基于熱管-風冷系統的新能源汽車電機熱分析

葉升強

摘要：針對新能源汽車電機緊湊、輕量化、高功率密度和高可靠性的要求，提出基于熱管一風冷系統的新型冷卻系統。設計了基于熱管一風冷系統的電機結構，建立電機有限元熱分析模型并驗證其可行性;通過有限元模擬，研究該新型電機在額定功率和峰值功率下的溫度場。結果表明：熱管一風冷系統能有效地控制電機的溫升。與水冷系統相比，無需水泵、節溫器、水箱、管路以及其他裝置，結構簡單、緊湊，有利于實現新能源汽車的輕量化和高功率密度。

關鍵詞：熱管-風冷系統、電機熱

1 前言

電機在運行過程中會產生各種損耗，產生的損耗轉換成熱能，引起電機各部分溫度升高，溫度過高將嚴重影響電機性能和使用壽命。隨著新能源汽車的發展，電機單機容量不斷增大，且要求體積小、重量輕、功率密度大，對電機的溫升控制帶來極為嚴峻的挑戰。

由于電機溫升控制的重要性，國內外對電機的熱分析和冷卻系統做了大量的研究。目前使用最多的是利用有限元法對電機的溫度場進行仿真模擬。

2 基于熱管的風冷冷卻系統

2.1電機損耗及傳統水冷系統分析

電機作為一種電能與機械能的轉換裝置，在運轉過程中不可避免會產生損耗。電機損耗主要包括鐵損耗、銅損耗、機械損耗、雜散損耗等，這些損耗轉化成熱量造成電機溫度升高。電機溫度過高，一方面會降低永磁體的性能甚至引起不可逆退磁，另一方面還會破壞繞組絕緣，降低線圈的使用壽命，進而影響電機的長期穩定運行。目前，新能源汽車電機的冷卻系統均為強制循環水冷系統，如圖1所示，包括水泵、散熱器、冷卻風扇、節溫器、水箱、電機及水冷機殼。冷卻水在水泵中增壓后，進入電機的水冷機殼。冷卻水從電機機殼流道流過并吸收電機產生的熱量，之后進入節溫器。節溫器根據冷卻水溫度的高低自動調節進入散熱器的水量，以調節冷卻系統的散熱能力，保證電機在合適的溫度范圍內工作。最后，流經散熱器中的冷卻水向周圍的空氣散熱而降溫，冷卻后的水返回水泵，如此循環往復。在汽車行駛或冷卻風扇工作時，空氣從散熱器周圍高速流過以增強對冷卻水的冷卻。

水冷系統具有較大的傳熱能力，能夠將電機產生的熱量有效地帶走。但該系統存在一些不足：在運行過程中，不可避免會產生水垢并沉積，從而堵塞水路，易造成沉積區域的換熱環境惡劣，局部溫升提高，嚴重時可能造成電機線圈局部溫度過高而損毀;壓力低時流速低散熱效果不理想，而若壓力太大，則可能造成水力鉆孔現象，導致冷卻水泄漏;整套冷卻系統復雜、重量大、不緊湊，不符合新能源汽車電機緊湊、輕量化的發展方向。

2.2基于熱管一風冷系統的電機結構

為尋找一種緊湊、高效、輕量化的電機冷卻系統，提出基于熱管的風冷冷卻方案。該冷卻系統主要由平板鋁熱管、散熱翅片和風扇組成。熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，通過在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量，具有強大的傳熱能力和極小的熱阻。因電動汽車電機所處環境較為惡劣，故選用工作溫度范圍為-120-2000C，耐腐蝕性好的平板鋁熱管，以適應電機極端低溫和高溫工作環境。此外，平板鋁熱管能承受最大3920kPa的外部壓強，足以適應電機鐵心及機殼對熱管外壁產生的壓力。基于熱管的風冷冷卻系統的電機結構。平板鋁熱管通過錫焊焊接在定子外側的矩形槽中，穿過端蓋伸出電機主體之外，并利用錫焊焊接在外部翅片上。因此，熱管不會因為熱脹冷縮而脫落。將熱管安裝在電機定子外側，一方面可減少其對定子鐵心內部電磁場的影響;另一方面，由于電機產生的熱量主要在定子鐵心和線圈上積聚，能在盡可能接近熱源的情況下，通過熱管將電機產生的熱量直接導出到外部翅片，對翅片進行強制風冷從而達到冷卻電機的目的。

3 電機熱分析有限元模型的建立

3.1簡化假設

所選用的PMSM為某公司生產的MD15D型外定子內轉子結構電機。電機繞組由多股細小覆漆銅線繞制而成，各個方向的導熱系數不同，建模困難，需要對繞組進行適當等效。考慮到PMSM轉子上的損耗非常小，且通過轉子、電機軸、機殼、端蓋與空氣發生的自然對流交換的熱量也非常少，可以對模型進行適當簡化。此外，由于熱管的等溫性好，各翅片與熱管接觸面的溫度非常接近，且各翅片間空氣流動情況基本一致，可以對翅片的換熱情況進行等效簡化。因此，為了提高計算分析效率，作出以下假設：

（1）繞組為一整體，具有各向異性導熱系數。

（2）不考慮電機機殼、轉子、電機軸、端蓋等與空氣發生熱交換對電機溫度分布造成的影響。

（3）各翅片散熱功率以及換熱情況一致。

（4）忽略熱輻射。

2.2翅片等效傳熱模型

由于流體計算需要占用大量系統資源，特別是進行流一固藕合熱分析時，流體邊界層網格加密后占用資源更多。傳統計算方法是按照空氣流過翅片對流換熱的模式建立模型，但是在這個模型中，由于翅片數量多，邊界面積大，會導致各翅片間產生嚴重湍流，且劃分的網格數量量級在10'甚至108以上，限制其工程應用;而且由于冷卻風的單向進入，內部流動情況復雜，導致翅片間的流體并不是沿電機軸中心對稱的，因此無法通過建立系統的部分尺寸模型來降低網格量。

如果能將流一固藕合傳熱計算轉化成固體的第三類邊界條件進行等效計算，可以省去大量流體網格，極大簡化計算，提高效率。基于這一思想，建立了翅片的等效傳熱模型。空氣從翅片上下方掠過帶走一定熱量的模型，可以等效為靜態空氣以一定對流換熱系數帶走翅片熱量的模型。

3.3整機冷卻模型的建立

根據上述假設和翅片等效冷卻模型，建立基于熱管的風冷系統整機冷卻模型。整機冷卻模型由電機定子鐵心、定子線圈、熱管及多級散熱翅片組成。

根據假設（3），賦予翅片第三類邊界條件，平均對流換熱系數由基于流一固藕合傳熱模型計算得出。熱源部分則根據電機的銅耗和鐵耗分別賦予線圈和鐵心體積源項。根據實際情況，繞組線圈和鐵心槽間還應放置槽間絕緣紙。由于其厚度僅0.35mm，不宜直接建模，因此在Fluent中作為接觸面接觸條件設置。線圈采用外包絕緣的銅線繞制，其軸向和徑向的導熱系數有很大差異，須由試驗測定。同樣，鐵心為表面涂有絕緣漆層的硅鋼片疊壓而成，其軸向與徑向導熱系數也有很大差異，亦須試驗測定。熱管導熱系數為實測后圓整值，整機風冷冷卻有限元模型參數設定。為提升運算速度，基本網格尺寸為2mm均采用結構化網格，局部接觸面網格細化，最終網格數量為1.34x106，節點數為2.14x106。

4 結語

為適應新能源汽車電機緊湊、輕量化、高功率密度的發展要求，本文提出基于熱管的電機風冷冷卻方法，為電機的冷卻系統設計提供了新的思路，得到結論如下：

（1）汽車駕駛速度為25km/h，翅片附近冷卻風速為6.9m/s時，運行在額定工況下的電機定子鐵心和線圈的最高溫度分別為83.0℃和104.10C;穩態運行在峰值工況下電機定子鐵心和線圈的最高溫度分別為102.9℃和126.90C，均處于較低水平，表明基于熱管的風冷冷卻系統能有效控制電機的溫升。

（2）在不同冷卻風速下對電機線圈和定子鐵心的溫度進行了研究，發現在1.4m/s的冷卻風速下，額定工況工作時，線圈的最高溫度為110.70C;峰值工況下穩態工作時，線圈的最高溫度為136.10C，也處于較低水平。特別當電機在峰值功率極端高溫環境下工作時，定子鐵心最高溫度為127.00C，線圈最高溫度為151.1℃，仍能滿足電機H級絕緣的溫度要求。

（3）采用基于熱管的風冷方法對電機進行冷卻，電機定子鐵心和線圈的溫度呈現周向周期性分布，熱管附近區域溫度低，兩熱管中間區域的溫度高。可通過提高熱管的分布密度，降低兩熱管中間區域的溫度。

參考文獻：

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