油水复合冷却下永磁同步电机温升特性

何联格，胡书凡，屈 翔，严 新

(1.重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054；2.北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室， 北京 100192；3.重庆青山工业有限责任公司， 重庆 402761)

0 引言

在当今能源枯竭的情况下，新能源汽车将逐渐替代传统燃油车。由于新能源汽车中电机结构十分紧凑，导致电机散热变得比较困难[1]，而永磁同步电机在新能源汽车上应用十分广泛。电机在长久的工作过程中，过高温升往往会引起电机一系列的问题，而这些问题通常影响着电机的使用寿命，甚至会使电机遭到破坏[2]。有研究表明，35%左右的永磁同步电机失效是因为电机温升过高而引起的[3]，因此，未来电机发展关键因素就是如何提高电机散热效率，增强电机冷却效果。

目前水冷和油冷是永磁同步电机最常用的2种冷却方式，为了提升电机的冷却效果，研究人员对这2种冷却方式展开了大量的研究，如，沈启平等[4]对水冷永磁同步电机进行仿真分析，研究冷却水道的温度分布情况；文献[5]设计出一种新型的轴向Z字型水道，不同于传统的Z字型水道，其水道截面形状为三角形，并通过实验证明相对于传统机壳冷却方式，该冷却方式冷却效果更为显著；文献[6-8]提出了3种水道结构的水冷方式(工字型、Z字型和螺旋型)，并对3种结构进行仿真计算分析，结果表明螺旋型水道的冷却效果优于其他2种，并对螺旋型水道做了深入的研究分析。

水冷方式虽然被广泛应用，但由于不能与电机内部发热部件直接接触，导致某些部件温度较高，电机内部温差较大。因此大量研究人员将目光投向油冷，如，杜爱民等[9]针对混合动力汽车用永磁同步电机结构紧凑、散热难的特点，采用电磁场与温度场耦合的有限元分析方法对油冷冷却条件下的永磁同步电机的三维温度场进行了计算；瑞典皇家理工学院的Nategh等[10]提出了在其定子上开油槽的油冷方式，增强了电机绕组端部的冷却效果；Park等[11]提出一个将轮毂电机冷却效果提25%的方法，就是在其原有的油冷结构基础上进行优化，使其冷却通道从单通道变为多通道喷油。虽然油冷相对于水冷有着较强的优势，但其成本也相对较高，难以广泛使用。

本文在前人研究的基础上，针对绕组端部散热难、局部温升高这一问题，以一台额定功率为38 kW、额定转速为4 000 r/min的永磁同步电机为研究对象，在保持其螺旋型水道的前提下，设计出绕组端部喷油管，对其在4种典型工况下电机的温升特性进行了研究。

1 模型及参数确定

1.1 移动粒子半隐式法

MPS算法为移动粒子半隐式算法[12]。它是计算流体方法中最具权威的一个体系——基于拉格朗日体系，近年来Khayyer等[13]提出该算法的高阶源项模型以及对其压力模型的进一步改进。

MPS算法最大的优势是流体无网格，把流体定义为一颗颗细小的粒子，能够更高精度地捕捉流体的流动轨迹，使流体仿真更接近实际，特别适用于减速器齿轮搅油和电机喷油冷却。

1.1.1控制方程

连续方程[14]

(1)

Navier-Stokes 方程

(2)

1.1.2MPS算法

除压力项的显示计算

(3)

压力的隐式计算

(4)

通过压力梯度进行速度和位置校正

(5)

式中：P为压力；ρ为密度；k为时间步长，n为粒子数密度；*为阶段物理量[14](完成显式计算)；n0为初始状态下的粒子数密度。

1.1.3粒子数密度与核函数

Shakibaeinia等[15]建立的核函数。

(6)

粒子数密度

(7)

1.1.4粒子作用模型

梯度矢量模型

(8)

式中：d为空间维数；φ为要计算的物理参数[14]；n0为初始状态下的粒子数密度。

拉普拉斯模型

(9)

(10)

式中，λ在初始化起点处计算[14](该区域中所有粒子的平均值在整个瞬态计算中做常数)。

散度模型：

(11)

1.1.5边界条件

粒子数密度满足以下条件的粒子被认为是在自由表面上的粒子。

ni<βn0

(12)

式中：β为密度阈值[16](可示为一个小于1的常数)；n0为初始状态下的粒子数密度。

1.2 喷油冷却结构设计

油冷分为直接冷却和间接冷却2种方式。直接冷却是冷却油直接和发热部件接触并带走其热量的方式；间接冷却是冷却油流过冷却油道带走传导到油道上的热量。本文设计的油水复合冷却方案是采用直接油冷的方式，在绕组端部设计出喷淋油管，通过淋油的方式将冷却油喷淋到定子绕组端部上方，在重力作用下流动到绕组端部下方，带走绕组端部的热量，实现对绕组端部的冷却。这种喷淋方式会因喷油管的设计位置导致冷却不均匀，在临近喷油管位置的地方流量大且油温较低，冷却效果好，绕组端部下段的位置流量小且冷却油在流动的过程中被逐渐加热，冷却效果较差。

如图1和图2所示为水冷和油水复合冷却下电机的有限元模型；表1为喷油管结构参数。

图1 水冷结构有限元模型示意图

图2 油水复合冷却有限元模型示意图

表1 喷油管结构参数

1.3 电机损耗计算

本文采用Maxwell软件对永磁同步电机进行电磁损耗仿真计算。

表2和表3为电机进行电磁损耗分析所需基本参数以及材料的相对磁导率。硅钢片的B-H曲线如图3。

表2 样机基本参数

表3 电磁材料的相对磁导率

图3 硅钢片的B-H曲线

电机有4种典型工况。额定工况1：额定功率(38 kW)，额定转速(4 000 r/min)；额定工况2：额定功率(38 kW)，峰值转速(12 000 r/min)；峰值工况1：峰值功率(95 kW)，转折转速(4 320 r/min)；峰值工况2：峰值功率(95 kW)，峰值转速(12 000 r/min)。在这4种工况下对永磁同步电机的温升特性进行计算，其计算结果更能够直接反映电机实际的温升情况。

本文对电机电磁场仿真计算分析使用的软件为Maxwell，表4—7所示分别为样机在4种典型工况运行时的热源分布计算值。

表4 额定工况1各构件损耗 W

表5 额定工况2各构件损耗 W

表6 峰值工况1各构件损耗 W

表7 峰值工况2各构件损耗 W

2 电机温升特性研究

2.1 边界条件

本文借助于shonDy和shonTA软件对电机温升特性进行仿真计算。该模型中需要对电机冷却液入口的2种冷却物质进行参数设置。电机入口冷却油流量为6 L/min(质量流量为0.088 4 kg/s)，入口冷却油温度为80 ℃(353.15 K)；电机入口冷却水流量为8 L/min(质量流量为0.133 kg/s)，入口冷却水温度为70 ℃(343.15 K)。冷却物质的物理性质如表8所示。

表8 冷却物质的物理性质

2.2 温升特性

额定工况1和额定工况2下定子绕组的温度分布云图如图4。从图4可以看出，对绕组端部加增喷油管，定子绕组整体温度降低十分明显，图4(a)、(c)中可以看出水冷方案下绕组端部温度最高，且高温区与低温区温差较大(16、14 K)；从图4(b)、(d)中可以看出油水复合冷却方案下整体温度降低，虽然最高温度仍在绕组端部，但已从整个绕组端部转移到绕组端部的下端，且高低温区温差较小(6、4 K)；电机最高温度如表9。

图4 定子绕组额定工况温度场分布云图

表9 额定工况电机最高温度 ℃

图5为永磁同步电机油水符合冷却方案下不同油水复合比例下的温度云图，是在保持水的流量不变的情况下，采用不同冷却油的流量；表10为额定工况下不同油水复合比例下电机最高温度。从图表中可以看出在虽然增大冷却油流量会使绕组最高温度进一步降低，但是随着流量的增加其温度降低的趋势会越来越小。

图5 油水混合不同比例下温度云图

表10 油水不同比例下电机最高温度 ℃

图6为水冷永磁同步电机温升试验台架场景，本次温升试验是通过在电机绕组端部选取4处测温点埋置检温计的方法(见表11)，测出电机实际的温升情况，以便于与之后的仿真数据进行对比。

图6 温升台架试验场景

表11 4处采样点温度 ℃

由图7(a)可看出，额定工况1下，水冷电机温升试验得出绕组最高温度稳定在141 ℃；水冷仿真绕组最后温度稳定在133.85 ℃；油水复合冷却下绕组最高温度稳定在106.85 ℃，相比其水冷却绕组最高温度降低了27 ℃。由图7(b)可看出，额定工况2下，水冷电机温升试验得出绕组最高温度稳定在149 ℃；水冷仿真绕组最高温度稳定在142.85 ℃；油水复合冷却下绕组最高温度稳定在115.85 ℃，相比其水冷却绕组最高温度降低了27 ℃。在2个额定工况运行下，电机定子铁芯和绕组稳定状态下的温度分布云图复合油水复合冷却方案的设计要求。

图7 电机额定工况温升曲线

图8为峰值工况下电机温升曲线。由图8(a)可以看出，电机在水冷情况下达到150 ℃需要44 s，在油水复合冷却情况下达到150 ℃需要380 s；由图8(b)可以看出电机在水冷情况下达到150 ℃需要60 s，在油水复合冷却情况下达到150 ℃需要520 s；试验得出的标准是电机达到150 ℃所需的时间应超过30 s，故其性能复合要求。

图8 电机峰值工况温升曲线

3 结论

在电动汽车永磁同步电机水冷的基础上设计出油水复合冷却方案，对永磁同步电机温升特性研究，并对2种冷却方案下的永磁同步电机温度场进行对比和分析，得到如下结论。

1) 2种额定工况下，油水复合冷却方案较水冷方案下电机最高温度降低27 ℃，冷却效果提升20%、19%。

2) 2种峰值工况下，电机在油水复合冷却方案下达到150 ℃所需时间为380、520 s,其时间远大于水冷方案下电机达到150 ℃所需时间。

3) 定子铁芯和绕组在采用油水复合冷却方案下温度低于水冷方案，电机绕组最高温度大幅度降低，其高低温区温差较小，起到良好的温度均衡作用。