车用电机温度场分析与冷却结构选择

王钰琦，黄晓艳,2，方攸同

(1.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027; 2.浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室，杭州 310027)

0 引 言

电机是驱动电动汽车的重要部件，具有高功率密度、高转矩的特点。过高的电机温升会破坏电机材料，减弱电机负载能力，影响电机运行稳定性及使用寿命。因此准确计算电机温升并合理设计电机冷却系统在电机设计过程中具有重要的意义[1]。

电机温升的计算，主要采用等效热网络法和数值计算法。数值计算法计算精度高，但速度慢、对计算资源的要求高。文献[2-4]研究了电机各部分热性能参数的等效方法，通过等效处理，提高数值计算速度。

电机水冷主要将机壳部分制作成冷却通道，文献[5]提供了使用计算流体力学(CFD)研究电机冷却结构的方法，文献[6-7]分析了螺旋型冷却水道散热特性，文献[8-9]指出了电机水道结构中加入肋片对提升冷却效果有积极作用。

本文采用计算流体力学(CFD)数值计算方法，对电机进行全域温度场分析。比较螺旋型、周向型和轴向型三种不同水道结构对电机冷却效果的影响，并综合水泵功率、制造工艺等衡量指标，为选择电机冷却结构提供一定参考。

1 三维永磁同步电机数值计算模型

1.1 永磁同步电机模型参数

本文采用的电机为电动汽车用永磁同步电机，电机参数如表1所示，结构如图1所示。

表1 电机参数

图1 电机结构示意图

1.2 三种不同水道结构模型

本文研究的3种不同水道结构分别为螺旋型、周向型和轴向型。

图2 3种不同水道结构

螺旋型水道结构中，水流由入水口沿螺旋水道圆周方向层层绕流，直至出水口。周向型水道结构中，水流沿圆周方向流过一周，经过间隙再反向流动，周期循环至出水口。轴向型水道结构中，水流从入水口沿轴向方向，从水道一端流向另一端，再沿间隙绕过，反向沿轴向流动，循环往复直至流出。

根据电机参数，选取3种水道结构截面积均为130 mm2，散热面积均约为700 cm2。

1.3 水道流体模型确定

流体流动状态分为层流和湍流，由雷诺数进行判断[10]。计算流体力学(CFD)软件需要根据流体流动状态确定流动模型，以便于求解。

(1)

式中,Rex为雷诺数，无量纲；ρ为流体密度，kg/m3；u为流体的速度，m/s；η为流体的动力粘度，kg/(m·s)；d为水力直径，m；A为管路截面的润湿面积，m2；x为管路截面的润湿周长，m。

对于长方形管道，一般认为临界雷诺数Recr=2300。Re<2300，则流体流动状态为层流；Re>2300，流体流动状态为湍流。

流体流速取v=8 L/min，根据设计参数得到雷诺数为Re=20061。因此确定本文流动模型为湍流模型，采用CFD中双方程模型，即标准k-ε模型进行求解。

1.4 电机绕组热性能的等效处理

由于电机结构及其实际工作环境相对复杂，完全建模将消耗大量计算资源及计算时间，为降低仿真难度且获得较为准确的热仿真结果，需要对绕组的热性能进行等效处理。

定子槽内绕组部分包含铜导线、漆膜、槽绝缘、空气，将槽内所有部件等效为一个实体，计算其等效导热系数，在保证其热性能等效的前提下，简化运算。根据文献[10]，利用如下公式计算绕组的等效导热系数。

(2)

式中,λj为槽内等效实体的等效导热系数，W/(m·℃)；δi为单个槽内各部分等效实体的厚度，m2；λi为单个槽内各部分等效实体的导热系数，W/(m·℃)。

1.5 电机热源的确定

永磁同步电机热源为电机的各项损耗，根据损耗产生的位置，针对实验用电机分别计算定转子铁芯的铁耗、绕组铜耗及永磁体涡流损耗。各部分损耗密度如表2所示。

表2 电机各部分损耗密度

2 电机温度场的仿真与分析

采用计算流体力学(CFD)仿真软件，分别对3种不同水道结构下电机温度场进行仿真。探究3种不同水道结构对电机冷却效果、温度分布的影响。

2.1 电机整机温度分析

在流体流速为8 L/min时，观察电机整机温升的情况，得到结果如图3所示。

图3 电机整机温度

轴向型水道电机整体温升最低，冷却效果最好，周向型水道次之，螺旋型水道电机温升最高，冷却效果最差。

2.2 电机各部分温度分析

为探究冷却水道结构对电机各部分冷却效果的影响，对电机各主要部分进行温度分析。在3种不同冷却水道下，水道、转子、定子、绕组温度比较情况如图4～图7所示。

图4 3种水道结构温度分布

水道温度呈现入水口较低，出水口较高的分布。入水温度为70 ℃，水流沿水道流动吸收热量，越靠近出水口吸热越多，因此温度越高。对比3种不同水道结构，轴向型水道温升最低，周向型水道次之，螺旋型水道温升最高。

图5 3种水道结构下电机转子温度分布

电机转子温度呈现中心与转轴连接处较低，外围与永磁体连接处温度较高的分布。转轴非热源，因而温度较低，永磁体涡流损耗增加转子外围温度。对比3种不同水道结构，轴向型水道温升最低，周向型水道次之，螺旋型水道温升最高。

图6 3种水道结构下电机定子温度分布

电机定子温度呈现外围轭部与机壳相接处温度较低，内侧齿部与绕组相接处温度较高的分布。外围水道能够有效降低定子温度，使得轭部降温明显；绕组铜耗较高，提升内侧齿部温度。对比3种不同水道结构，轴向型水道温升最低，周向型水道次之，螺旋型水道温升最高。

图7 3种水道结构下电机绕组温度分布

电机绕组温度呈现中间槽内绕组温度较低，两侧端部绕组温度较高的分布。槽内绕组受水道冷却效果明显，且水道入水位置绕组温度低于出水位置。对比3种不同水道结构，轴向型水道温升最低，周向型水道次之，螺旋型水道温升最高。

2.3 电机温升理论分析

对流换热是指运动的流体与它所流经的固体表面之间的换热过程，采用水冷方式的电机主要通过水道与电机间对流换热过程散热。根据牛顿冷却定律，对流换热的热量与对流换热系数、换热面积以及壁面与水道的温度差成正比。

φ=hA(TW-Tf)

(3)

式中，φ为换热功率，W；h为对流换热系数，W/(m2×℃)；A为对流换热面积，m2；TW为壁面温度，℃；Tf为水道温度，℃。

对流换热系数反映对流换热能力的强弱，与影响换热过程的诸多因素有关，包括对流运动成因和流动状态、流体的物理性质(随种类、温度和压力而变化)、传热表面的形状、尺寸和相对位置等，难以进行数值计算。因此本文采用回归分析方法，归纳电机整机温升与水道结构形状的关系，构建回归方程，以便更准确的衡量不同结构水道的散热效果。

2.4 电机温升回归分析

为更加准确的探究电机温升与水道结构形状的关系，采用多元线性回归的方法，定量分析水道结构对电机整机最高温度的影响。

图8 3种水道结构下电机整机最高温度

水道结构形状为定性变量，定义变量如下

通过回归分析得到电机整机最高温度与流体流速及水道结构形状的表达式。得到回归方程如下

TMAX=131.9-3.7Q+1.9X1+0.5X2

(4)

回归方程以定量的方式解释了相对于轴向型水道(X1=X2=0)，螺旋型水道(X1=1；X2=0)电机平均最高温度提升1.9 ℃，周向型水道(X1=0；X2=1)电机平均最高温度提升0.5 ℃。

3 水道管流压降分析

3.1 水道管流压降

在流体流速均为8 L/min的条件下，3种不同水道结构管流压降的仿真结果如图9所示。螺旋型水道管流压降最低，对水泵功率的要求最小，周向型水道次之，轴向型水道管流压降最高，且相对于螺旋型及周向型水道有大幅升高。

图9 3种水道结构下管流压降分布

3.2 管流压降理论分析

管流压降大小决定了所需水泵功率的大小，对于电机冷却水道设计具有重要影响。管流压降是由水道阻力引起的，在计算过程中，水道的阻力分为沿程阻力以及局部阻力，单位用水柱高度表示[11]。

(5)

(6)

式中，Hf为沿程阻力，m；ξ为沿程阻力系数，无量纲；L为水道长度，m；de为水道当量直径，m；g为重力加速度，9.98 m/s2；v为流体在水道内平均速度，m/s；Hj为局部阻力，m；ξ为局部阻力系数，无量纲。

水道的总阻力为

Ht=Hf+Hj

(7)

轴向型水道相对于螺旋型水道及周向型水道弯折较多，局部阻力较大，因此管流压降较大。但由于沿程阻力系数及局部阻力系数难以准确计算，无法通过数值计算准确解释3种不同水道结构对管流压降的影响。因此同样采用回归分析方法，归纳管流压降与水道结构形状的关系，构建回归方程，以便更准确衡量不同结构水道对管流压降的影响。

3.3 管流压降回归分析

为更加准确的探究管流压降与水道结构的关系，采用多元线性回归的方法，定量分析水道结构对管流压降的影响。

图10 3种水道结构管流压降

用与2.4相同的方式定义变量，通过回归分析方法得到3种水道管流压降与流体流速和水道结构形状的表达式。得到回归方程如下

ΔP=3317.5+1935.1Q-12173.7X1-10898.4X2

(8)

回归方程以定量的方式解释了相对于轴向型水道(X1=X2=0)，螺旋型水道(X1=1；X2=0)平均管流压降降低12173.7 Pa，周向型水道(X1=0；X2=1)平均管流压降降低10898.4 Pa。

3.4 相同最高温度的下管流压降分析

通过改变水道散热面积，探究在电机最高温度相同的情况下，3种水道结构对管流压降的影响。以流体流速8 L/min为例，得到结果如图11所示。

图11 3种水道结构相同最高温度

图12 3种水道结构管流压降

在电机最高温度相同的情况下，螺旋型水道管流压降最小，周向型次之，轴向型管流压降最大。

3.5 相同管流压降下冷却效果分析

通过改变水道截面积，探究在水道管流压降及散热面积大致相同的情况下，3种水道结构对电机冷却效果的影响。以流体流速8 L/min为例，得到结果如图13所示。

图13 3种水道结构相同管流压降

图14 3种水道结构冷却效果

在水道管流压降大致相同的情况下，轴向型水道散热效果最优，周向型水道次之，螺旋型水道散热效果最差。

3.6 水泵功率计算

电机冷却散热所需水泵功率的大小主要由水道管流压降及流体流苏决定，根据[6]可知，水泵功率计算公式如下:

Pp=Q×ΔP

(9)

式中，Pp为水泵功率，W；Q为体积流速，m3/s；ΔP为进出水口压差，Pa。

计算可得各情况下水泵功率大小，便于对水道结构进行评价。

4 水道性能指标综合评价

电机冷却结构的选择需满足电机温度分布、水泵功率以及制作工艺的要求。以流体流速8 L/min的条件计算，得到3种水道结构衡量指标对比表3、表4及表5，根据综合要求进行电机冷却水道结构选择。

表3 水道截面积及散热面积相同时冷却性能比较

表4 电机最高温度相同时水泵功率比较

表5 水泵功率相同时电机最高温度比较

5 结 语

本文采用计算流体力学(CFD)仿真方法对电机的三维全域温度场进行分析，比较螺旋型、周向型和轴向型3种不同水道结构对电机冷却效果、水道管流压降的影响。在水道截面积及散热面积相同时，轴向型水道结构冷却效果最优，周向型次之，螺旋型最差；通过水道管流压降计算水泵功率，螺旋型所需水泵功率最低，周向型次之，轴向型最高。在电机最高温度相同时，比较3种水道结构所需水泵功率，螺旋型水道所需水泵功率最小，周向型次之，轴向型所需水泵功率最大。在所需水泵功率相同时，比较3种水道结构的电机冷却效果，轴向型水道最优，周向型次之，螺旋型最差。在进行冷却水道结构选择时可综合考虑电机温度分布、水泵功率、制造工艺等评价指标，根据具体要求进行选择。