電機液冷流道擾流片優化設計

郝嘉欣,唐志國,李薈卿,江　超

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥　230009)

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電機液冷流道擾流片優化設計

郝嘉欣,唐志國,李薈卿,江超

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:電動汽車電機的體積小型化、功率高密度化以及工作環境相對封閉等特點,使得其產熱和散熱問題研究成為電機結構設計的重要課題。為了提高驅動電機的散熱效果,文章以液冷電機為研究對象,提出在其定子冷卻流道中加入擾流片進行傳熱強化,并設計了多種擾流片結構設計方案;對各種結構設計方案的電機定子進行三維建模,使用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)軟件進行溫度場與流場的仿真,對比各方案的優劣,優化出擾流片的結構方案;使用Simulink軟件對優化結構進行理論分析,并與CFD仿真結果對比,驗證了優化結構的可行性。

關鍵詞:電動汽車;液冷電機;冷卻流道;擾流片;熱仿真

電機作為電動汽車的核心部件之一,其優良的工作性能至關重要。由于電動汽車驅動電機在工作時會產生大量熱量,需要選擇適當的散熱方式,將電機的溫度控制在合理的范圍內,以保障電動汽車穩定而安全地運行[1]。

隨著電動汽車電機的體積趨于小型化、運行趨于大功率化,常規的風冷散熱方式已難以滿足冷卻需求,需采用液冷散熱方式對電機進行散熱[2-6]。文獻[2]對水冷系統參數進行了設計,對冷卻液流動狀態、流量、流阻和水泵功率進行了計算;文獻[3]對目前常見的電機液冷流道軸向流道、周向流道、螺旋流道3種結構的冷卻性能、工藝性、冷卻液流通性等方面進行了深入的對比分析。為了進一步強化傳熱效果,液冷流道的優化設計十分重要。較為常見的優化方法為在流道中加入肋片[7],文獻[8]中在電機的軸向水道中加入了肋片,優化后的水道散熱效果得到了增強。

基于上述研究,為了增加固液換熱面積以及增大冷卻液湍流度,本文提出在驅動電機的定子冷卻流道中加入擾流片以強化傳熱,并對擾流片的結構提出了多種設計方案,使用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)軟件對各種方案進行了對比分析,獲得擾流片的優化結構,并進一步使用Simulink軟件分析結果進行驗證。

1電機定子熱效應模型

1.1數學模型

電機的熱源通常包括基本銅耗、基本鐵耗、機械損耗和附加損耗。對于電機定子來說,后兩者可忽略不計[9-12]。

(1)基本銅耗計算。銅耗是電機運行時電流流過有電阻的繞組而產生的,計算公式為:

其中,PCu為全部繞組的總銅耗值;Pi為繞組i的銅耗值;Ii為繞組i的電流;Ri為繞組i的電阻。

(2)基本鐵耗計算。鐵耗的大小取決于2個因素,即磁通密度的峰值和磁通密度隨時間的變化率,計算公式如下:

其中,P1.0/50為當B=1.0 T、f=50 Hz時,單位質量硅鋼片的鐵耗;B為定子鐵心磁感應強度;f為電樞磁場的交變頻率;PFe′為定子鐵心單位質量的鐵耗;PFe為整個定子鐵心總的鐵耗;Ka為經驗系數,根據電機的容量不同,其值可從1.5～2.0之間選取;mFe為鐵心的質量。

在使用計算流體力學CFD軟件對電機定子穩態溫度場進行仿真計算時,電機的生熱值由上述公式計算得出,將此邊界條件應用于仿真計算中,從而得到電機定子的溫升圖。

仿真計算的邊界條件還包括:冷卻介質為去離子水,流量為10 L/min,初始溫度為60℃,流道殼體材料為T6處理鋁合金。

1.2物理模型

電機定子三維模型如圖1所示,主要由鐵心、繞組與冷卻流道3部分組成。鐵心具有圓周向等間距的閉口型槽,繞組嵌于各槽內,光滑冷卻流道圍繞于鐵心外側,本文所提出的擾流片將設置于光滑流道中。

電機的主要基本參數見表1所列。

圖1　電機定子模型

參 數數值參數數值額定功率/kW18定子外徑/mm295峰值功率/kW40定子內徑/mm205額定轉速/(r·min-1)3000定子寬度/mm60

2擾流片結構優化設計

擾流片有多種結構設計方案,下面針對排列方式、排列角度、行間距及列間距4個方面,通過熱仿真計算進行對比分析,進而選出較為合理的擾流片設置方案。

電機定子冷卻流道的橫截面尺寸為寬30 mm、高5 mm。為便于對比分析,擾流片尺寸統一為長5 mm、寬1 mm、高5 mm。

2.1排列方式及排列角度的對比

擾流片的排列方式可分為順排與叉排2種;擾流片與冷卻液流向的夾角選取0°、30°、45°、60°、90°。不同排列方式和排列角度的8種方案見表2所列。

表2擾流片的不同排列方式

為方便對比計算,以上各方案擾流片之間的行、列間距均取值為5 mm,如圖2所示。對上述8種方案分別進行仿真,對于計算結果主要考察電機定子繞組部位的最高溫度以及流道進出口冷卻液的壓降,結果如圖3所示。

圖2　行、列間距示意圖

圖3　排列方式對繞組最高溫度及進出口冷卻液壓降的影響

從擾流片的排列方式上看，在擾流片與冷卻液流向呈30°、45°、60°的情況下，叉排方式中繞組的最高溫度比順排方式都降低了1～2℃，可知叉排方式的冷卻效果略強于順排方式；而叉排方式中冷卻液的進出口壓降比順排方式均低了100 Pa左右，可知叉排方式對冷卻液的流動阻力小于順排方式。綜合考慮，將擾流片的排列方式最終確定為叉排方式。

從擾流片的排列角度上看，隨著擾流片與冷卻液流向的夾角逐漸增大，一方面，繞組的最高溫度在不斷降低，但降低的趨勢減緩，降幅由一開始的10℃左右逐漸降低至1℃，即冷卻效果在不斷提升，但趨勢漸緩；另一方面，冷卻流道進出口的壓降在逐漸增大，由最初的87 Pa逐漸增大到了2 140 Pa，這意味著擾流片對冷卻液造成的流動阻力在逐漸增大。較大的流阻對冷卻系統的整體性能要求大大提高，并且對電機整體的溫度均衡性產生較大的影響，從而對實際中的應用造成困難。綜合考慮，擾流片與冷卻液流向的夾角最終選擇為比較合適的30°。

2.2擾流片的行間距和列間距

冷卻流道中的擾流片排列間距的不同也會對電機定子整體溫度場造成影響。定義不同行間距與擾流片長度的比值x=X/L,不同列間距與擾流片長度的比值y=Y/L。本文計算中x分別取值1、1.3、1.6、1.9、2.2、2.5、2.8、3.1，y分別取值1、1.3、1.6、2.2。為了簡化計算，當對行間距的不同比例方案進行計算時，y取值為1；當對列間距的不同比例方案進行計算時，x取值為1。

對這12種方案分別進行熱仿真計算，得到定子繞組最高溫度與冷卻液進出口壓降的計算結果，并按上述順序標明，如圖4所示。

圖4　行、列間距對繞組最高溫度及進出口冷卻液壓降的影響

隨著行間距的增大，繞組溫度在逐漸增加，而增幅趨勢逐漸減小，增幅由7℃緩慢降低為2℃；但是冷卻流道的壓降卻從x=1開始陡峭下降，至x=1.6下降近300 Pa，而此后下降則趨于平緩，直到最后x=3.1處總共只降了100 Pa左右。綜合溫度與壓降2個方面考慮，擾流片的行間距比例確定為x=1.6，即行間距為8 mm。

隨著列間距的增大，電機定子的溫度在逐漸升高，冷卻流道壓降在逐漸降低，其升高和降低趨勢均較平穩，基本呈線性影響。優先考慮冷卻效果，最終選擇冷卻效果最佳的列間距比例y=1，即列間距為5 mm。

2.3擾流片優化結構分析

經過上述一系列仿真計算對比分析，最終將冷卻流道的優化方案定為擾流片與冷卻液流動方向的夾角為30°的叉排方式，行間距為8 mm，列間距為5 mm。將無擾流片和有擾流片優化后的電機定子流道結構、冷卻液流場、定子溫度場進行比較，以分析此方案的優化效果，結果分別如圖5～圖7所示。

圖5　冷卻流道結構

圖6　冷卻液流場

圖7　電機定子溫度場

將以上仿真計算結果進行處理，電機定子最高溫度分別為98.4℃和95.8℃，由于初始溫度為60℃，所以優化前、后的定子繞組的溫度上升值分別為38.4℃和35.8℃，優化后比優化前繞組溫升值降低了7.3%，其散熱能力得到了顯著的提高。這是因為在冷卻流道中加入擾流片，增加了換熱面積，加大了冷卻液的湍流度，使得冷卻流道與冷卻介質固液之間的熱量傳遞更加充分有效，冷卻效果得到了理想的提升。

此外，定子繞組部分的溫度分布略不均勻，這是因為擾流片增強了冷卻流道的傳熱效率，冷卻液多吸收了1 000 J的熱量，溫度上升加快，使得冷卻流道后半程的冷卻效果較前半程有所下降，從而導致后半部分繞組溫度略高于前半部分。但是從總體來看，繞組的最高溫度降低了2.6℃，冷卻效果還是得到了很大的提升，證明此優化方案是可行的。

3優化結構的理論解析

為了對上述熱仿真計算結果的可信性進行驗證,采用Simulink軟件對優化前、后的電機傳熱進行計算,將所得結果進行對比。電機定子繞組溫度經驗公式[13]如下:

其中,Rq為電機熱阻;tq為熱時間常數;Cq為定子的熱容量;k為采樣時間;Pq為電機總的發熱功率。

在上述公式中,對溫度影響最大的因素是電機熱阻,而優化水道所改良的正是電機熱阻中一部分的水道熱阻,根據以下公式對結構優化前、后的電機熱阻[14-15]分別進行計算。

(1)鐵芯與機殼的熱阻。

其中,R為空氣層熱阻;μ為空氣導熱系數;S為導熱面積;L為裝配間隙。

(2)機殼與冷卻水的熱阻。

其中,Atol、Abot、Abot'分別為水道內表面傳熱總面積、水道底面面積、機殼外表面積;hm、hm′分別為水道內表面和機殼外表面對流散熱系數；kAl為水道機殼材料的導熱系數。

通過上述公式計算出電機定子優化前、后的熱阻值,使用Simulink軟件對電機定子繞組溫度進行計算,溫升曲線如圖8所示。

圖8　Simulink仿真繞組最高溫升曲線

分別將優化前、后電機熱阻的數值計算結果、Simulink仿真結果以及Fluent仿真結果進行對比,見表3所列。

表3　擾流片優化前、后計算結果對比

在冷卻流道中加入擾流片,加大了固液換熱面積,增大了固液接觸面對流換熱系數,減小了傳熱熱阻,從而強化了冷卻效果。

對計算結果進行比較發現,Simulink所得的優化溫度降低值為3.9℃,而CFD仿真為2.6℃,這是由于Simulink的計算是理論計算,無法體現由于擾流片的加入導致冷卻液流動性的降低,從而一定程度上降低了其散熱性能,所以Simulink計算得到的溫度降低值略高于CFD仿真值,這一差值是合理的。

4結束語

本文提出在電動汽車驅動電機定子的光滑冷卻流道中加入擾流片以強化傳熱,并對擾流片的結構提出了多種設計方案。對各方案建立了三維模型,使用計算流體力學CFD軟件進行了熱仿真計算,通過對比分析獲得了擾流片的最優結構方案,從而提高電機定子冷卻流道的冷卻效果。

(1)通過擾流片的排列方式、排列角度、行間距、列間距4個方面對電機定子進行一系列的熱仿真計算。通過綜合考慮,最終將優化方案定為擾流片與冷卻液流動方向的夾角為30°的叉排方式,行間距為8 mm,列間距為5 mm。

(2)根據最終確定的優化方案,對電機定子建立三維模型,并使用CFD軟件對其溫度場進行計算。優化后的定子繞組最高溫度比優化前降低2.6℃,結果較為理想。

(3)最后采用Simulink軟件對CFD仿真計算結果進行了驗證。

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(責任編輯胡亞敏)

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

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2013BAG13B00;2014BAG06B02)

作者簡介：郝嘉欣(1990-),男,山西太原人,合肥工業大學碩士生;唐志國(1978-),男,安徽安慶人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.002

中圖分類號:TM351

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0440-05