基于燃油分配和雙螺旋油冷槽的電動燃油泵數值研究

魏仁鳳 王彬 葉志鋒

摘要：針對一體化電動燃油泵的熱源分布和傳熱作用機制，設計其雙螺旋冷卻殼體，并采用數值模擬研究雙螺旋對電機散熱效果的影響和電動燃油泵的最佳燃油分配比。對電動燃油泵電機一冷卻殼體進行流固耦合數值模擬，獲得流道內的溫度場分布;計算不同工況燃油分配比的電動燃油泵，得到冷卻殼體的溫度和進出口壓差的隨燃油分配比變化情況。結果表明，雙螺旋冷卻殼體使電機溫度場的溫度分布更均勻;流通的燃油使電機定子溫度降低，但同時也增加了燃油的消耗。

關鍵詞：電動燃油泵;雙螺旋流道;流固耦合;冷卻殼體;燃油分配比

中文分類號：V233.5 文獻標識：A

作為多電發動機的重要部件之一，電動燃油泵是一種一體化電動液壓動力單元，是典型的集機、電、液為一體的特種機電產品，兼有流動控制和運動控制兩大特點，可實現燃油泵的電驅動，可減輕重量、提高系統的可靠性[1]。可調節流量以及速度的電動燃油泵結構簡單，安全可靠，易和多電發動機匹配，泵供油不受發動機轉速影響，成為多電發動機的關鍵技術之一[2]。對電機散熱分析采用Bertotti鐵耗分離計算模型計算電機鐵耗，再利用公式計算電機銅耗[3，4]。在電動燃油泵工作過程中，電機損耗多轉變為熱量，極易因殼體內部尤其是定子部件溫度過高引起電機超溫，嚴重時易使電機定子燒毀，或使電機定子繞組絕緣損壞而引起股間短路[5]，因此，電機的散熱研究顯得尤為重要，此時需要增加冷卻裝置設置設計以防止燃油系統超溫。計算流體力學（CFD）技術應對邊界條件改變時適應性好，結果精確性高，可以獲得電機物理場分布和高溫區域分布，有利于開展電機散熱性能研究[6]研究人員利用CFD技術，研究對比高功率密度電機的軸向“S”型、周向型、軸向螺旋型三種冷卻流道形式的溫度場，得到最佳的冷卻流道形式為軸向螺旋型[7]。利用CFD對定子損耗產生的熱量、泵、油冷流場采取流固耦合仿真，并對仿真結果進行了分析。

國外在電機油冷方面做了大量研究。Tanguy D等對電機油冷系統中各部分參數對油冷性能做了大量試驗[8];Davin T等改變電機油冷系統中的參數，探究其對冷卻效果的影響，并進行試驗驗證[9];M.Lindh P等研究了電機直接冷卻與間接冷卻的散熱性能[10];Pechanek R等利用CFD技術建立軸向型和周向型水冷流道的溫度場模型進行流固耦合分析，發現周向型流道由于水速較慢，冷卻系數降低，冷卻效果比軸向型冷卻效果差[11]。

電機冷油的研究日臻完善，但是燃油分配比對溫度場的影響卻鮮有報道。本文基于CFD方法探究散熱性能更高的流道形狀，針對軸向螺旋型的流道開展研究，對雙螺旋水冷卻電機散熱研究時，采用熱網絡法，將熱網絡等效成模擬電路，轉化場的形式來計算定子平均溫升[12]，探究了冷卻殼體在不同燃油分配比下對溫度場的影響。

1 冷卻殼體設計

1.1 電機參數

本文電動燃油泵由永磁同步電機驅動，其主要參數見表1。

1.2 冷卻殼體尺寸

在冷卻流道類型中，軸向“S”型流道的單條流道之間容易出現局部高溫，導致內壁面整體溫度分布不均勻，螺旋型流道溫度隨螺旋旋向先增大后減小使溫度分布均勻[13]。與單螺旋流道相比，雙螺旋流道間隔流道中的冷卻流體流向相反，能夠使溫度低的油路與溫度高的油路相鄰，改善冷卻燃油與熱源之間的溫度梯度。根據電動燃油泵電機的主要參數，采用軸向雙螺旋型冷卻流道。該殼體采用剖分式結構，利用過盈配合裝配，殼體兩端安裝周向密封圈以確保其密封性。根據電動泵的性能參數，設計計算冷卻流道的主要結構參數，利用UG建模軟件建立雙螺旋冷卻燃油流道三維模型。其具體的結構尺寸見表2。

1.3 冷卻油流量

在穩定工作時，電動泵的流量遠高于電機殼體冷卻所需的流量，過多的燃油流量使流道結構尺寸增加，而航空電動燃油泵要求在滿足冷卻效果的前提下盡可能減少體積和重量，提出在流道進出口增設燃油分配器，以實現按需供油，最大程度地減少冷卻殼體的徑向尺寸，優化其與同功率燃油泵一體化結構。燃油分配器裝于泵的出油口，兩端出油口一路將滿足散熱要求的冷卻流量引入冷卻流道，另一路將其余燃油引入泵的工作回路，已知電機運行功率是8kW，根據式（1）得到實際所需要的冷卻流量：式中：m為冷卻油流量，單位為kg/s;AT為進出口冷卻油溫差，假設為3℃;c_p為航空煤油比定壓熱容，單位為J/（kg·℃）;Q為散熱功率，為運行功率的10%，單位為W。根據式（11）計算得到所需要的冷卻油流量m=0.128kg/s。

2 流固耦合數值模擬

2.1 耦合邊界方程

電機冷卻結構設計的核心任務是電機散熱計算，使得電機產熱量與散熱量達到平衡，降低電機整體溫度，保證電機正常工作[14]。在對電機溫度場進行分析時，可將電機本身看成一個內部有源傳熱體，其中定子齒部是熱量傳遞的主要通道，是整個電機熱流密度最大的地方，溫度場主要的傳熱形式為熱傳導和熱對流[15，16]。由于在工作時冷卻燃油和雙螺旋流道產生相互作用，因此采用流固耦合仿真，計算流體力學計算可歸納為求解有限元方程，流體流動問題根據N-S方程進行求解。冷卻殼體內的燃油視作三維無壓縮湍流，其質量守恒、動量守恒和能量守恒方程分別為：式中：ρ為密度，單位為kg/s，u為速度矢量，單位為m/s;p為流道內任意一點壓力，單位為N;μ為燃油動力黏度，單位為Pa·s;c_p為航空煤油比定壓熱容，單位為J/（kg·℃）;λ為導熱系數，單位為W/（m·s）;s為動量方程廣義源項;s_T為能量方程廣義源項;T為溫度，單位為℃。

2.2 流固耦合的必要性

為證明流固耦合的必要性，在額定功率8kW，冷卻流量為0.128kg/s的工況下進行非流固耦合仿真研究雙螺旋冷卻流道的散熱情況，并和流固耦合的散熱情況進行對比，圖1為流固稠合仿真模型，非流固耦合的模型去掉流固耦合模型中的冷卻殼體。

為簡化計算做出以下假設：（1）電機各部分材料的導熱系數、散熱系數不隨溫度變化。（2）忽略電機定子模型。基于ICEM網格生成軟件對流體域和固體域劃分網格，導入CFX前處理并進行計算以獲得流體域、固體域的耦合仿真結果。

在CFX前處理中，流體域介質為航空煤油，傳熱方式為Thermal Energy（熱焓模型）;設置0.128kg/s的流量進口，溫度為35℃;靜壓為8MPa的壓力出口;由于與電機定子接觸的內壁面劃分為殼網格不能用于流動計算，故電機產生的熱量以熱流密度的形式施加在與電機定子相接觸的內壁面上;與外界發生熱交換的壁面邊界定義為自然對流換熱，設置完參數后開始計算，在殘差值收斂到合理范圍內時停止計算，得到計算結果，圖2和圖3分別為非流固耦合和流固耦合的溫度云圖。

通過對比圖2和圖3可以得出，與流固耦合仿真相比，非流固耦合仿真時精度不高，溫度分布不均勻，內壁面溫度過高。因此非耦合的仿真方法是不合理的，采用流固耦合數值模擬是有必要的。

3 冷卻殼體仿真結果分析

燃油分配比是燃油分配器兩出油口流量之比，即進入冷卻流道的燃油流量與剩余流量之比。最小的冷卻流量即為最佳燃油分配比能實現理想的冷卻效果，在流道設計確定之后，可降低流速，一定程度減少壓力損失，從而提高泵的效率。

3.1 整體燃油流域溫度場分析

選取冷卻燃油流量為0.128kg/s，電機運行功率為8kW的工況下分析。得到仿真結果如圖4所示，由圖可知，燃油的溫度隨著流道的旋向逐漸升高，到達最高溫度，出現局部高溫區域，接著溫度沿著流道旋向逐漸下降，從圖中可以發現冷卻流道進出口的溫差不大，這是由于雙螺旋流道的流道長，熱換面積大，高溫燃油在到達出口前的溫度能降至與人口燃油溫度相差無幾的狀態。

3.2 殼體內壁面溫度場分析

選取同樣的電機工況進行分析。得到殼體內壁面的溫度云圖，由圖5可以看出，最高溫度為340K，溫度差值不大，并且溫度分布均勻，說明雙螺旋殼體的冷卻效果較好。

3.3 不同冷卻流量下的散熱性能

改變燃油分配器閥芯的位置，以獲得不同的冷卻燃油流量進入冷卻殼體進行流固耦合仿真，得到殼體內壁面平均溫度和局部最高溫度如圖6所示。從圖中可以看出，燃油分配比逐步增加，即進入冷卻殼體的煤油流量增加，殼體內壁面平均溫度隨之減小。這是因為冷卻燃油流量增加導致流道中的燃油流速加快，從而加快了電機定子與流道內冷卻燃油的熱交換，使散熱性能上升。采用這種數值模擬方法，可以尋找最小的流量滿足冷卻效果使得殼體的設計最優。局部最高溫度也是衡量殼體散熱性能是否合理的重要指標。隨著燃油分配比的增加，局部最高溫度同樣也隨之減小。

3.4 冷卻殼體壓降分析

Jun Ho Lee等研究電動車用輪轂電機水冷散熱時發現，冷卻水人口和出口的壓差隨著流量的增加而急劇增加，壓差上升代表著流道中流動阻力增加，使得冷卻效率的下降。經過進一步研究發現，流道存在最佳流量，可控制壓差在合理范圍內。因此，增加冷卻液體流量時應考慮壓差對冷卻效果的影響，不宜過度增加流量[17]。由于冷卻燃油的供給來源于泵，則必使泵有一定的功率損耗，其與流道進出口壓降的關系式：式中：W_p為冷卻損耗功率，單位為W;m_v為冷卻液體體積流量，單位為m³/s;Δp為進出口壓降，單位為Pa。

當冷卻燃油流量一定即燃油分配比確定時，泵為冷卻煤油提供動力消耗的功率與冷卻殼體進出口壓降成正比。通過對不同燃油分配比工況下進行仿真研究，得到燃油分配比與冷卻殼體進出口壓降的特性曲線，如圖6所示。由圖可知，燃油分配比逐漸增加，進出口壓降隨之升高。這是因為燃油分配比的增加意味著進入冷卻殼體的燃油流量增加，其流速加快，從而導致冷卻殼體燃油進出口的壓降增加，影響燃油泵電機的整體效率。

綜上所述，由于殼體內壁面的平均溫度不宜超過343K，局部最高溫度不宜超過353K，因此綜合平均溫度、局部最高溫度與進出口壓降三者綜合考慮，選擇0.13為燃油分配比最佳。

4 結束語

本文根據電動燃油泵電機的性能參數，研究了電機定子雙螺旋冷卻燃油流道，利用CFX進行冷卻殼體的流固耦合數值模擬，研究分析了冷卻方案的性能特點，得到以下結論：

（1）雙螺旋燃油流道對電動燃油泵電機能夠起到冷卻效果，且使溫度分布更均勻，通過合理設計能夠滿足冷卻要求。

（2）燃油分配比影響著電機溫度場。隨著燃油分配比的增加，會使進入冷卻殼體內的冷卻油增加，導致溫度降低;但同時也會使燃油進出口的壓力降增加，而壓力降增加又會導致冷卻效率降低。因此存在最佳的燃油分配比，本文中的最佳燃油分配比為0.13。

本文中電機熱源為定子內壁面熱功率，并未從電機損耗機理精確核算不同工況下的理論溫度或可能的溫度場分布，建議今后建立考慮電樞繞組和鐵心更為精確的仿真模型。

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