效应模型

1.1数学模型

电机的热源通常包括基本铜耗、基本铁耗、机械损耗和附加损耗。对于电机定子来说,后两者可忽略不计[9-12]。

(1)基本铜耗计算。铜耗是电机运行时电流流过有电阻的绕组而产生的,计算公式为:

其中,PCu为全部绕组的总铜耗值;Pi为绕组i的铜耗值;Ii为绕组i的电流;Ri为绕组i的电阻。

(2)基本铁耗计算。铁耗的大小取决于2个因素,即磁通密度的峰值和磁通密度随时间的变化率,计算公式如下:

其中,P1.0/50为当B=1.0 T、f=50 Hz时,单位质量硅钢片的铁耗;B为定子铁心磁感应强度;f为电枢磁场的交变频率;PFe′为定子铁心单位质量的铁耗;PFe为整个定子铁心总的铁耗;Ka为经验系数,根据电机的容量不同,其值可从1.5～2.0之间选取;mFe为铁心的质量。

在使用计算流体力学CFD软件对电机定子稳态温度场进行仿真计算时,电机的生热值由上述公式计算得出,将此边界条件应用于仿真计算中,从而得到电机定子的温升图。

仿真计算的边界条件还包括:冷却介质为去离子水,流量为10 L/min,初始温度为60℃,流道壳体材料为T6处理铝合金。

1.2物理模型

电机定子三维模型如图1所示,主要由铁心、绕组与冷却流道3部分组成。铁心具有圆周向等间距的闭口型槽,绕组嵌于各槽内,光滑冷却流道围绕于铁心外侧,本文所提出的扰流片将设置于光滑流道中。

电机的主要基本参数见表1所列。

图1　电机定子模型

参 数数值参数数值额定功率/kW18定子外径/mm295峰值功率/kW40定子内径/mm205额定转速/(r·min-1)3000定子宽度/mm60

2扰流片结构优化设计

扰流片有多种结构设计方案,下面针对排列方式、排列角度、行间距及列间距4个方面,通过热仿真计算进行对比分析,进而选出较为合理的扰流片设置方案。

电机定子冷却流道的横截面尺寸为宽30 mm、高5 mm。为便于对比分析,扰流片尺寸统一为长5 mm、宽1 mm、高5 mm。

2.1排列方式及排列角度的对比

扰流片的排列方式可分为顺排与叉排2种;扰流片与冷却液流向的夹角选取0°、30°、45°、60°、90°。不同排列方式和排列角度的8种方案见表2所列。

表2扰流片的不同排列方式

为方便对比计算,以上各方案扰流片之间的行、列间距均取值为5 mm,如图2所示。对上述8种方案分别进行仿真,对于计算结果主要考察电机定子绕组部位的最高温度以及流道进出口冷却液的压降,结果如图3所示。

图2　行、列间距示意图

图3　排列方式对绕组最高温度及进出口冷却液压降的影响

从扰流片的排列方式上看，在扰流片与冷却液流向呈30°、45°、60°的情况下，叉排方式中绕组的最高温度比顺排方式都降低了1～2℃，可知叉排方式的冷却效果略强于顺排方式；而叉排方式中冷却液的进出口压降比顺排方式均低了100 Pa左右，可知叉排方式对冷却液的流动阻力小于顺排方式。综合考虑，将扰流片的排列方式最终确定为叉排方式。

从扰流片的排列角度上看，随着扰流片与冷却液流向的夹角逐渐增大，一方面，绕组的最高温度在不断降低，但降低的趋势减缓，降幅由一开始的10℃左右逐渐降低至1℃，即冷却效果在不断提升，但趋势渐缓；另一方面，冷却流道进出口的压降在逐渐增大，由最初的87 Pa逐渐增大到了2 140 Pa，这意味着扰流片对冷却液造成的流动阻力在逐渐增大。较大的流阻对冷却系统的整体性能要求大大提高，并且对电机整体的温度均衡性产生较大的影响，从而对实际中的应用造成困难。综合考虑，扰流片与冷却液流向的夹角最终选择为比较合适的30°。

2.2扰流片的行间距和列间距

冷却流道中的扰流片排列间距的不同也会对电机定子整体温度场造成影响。定义不同行间距与扰流片长度的比值x=X/L,不同列间距与扰流片长度的比值y=Y/L。本文计算中x分别取值1、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5、2.8、3.1，y分别取值1、1.3、1.6、2.2。为了简化计算，当对行间距的不同比例方案进行计算时，y取值为1；当对列间距的不同比例方案进行计算时，x取值为1。

对这12种方案分别进行热仿真计算，得到定子绕组最高温度与冷却液进出口压降的计算结果，并按上述顺序标明，如图4所示。

图4　行、列间距对绕组最高温度及进出口冷却液压降的影响

随着行间距的增大，绕组温度在逐渐增加，而增幅趋势逐渐减小，增幅由7℃缓慢降低为2℃；但是冷却流道的压降却从x=1开始陡峭下降，至x=1.6下降近300 Pa，而此后下降则趋于平缓，直到最后x=3.1处总共只降了100 Pa左右。综合温度与压降2个方面考虑，扰流片的行间距比例确定为x=1.6，即行间距为8 mm。

随着列间距的增大，电机定子的温度在逐渐升高，冷却流道压降在逐渐降低，其升高和降低趋势均较平稳，基本呈线性影响。优先考虑冷却效果，最终选择冷却效果最佳的列间距比例y=1，即列间距为5 mm。

2.3扰流片优化结构分析

经过上述一系列仿真计算对比分析，最终将冷却流道的优化方案定为扰流片与冷却液流动方向的夹角为30°的叉排方式，行间距为8 mm，列间距为5 mm。将无扰流片和有扰流片优化后的电机定子流道结构、冷却液流场、定子温度场进行比较，以分析此方案的优化效果，结果分别如图5～图7所示。

图5　冷却流道结构

图6　冷却液流场

图7　电机定子温度场

将以上仿真计算结果进行处理，电机定子最高温度分别为98.4℃和95.8℃，由于初始温度为60℃，所以优化前、后的定子绕组的温度上升值分别为38.4℃和35.8℃，优化后比优化前绕组温升值降低了7.3%，其散热能力得到了显著的提高。这是因为在冷却流道中加入扰流片，增加了换热面积，加大了冷却液的湍流度，使得冷却流道与冷却介质固液之间的热量传递更加充分有效，冷却效果得到了理想的提升。

此外，定子绕组部分的温度分布略不均匀，这是因为扰流片增强了冷却流道的传热效率，冷却液多吸收了1 000 J的热量，温度上升加快，使得冷却流道后半程的冷却效果较前半程有所下降，从而导致后半部分绕组温度略高于前半部分。但是从总体来看，绕组的最高温度降低了2.6℃，冷却效果还是得到了很大的提升，证明此优化方案是可行的。

3优化结构的理论解析

为了对上述热仿真计算结果的可信性进行验证,采用Simulink软件对优化前、后的电机传热进行计算,将所得结果进行对比。电机定子绕组温度经验公式[13]如下:

其中,Rq为电机热阻;tq为热时间常数;Cq为定子的热容量;k为采样时间;Pq为电机总的发热功率。

在上述公式中,对温度影响最大的因素是电机热阻,而优化水道所改良的正是电机热阻中一部分的水道热阻,根据以下公式对结构优化前、后的电机热阻[14-15]分别进行计算。

(1)铁芯与机壳的热阻。

其中,R为空气层热阻;μ为空气导热系数;S为导热面积;L为装配间隙。

(2)机壳与冷却水的热阻。

其中,Atol、Abot、Abot'分别为水道内表面传热总面积、水道底面面积、机壳外表面积;hm、hm′分别为水道内表面和机壳外表面对流散热系数；kAl为水道机壳材料的导热系数。

通过上述公式计算出电机定子优化前、后的热阻值,使用Simulink软件对电机定子绕组温度进行计算,温升曲线如图8所示。

图8　Simulink仿真绕组最高温升曲线

分别将优化前、后电机热阻的数值计算结果、Simulink仿真结果以及Fluent仿真结果进行对比,见表3所列。

表3　扰流片优化前、后计算结果对比

在冷却流道中加入扰流片,加大了固液换热面积,增大了固液接触面对流换热系数,减小了传热热阻,从而强化了冷却效果。

对计算结果进行比较发现,Simulink所得的优化温度降低值为3.9℃,而CFD仿真为2.6℃,这是由于Simulink的计算是理论计算,无法体现由于扰流片的加入导致冷却液流动性的降低,从而一定程度上降低了其散热性能,所以Simulink计算得到的温度降低值略高于CFD仿真值,这一差值是合理的。

4结束语

本文提出在电动汽车驱动电机定子的光滑冷却流道中加入扰流片以强化传热,并对扰流片的结构提出了多种设计方案。对各方案建立了三维模型,使用计算流体力学CFD软件进行了热仿真计算,通过对比分析获得了扰流片的最优结构方案,从而提高电机定子冷却流道的冷却效果。

(1)通过扰流片的排列方式、排列角度、行间距、列间距4个方面对电机定子进行一系列的热仿真计算。通过综合考虑,最终将优化方案定为扰流片与冷却液流动方向的夹角为30°的叉排方式,行间距为8 mm,列间距为5 mm。

(2)根据最终确定的优化方案,对电机定子建立三维模型,并使用CFD软件对其温度场进行计算。优化后的定子绕组最高温度比优化前降低2.6℃,结果较为理想。

(3)最后采用Simulink软件对CFD仿真计算结果进行了验证。

[参考文献]

[1]殷红敏.汽车冷却系统计算研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32(Z1)：128-130.

[2]张舟云,徐国卿,沈祥林.用于电动汽车的电机和驱动器一体化冷却系统[J].同济大学学报:自然科学版,2005,33(10):1367-1371.

[3]钱洪.高能量密度电机水冷系统设计与选用[J].电机与控制应用,2013,40(1):9-12.

[4]Zheng P,Liu R,Thelin P,et al.Research on the cooling system of a 4QT prototype machine used for HEV[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,2008,23(1):61-67.

[5]Staton D A,Cavagnino A.Convection heat transfer and flow calculations suitable for electric machines thermal models[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(10):3509-3516.

[6]李军强,臧希喆,赵杰.基于有限元法的磁流变阻尼器三维仿真研究[J].系统仿真学报,2009,21(17):5594-5596.

[7]杨世铭,陶文铨.传热学[M].第3版.北京:高等教育出版社,1998：197-211.

[8]郭军朝,夏青松,史建鹏,等.电机散热仿真分析[J].汽车科技,2013,1(1):44-47.

[9]靳廷船,李伟力,李守法.感应电机定子温度场的数值计算[J].电机与控制学报,2006,10(5):492-497.

[10]李伟力,李守法,谢颖,等.感应电动机定转子全域温度场数值计算及相关因素敏感性分析[J].中国电机工程学报,2007,27(24):85-91.

[11]Kim W G,Lee J I,Kim K W,et al.The temperature rise characteristic analysis technique of the traction motor for EV application[C]//The 1st International Forum on Strategic Technology.IEEE,2006:443-446.

[12]Wrobel R,Mellor P H,Holliday D.Thermal modeling of a segmented stator winding design[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2010,47(5):2023-2030.

[13]孙殿忠,桂存兵.工业机器无刷电机的过热保护[J].重型机械,2010(3):28-30.

[14]王淑旺,赵卫建,唐志国,等.纯电动汽车水冷电机控制器的热仿真和热分析[J].微特电机,2013,41(9):11-13.

[15]Marignetti F,Colli V D,Coia Y.Design of axial flux PM synchronous machines through 3-D coupled electromagnetic thermal and fluid-dynamical finite-element analysis[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(10):3591-3601.

(责任编辑胡亚敏)

Optimal design of the spoiler in cooling channel of liquid-cooled motor

HAO Jia-xin,TANG Zhi-guo,LI Hui-qing,JIANG Chao

(School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Abstract:Due to compact volume,high power density and relatively closed working condition of the driving motor in electric vehicle,the production and dissipation of heat have become the important subject in the motor design.In order to improve the cooling performance of the liquid-cooled driving motor,spoilers are proposed to add in the stator’s cooling channels for enhancing heat transfer,and a variety of structural schemes of spoilers are designed.For all schemes,the three-dimensional models of the stators are built,and the temperature field and flow field of all schemes are simulated by the computational fluid dynamics(CFD)software.By comparing the strong and weak points of each scheme,the structural optimization of spoilers is made.Then the theoretical analysis of the most optimal scheme is carried out by Simulink software.The feasibility of the optimized structure is verified through comparing the calculation results with the CFD simulation results.

Key words:electric vehicle;liquid-cooled motor;cooling channel;spoiler;thermal simulation

收稿日期：2015-07-01；修回日期：2016-02-10

基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2013BAG13B00;2014BAG06B02)

作者简介：郝嘉欣(1990-),男,山西太原人,合肥工业大学硕士生;唐志国(1978-),男,安徽安庆人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.002

中图分类号:TM351

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0440-05