電機散熱仿真分析

郭軍朝，夏青松，史建鵬，章國光

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

電機的溫升是衡量電機性能的重要指標之一。為了降低電機的溫升，主要從電機的電磁設計及其冷卻系統設計方面進行改進。如果電機的電磁設計、結構設計與通風、熱計算相互配合，則可以提高電機的性能。

電機在能量轉化過程中會不可避免地產生損耗，如鐵心損耗、定子繞組的銅耗和機械損耗等，這些損耗會導致電機溫度升高。電機溫度過高會破壞電機絕緣材料和稀土永磁材料，使電機負載能力減弱，潤滑脂壽命下降，電機無法正常工作甚至燒毀。因此，對電機的冷卻，尤其是新能源汽車驅動電機的充分冷卻是電機開發過程中所必需考慮的問題。

本論文從流體和傳熱技術的角度出發，分析和比較了自主開發電機的冷卻設計方案，并對低流阻的設計方案開展了電機的散熱分析。

1 電機生熱基本理論

電機的損耗是求解冷卻水溫升不可缺少的參數，其值的大小與電機各部分的損耗有關系。影響電機發熱的損耗通常有銅耗、鐵耗及雜散損耗，其中銅耗和鐵耗均可以通過運用電磁軟件ANSOF計算得到。

1.1銅耗

銅耗是由運行時的電流通過定子繞組的電阻產生的損耗，感應電機轉子的銅耗是在端環和導條上流過電流時的損耗。銅耗的表達式如下：

式中：ρ0為材料在溫度T0時的電阻系數；T為溫度，β為溫度系數，J為電流密度。

計算繞組發熱時，銅耗PCu按其組成部件分成槽部銅耗和端部銅耗，其中兩者的取值與各自的長度相關［1］。

1.2 鐵耗

鐵耗在整個電機損耗中占有很重要的地位，對于NdFeB永磁電機而言，鐵耗的準確計算不但能夠幫助設計出更為高效的電機，而且可以避免磁鋼發生退磁。

鐵耗是穿過定子鐵心的交變磁場變化時產生的渦流損耗和磁滯損耗。渦流損耗正比于轉速的平方，磁滯損耗正比于轉速。

渦流損耗不但與磁通密度峰值有關，而且與磁通密度隨時間的變化率有關，精確計算較為困難，通常的做法是對電磁密波形進行傅利葉分解，累加各次諧波。這種方法對電磁密波形的準確性要求高，并且很復雜。

1.3 機械損耗

機械損耗分為軸承部分的摩擦損耗和伴隨冷卻風扇旋轉產生的風損耗。準確計算電機的機械損耗不僅可以使得效率提高，同時也可以保證電機的使用性能，而且還可以根據機械損耗的大小來合理設計樣機的冷卻系統，保證了樣機的成功率。

2 電機的結構

在開展電機的散熱分析前，首先觀察電機的結構，結構如圖1所示，其由前端蓋、后端蓋、殼體構成。電機內部結構為圖2所示的定子、繞組，圖3為電機轉子的斷面。

3 電機的冷卻方案分析

因為本文所述電機的功耗是3 500W，功耗比較大，冷卻方式不能采用風冷，而應采取水冷的方式，冷卻水套的設計方案如圖4、圖5所示。方案1冷卻液進入電機水套后，分成三部分流過殼體后，在電機另一端匯集，然后又分成三部分經殼體流向電機的初始端。方案2特征在于水路從水套入口到出口是一致的，沒有存在分流的現象。

對上述冷卻水套設計方案運用數值流體力學技術開展了流阻仿真分析［2］的流阻比較如圖6所示。

分析圖6電機的水套設計，方案2的流阻比較低，故采用方案2對電機進行冷卻。兩個冷卻水套設計方案某斷面速度場的分部如圖7、圖8所示。

4 電機的散熱分析

因為冷卻水套設計方案2的流阻比較低，故采用此方案進行電機的熱態仿真分析，工況是冷卻液入口流量為14 L/min，溫度是59.5℃。

4.1 電機的功耗

電機的功率為35 kW，效率為90%，可得電機的功耗為3 500W。假設此功耗以熱傳導方式均被電機的水套吸收，并轉化成為電機的溫升。

假設電機殼體、端蓋均處于室溫狀態，無風條件下，開展此前提下的散熱仿真分析。

4.2 進出水口的溫升

本文從穩態角度開展了電機冷卻進出水口的溫升分析，冷卻液入口流量為14 L/min，入口溫度為59.5℃，仿真得出水口的溫升曲線如圖9所示，分析可得出口水溫為64.5℃，進而可得電機冷卻液的溫升為5℃。

4.3 部件溫度分布云圖

冷卻水套溫升的分析是電機散熱分析的一個方面，電機殼體、定子等部件的溫度分布云圖是電機散熱分析的另一個方面。電機前端蓋、后端蓋及殼體的溫度的分布云圖如圖10所示。分析圖10，電機前后端蓋的最高溫度分別為63.9℃、64.1℃，殼體表面最高溫度為70℃。

提取電機定子和銅線繞組的溫度分布如圖11所示，定子高溫區域分布在齒額區域，溫度最大值為102.2℃。繞組高溫區域分布在兩端，最高溫度是104℃。

對電機內部溫度分布進行直觀切片顯示，可以比較電機殼體、前后端蓋、定子以及繞組的溫度，如圖12所示。高溫區域分布在定子和繞組上，繞組端部溫度最高，可達103.8℃。

5 冷卻水套分析

5.1 冷卻水套的流阻分析

為考核冷卻水套的設計方案對流阻的影響，對本水套開展了多工況下的流阻分析如圖5所示。

5.2 冷卻水套近壁面流速分布

分析水套近壁面流速的速度分布云圖如圖13所示，在S型水套內側近壁面流速最大值為2.72m/s。速度越快值越大，則有利于加速電機殼體散熱的速度。圖中可見渦流的存在，其不利于電機端蓋的散熱。

5.3 水套內側壁面對流換熱系數

為分析冷卻水套各部分是熱還是放熱，從數值傳熱分析角度提取了水套的壁面對流換熱系數［3］。圖14（a）中表示水套的壁面對流換熱系數的宏觀分布，正值表示水套在吸收來自殼體的熱量，負值表示水套在向外散熱。圖14中的（b）表示壁面對流換熱系數大于0所分布的水套區域和云圖，分析此圖也可得對流換熱系數小于0的區域都在水套端部，表示水套是處于放熱狀態，熱量被電機的前后端蓋吸收。

6 總結

1）比較冷卻水套設計方案1和方案2的流阻，前者接近后者的兩倍。為節省能耗，方案2為最佳方案。

2）對電機開展了入口流量為14 L/min的熱態分析，冷卻液的溫升接近5℃，與設計人員提供的經驗值基本吻合。

3）電機功耗為3 500W，水套流量為14 L/min、溫度為59.5℃時，電機殼體和前后端蓋的溫度在70℃左右。

4）電機定子高溫區域分布在定子齒區域，銅繞組的高溫區域分布在兩端，溫度最大值接近105℃。

5）分析冷卻水套的壁面對流換熱系數，與電機殼體接觸的水套的換熱系數是正的，這部分是吸熱區域，而與電機前后端蓋對應的水套部分是放熱的。

［1］唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業出版社，2008：21-23.

［2］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004：121-122.

［3］陶文銓.數值傳熱學 ［M］.西安：西安交通大學出版社，2001：256-257.