考虑沸腾传热的车用永磁同步电机峰值工况温升特性研究

近年来,新能源汽车在国家政策的鼓励下发展迅速,高海拔地区的电动汽车保有量也在逐年增加。作为电动汽车关键部件的电机在高原地区的温升特性受海拔高度的影响较大,海拔越高,电机温升越大,输出功率越小。同时,温升又会影响电机整机性能,进而影响纯电动汽车整车在高原环境下的适应性

。电机温升过高还容易引起绝缘的损坏、永磁体退磁、结构强度降低、寿命急剧下降等问题

。在高原环境中,大气压强随海拔升高而降低,冷却液饱和温度降低,在这种情况下,电机冷却水容易产生沸腾现象,俗称开锅,导致冷却系统不只存在简单的单相流对流传热,还存在两相流沸腾传热现象

。研究沸腾传热条件下纯电动汽车电驱动系统永磁同步电机环境适应性特性,对电动汽车的高原环境适应性研究具有重要意义。

刘慧军等以某水冷电机为研究对象,对电机温度场和水道流场进行求解,分析了电机在不同冷却介质入口温度和流量、介质类型等因素下内部的流动传热情况

。丁树业等以一台双介质冷却的高海拔型双馈风力发电机为研究对象,得到电机在海拔4 km运行时,机壳内冷却水的流动特性及电机温度分布规律

。张琦等提出采用多物理场耦合分析水下电机损耗和冷却系统中流场和温度场的耦合关系,利用该方法得到冷却系统的计算结果

。Zhang等研究了永磁同步电机的水道长度、宽度、层数以及机壳厚度对电机冷却效果的影响

。RPI模型充分考虑了气泡的影响,能够对沸腾换热过程中两相流的流动状态进行准确分析。董非等将RPI模型应用到实际的内燃机缸盖冷却水腔的换热计算中,与缸盖火力面测点温度试验结果进行对比,比较该模型与纯对流换热模型的计算精度

。目前,对车用永磁同步电机的研究很少考虑在高原地区运行时由于海拔高度的升高导致冷却液沸腾的情况下电机的温升特性。

2) 无论墨西哥的生态环境和市场条件如何优越，但其竹产业却没有发展起来。但是，正如中国欠发达地区一样，竹建筑可以作为竹产业发展的引爆器，为从中国引进技术做好准备。

考虑电动汽车行驶过程中的加速、爬坡、超车等问题,本文以某95 kW车用永磁同步电机为对象,研究其在峰值工况下的温升特性。采用RPI沸腾传热模型,利用有限元仿真软件对电机温度场及温升特性进行了仿真分析,得到了两相流沸腾模型和单相流不考虑沸腾两种情况下的电机温度场分布及温升特性;同时,通过台架试验,验证了峰值工况时基于沸腾传热对电机进行温升特性计算的准确性,考虑沸腾传热的情况下电机绕组温度达到150 ℃所用的时间更接近试验结果。

1 计算基本理论

1.1 电机温度场计算模型

基于流固耦合传热的方法对电机三维温度场进行数值计算,根据传热学基本理论研究瞬态温度场,将其内部传热过程简化为含有内热源的三维瞬态导热问题

。用拉普拉斯微分方程描述电机热平衡方程,导热微分方程和边界条件为

(1)

式中:

、

、

为材料沿

、

、

方向的导热系数;

为固体待求温度;

为体热源密度;

为固体密度;

为固体的比热容;

为时间;

、

、

为求解域固体边界面;

为

边界的法向量;

为边界面温度;

为边界面热流密度;

为边界面对流换热系数;

为水套附近对流换热系数。

1.2 过冷沸腾传热数学模型

1

2

1 欧拉模型

欧拉两相流模型中,每一相都要满足一组能量方程

。其中,气相连续性方程为

(2)

动量方程为

(

+

lift,

+

wl,

+

vm,

+

td,

)

学校导向在产学研协同育人协同作用的影响因素是多层次的，采用层析分析法对该问题进行分析，影响因素选取及影响因素打分排序上遵循定性分析和定量分析相结合的原则。步骤如下：

(3)

式中:

为气泡成核频率;

为从气泡脱离到下一气泡产生的等待时间;

为液相的导热率;

为液相的密度;

,lip

为液体比定压热容;

为液体温度;

为参与萃取热流的壁面比例;

为气泡脱离时换热受到影响的核化点附近面积与气泡面积的比;

为气泡脱离直径;

为核化点密度。

(4)

气泡脱离频率

1

2

2 壁面沸腾传热模型

《普通高中生物学课程标准（2017版）》（以下简称新课标）的基本理念是：以“生命观念、科学思维、科学探究和社会责任”学科核心素养为宗旨，内容聚焦大概念，教学过程重实践，关注学生主动参与，关注学生实践，动手结合动脑。教师围绕着生物学大概念来组织并开展教学活动，通过设置合理的教学情境，基于学生动手活动或对资料的分析及探究，将有助于学生对知识的深入理解和迁移应用，有利于促进学生对生物学概念的建立、和应用理解。

流动沸腾中壁面热流密度的计算模型认为壁面上的热量首先传递到临近壁面的过热液体微层上,热量传递过程分为气泡生长和等待两个时间段

。壁面传递的热量一部分用来产生相变,另一部分用来提高液相温度,壁面上总的换热热流包括壁面导热、气泡换热以及未被气泡覆盖的壁面与液体的对流换热3个部分,即

地方政府的激励成本包括两个部分：政府激励政策有效，相应的政策法规出台和宣传所花费的成本为C1。政府激励政策有效，开发商积极建设被动房，政府对这些开发商进行奖励所花费的成本为C2。下面是使用MATLAB仿真得出的图3，图像的纵轴是政府激励政策无效的概率，横轴是推广时间，因此曲线反映了概率水平随着推广过程进行产生的变化。

=

+

+

(5)

式中:

为未被气泡覆盖的壁面与液体的对流传热热流;

为在气泡脱离壁面后周围过冷液体涌入壁面所产生的类似萃取热流;

为气泡生长周期中相变产生的热流。

萃取热流由下式计算

(6)

(7)

能量方程为

不考虑气泡间的相互作用,壁面与液体间的对流传热热流密度由下式计算

=

,lip

(1-

)(

-

)

(8)

式中:

为Standon数;

为近壁面液相的速度。

为了合理简化求解过程,在进行有限元仿真计算之前,作出以下基本假设

:

女性生殖器与泌尿系解剖关系紧密，盆腔复杂手术是造成输尿管损伤的常见原因[2]，且输尿管解剖特殊[3]，在盆腔部分腹膜后走行，不易在直视下显露，加上盆腔慢性炎症、粘连、出血、肿瘤浸润、盆腔解剖变异或手术操作不慎等原因均可造成输尿管损伤。考虑到该患者手术存在复杂程度高、范围大的可能性，故在术前置入双 J 管，以便术中以此作为辨认输尿管的标志。这对输尿管存在移位及无法直视情况下的准确操作尤为有利，能大大降低操作的盲目性，对预防输尿管损伤有较好的指示作用。该患者盆腔包块巨大，手术视野暴露困难，术中用触摸的方式明确输尿管的位置，很好地避免了损伤，完整切除包块，也缩短了手术时间，减少了出血。

(9)

式中:

为气相的密度;

为液体的汽化潜热。

*本文为江苏省2018年度社科基金项目“基于语料库的江苏海外形象构建研究”（编号：18YYC001）和江苏省2017年度高校哲学社会科学研究基金项目“1946-2016年美国两党国情咨文的批评认知研究”（编号：2017SJB0540）的阶段性成果。

=[185(

-

)]

1805

(10)

1

2

3 沸腾气泡子模型

气泡脱离直径

所以把窗户关上不但不是坏事，而且成为必须要做的事。如果想做一个保有巨大创造力和思悟力的人，还是需要想想这两个字：清寂。由此我们可以理解美国那个梭罗跑到湖边林子里封闭自己的奥妙，他种地写作，想些事情，清心寡欲。这果然使他聪明了许多，比别人特殊了一些。他知道的事情都是城里人闹市中人所不知道的，而那些人知道的，大致都是一些重复了无数遍的东西，所有那一切都登在报上印在书上，知不知道、早一点知道晚一点知道都无大碍。

(11)

式中

为液相的饱和温度,随冷却水的压力而变,在冷却水压力为0.7×10

Pa、1×10

Pa时分别为89.96 ℃、100 ℃。

(12)

(1)电机绕组、定子铁芯、转子铁芯以及永磁体产生的热量均匀分布在各部件;

气泡等待时间

=0

8

(13)

2 有限元模型建立及边界条件设置

2.1 电机基本参数

本文以一台48槽

8极永磁同步电机为研究对象,电机为水冷散热,基本参数如表1所示。

2.2 损耗计算

电机运行时产生的铜损耗、定子和转子铁耗以及永磁体涡流损耗是引起电机发热的主要原因,准确计算电机各部件的损耗是电机温升分析的首要条件

。电机运行时的所有损耗为

=

+

+

+

+

(14)

式中:

为电机总的损耗;

为定子绕组铜耗;

为转子铁耗;

为定子铁耗;

为永磁体涡流损耗;

为机械损耗和杂散损耗之和。

本文利用Maxwell对电机进行峰值工况下的瞬态电磁仿真计算,得到电机各部件在峰值工况下的具体损耗值,样机在峰值扭矩下运行时的热源分布计算值如表2所示。

2.3 温度场模型

相变热流密度

式中

为重力加速度。

(2)忽略轴承摩擦损耗和风摩损耗;

(3)忽略温度对电机各个部件的导热系数以及表面对流换热系数的影响;

(4)电机内部各材料传导介质均为各同向性。

从图1中可以看出，我国各个省份(直辖市、自治区)都已经建立了各种形式的文化创意产业园区，而且经济比较发达的省份及地区，其园区的数量也比较多.

为了简化计算模型,提高计算准确度,本文建立包括机壳、冷却水、定子、绕组、转子、永磁体、轴的温度场求解模型,忽略了对电机散热影响较小的机座部分,模型如图1(a)所示,样机冷却水道为螺旋状,如图1(b)所示。

2.4 边界条件

2.4.1 对流换热边界条件

(1)冷却水入口设置为速度入口边界,试验测试流速为8 L/min;

(2)冷却液出口设置为零压力出口;

(3)仿真计算中流固耦合面为无滑移边界条件;

2.4.2 高原环境边界条件

(4)电机各零件端面散热系数参考文献[24]进行处理。

水泥胶砂试件的制作，根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671—1999试验规范进行试验。按照龄期从1～28 d分别选取试件进行抗折强度值测量，每天试验选用1组试件，记录整理数据并计算抗折强度平均值。

目前，在中国新能源汽车产业的战略布局中，财政补贴作为直接政策工具正在逐渐退出，传统车辆的牌照购买限制、出行限制等无形成本对于提高新能源汽车的市场竞争优势正在发挥日益重要的作用［1，2］，而2018年4月1日起正式实施的“双积分”政策 （《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》）则可以进一步保障中国到2020年实现新能源汽车年产销200万辆的任务。由财政补贴政策到 “双积分政策”的转变，体现了中国新能源汽车的战略布局由鼓励先进转向制约落后［3］，政策的精准性以及有效性是新能源汽车产业培育的关键［4］。

(1)取海拔3 km高度为仿真模拟环境,大气压强0.7×10

Pa,冷却水饱和温度为90 ℃

;

(2)两相流进口流体为水,水的体积分数为1,水蒸气的体积分数为0

;

(3)液相温度为入口水温,液相水为连续相,采用湍流双方程模型;水蒸气为离散相,采用零阻力传热模型,离散相的壁面为自由滑移壁面条件。

2.5 温度场求解

当电动汽车从经济时速匀速行驶到突然爬坡时,仿真计算电机从额定工况38 kW、4 000 r/min到峰值工况95 kW、4 320 r/min下的瞬态温度场,峰值工况的计算是将额定工况运行下的绕组温度达到80 ℃时作为前置工况;然后,将额定工况热源改为峰值工况热源继续计算,在有限元软件中设置好热源、导热系数等相关参数,达到设置瞬态热分析仿真计算时间为120 s,两相流沸腾传热计算模型采用RPI沸腾传热模型,得到峰值工况下电机绕组温度达到150 ℃左右时电机的温度仿真云图,如图2所示。此时的电机定子最高温度为122.594 ℃,转子最高温度为103.4 ℃,永磁 体最高温度为103.113 ℃,整机最高温度依然是绕组端部,为150.895 ℃。由于电机最高温度出现在绕组的端部,所以本文主要研究绕组端部温升情况。

富家坞矿石中铜矿物大部分都是黄铜矿，另有少量的斑铜矿、辉铜矿、铜蓝等；钼矿物主要是辉钼矿；其他金属矿物有黄铁矿以及微量的赤铁矿、磁铁矿、闪锌矿、方铅矿等。脉石矿物以石英、长石为主，其次有方解石、绿泥石等。

3 模型验证及计算结果分析

图3为电驱动系统性能测试台架。在样机端部绕组的内侧放置热电偶测取温度,通过恒温水箱控制进水口温度,通过软件控制系统的时间基准,实现所有测量数据的实时同步测量与记录,可以保证数据的时效一致性。

根据绝缘耐温等级要求,绕组最高温度不得高于150 ℃,同时根据电动汽车实际使用工况,峰值工况下绕组达到最高温度150 ℃所需的时间不得低于30 s的可靠性考核要求。图4为电机在峰值工况下运行时绕组的温度变化曲线。由图可知,样机试验在26.62 s时绕组温度达到150 ℃,基于沸腾传热的两相流仿真计算温度在32.55 s时绕组温度达到150 ℃,单相流仿真温度在37.04 s时绕组温度达到150 ℃。通过仿真计算结果与试验数据对比分析可知,两相流仿真结果与试验数据更接近,说明电机从额定工况到峰值工况运行时,冷却水内部有产生沸腾传热现象,采用气液两相流沸腾传热模型,考虑冷却水的沸腾传热更加符合电机冷却水套内冷却水的流动传热的实际情况。

强化监测，科学研判。气象、水文部门切实加强了对天气、水量、水质和墒情的监测，科学分析和研判旱情发展趋势。省防指根据监测预报情况，综合旱情发展状况，于7月25日启动了全省抗旱Ⅲ级应急响应，31日又将应急响应级别提升到Ⅱ级，并要求各级各部门按照应急响应要求，全力做好抗旱救灾工作。

4 不同因素对沸腾换热的影响分析

沸腾传热机理复杂,在发生相变的过程中会受到海拔高度及冷却水进口温度等因素的影响,所以研究电机冷却液进口温度、大气压强对电机温升的影响具有重要的意义。

4.1 进口温度对电机温升的影响

在0.7×10

Pa和0.9×10

Pa大气压强下,气相气泡直径为1 mm,冷却水进口流速为8 L/min时,不同的冷却液进口温度下,基于两相流沸腾传热计算所得到的电机从额定工况到峰值工况95 kW、4 320 r/min下绕组温升特性,如图5所示。

由图5可知,随着冷却液进口温度的升高,电机绕组达到150 ℃所用的时间越少,具体所用时间如表3所示。这是因为降低冷却液温度能够增强传热,冷却液流经电机定子壁面时,冷却液进口温度越低,与电机定子壁面的温差也就越大,吸收的热量也就越多;同时,由于冷却液流速相同,随着进口水温的升高,水道内产生的气泡数量增加,气液两相之间的扰动减弱,冷却系统换热强度减小,电机的温度增加。此外,气泡数量增加,沸腾产生的气泡不易被主流区液体带走,此时壁面上附着气泡较多,对流传热热流及萃取热流减少,总的热流下降也将导致电机温度增加。

4.2 大气压强对电机温升的影响

工程上往往可以通过提高冷却系统压力来抑制冷却液的沸腾,但是压力增加会导致冷却系统的压力损失增加,也会加大水泵的功率。压力对自然对流换热影响很小,可忽略不计,但是对于过冷沸腾传热,冷却液饱和温度随着大气压强而改变。在冷却水进口流速为8 L/min、气泡直径为1 mm下,进口温度为80 ℃时,电机在0.7×10

Pa、0.9×10

Pa和1×10

Pa大气压强下下,基于两相流沸腾传热计算所得到的电机从额定工况到峰值工况95 kW、4 320 r/min下绕组的温升特性,如图6所示。各个进口温度及压强对应的时间如表4所示。

由图6可知,在相同进口水温和流速下,电机的温升特性随着大气压强的降低而下降,进口水温为80 ℃时,在1×10

Pa和0.7×10

Pa大气压强下绕组温度达到150 ℃所用的时间见表4,即大气压强较大时电机更早达到高温。这主要是因为电机在高海拔地区运行时,随着海拔的升高,大气压强下降,冷却液的饱和温度随大气压强的降低而降低。在相同热源下,冷却液所处的环境大气压强越低,沸腾程度越强,沸腾传热效果越好,此时沸腾传热作用加强,近定子壁面水蒸气分布较多,电机温度下降。随着大气压强升高,气相体积减少,沸腾传热减弱,由于流速不变,对流换热几乎不变,总的换热效率降低,电机温度升高。因此,电机从额定工况到峰值工况95 kW、4 320 r/min时,高原地区温升特性优于平原地区。

4.3 进口流速对电机温升的影响

在0.7×10

Pa大气压强下,取气相气泡直径为1 mm,冷却液进口温度80 ℃,改变冷却液进口流速分别为7 L/min、8 L/min、9 L/min、10 L/min,基于两相流沸腾传热计算所得到的电机从额定工况38 kW、4 000 r/min到峰值工况95 kW、4 320 r/min的绕组温升特性如图7所示,各个进口流速对应的时间见表5。

第二，古村古镇群的共性特征是其合作的重要基础，古村古镇的悠久历史文化和当地传统风土人情，能满足旅游者的猎奇心理和自我提升的需求，潜移默化地起到教育作用。宁静悠闲的氛围环境是其满足旅游者放松休憩需求的基本条件，也是部分旅游者的出游动机。旅游基础设施和服务是多数古村古镇发展的短板，是亟需改善的薄弱点。古村古镇作为一类相对平和自然、注重生活体验的特殊旅游地，携手扬长避短，共同铸造统一品牌，共同构建旅游产品组以做大产品体量，强化市场影响，形成市场吸引力，特别是对远程市场的吸引力，意义重大。

从图7可以看出,电机绕组的温度随流速增大而降低,表现为随流速增大,绕组的温度达到150 ℃时所需的时间越长,即绕组温度越。这主要是因为随着流速的增大,水套内两相之间的湍流扰动作用增强,湍动能增加,对流换热作用增强,但相互之间时差几乎可以忽略不计。因此,在实际工程应用中,可以较少地考虑流速的影响,选用功率较小的水泵也能满足要求,减少电机运行过程中水泵的功率损失。

5 结 论

(1)对比仿真数据与试验数据发现,电机在峰值工况运行时,考虑沸腾传热的情况下电机的温升特性更接近试验结果,在峰值工况研究电机的温升特性应该考虑冷却系统的两相流沸腾传热现象。

(2)在0.7×10

Pa及0.9×10

Pa大气压强下,在峰值工况下电机的温升特性随着冷却液进口温度的升高,电机绕组达到150 ℃所用的时间减少。因此,在高原环境下为了电动汽车的行驶安全性,要尽量的降低冷却水的进口温度。

(3)在平原或者高海拔环境下,电机在峰值工况运行时的温度增长速率均随着冷却水进口水温的增大而增大,而电机的温度随着大气压强的降低而下降,即电机由于冷却水的相变两相流沸腾传热现象,在高海拔地区运行时的温升特性比平原地区更好。

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