軸向磁通分塊鐵心無磁軛電機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

常九健，謝地林，王 晨，王曉林，方建平,康 鵬

(1．奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 289403；2．合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230002)

0 引 言

永磁同步電機(jī)由于其高功率密度和高效率被廣泛應(yīng)用于電動汽車。永磁同步電機(jī)按磁通方向可分為徑向磁通電機(jī)和軸向磁通電機(jī)。目前，電動汽車主要采用徑向磁通永磁同步電動機(jī),其功率密度為2.0～3.6 kW/kg[1-2]。從目前的研究現(xiàn)狀來看，提高轉(zhuǎn)速和磁阻轉(zhuǎn)矩是提高徑向磁通永磁同步電動機(jī)功率密度的兩種主要途徑[3-5]。然而，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，軸承壽命變短、電機(jī)噪聲增大和控制器切換損耗等問題變得越來越突出[6-9]。相比于徑向磁通永磁同步電動機(jī)，軸向磁通永磁同步電機(jī)，尤其是軸向磁通分塊鐵心無磁軛電機(jī)(以下簡稱YASA)具有轉(zhuǎn)矩密度大、軸向長度短、效率高的優(yōu)點(diǎn)。首先，該類電機(jī)取消定子磁軛，其效率和功率密度有所高；其次，集中短距繞組可以有效降低電流消耗，提高效率[10-12]；同時隨著軟磁復(fù)合材料(soft magnetic composite，SMC)的應(yīng)用，電機(jī)加工與制造的問題已經(jīng)基本得到了解決。

電機(jī)的輸出功率越大，產(chǎn)生的熱量就越大。冷卻系統(tǒng)可及時散熱，防止電機(jī)內(nèi)部溫度超過允許工作溫度。此外，隨著電機(jī)內(nèi)部溫度的升高，繞組電阻增大，永磁體的磁性能降低，電機(jī)效率也會持續(xù)降低[13-16]，冷卻系統(tǒng)對提高電機(jī)的性能尤為重要。雖然YASA具有優(yōu)越的電磁性能，但是由于定子磁軛的缺失，冷卻系統(tǒng)難以集成[17-21]，限制了電機(jī)的輸出功率，因此提供高效的冷卻系統(tǒng)和提高散熱效率已成為研究該類電機(jī)的關(guān)鍵問題。

1 直接冷卻式Y(jié)ASA模型

為了解決YASA冷卻系統(tǒng)難以固定以及傳熱效率低的問題，本文介紹一種新型的直接冷卻式Y(jié)ASA，其主要特點(diǎn)是翅片從冷卻機(jī)殼延伸出來，翅片和繞組緊密貼合，翅片內(nèi)部布有冷卻管道。所研究的YASA結(jié)構(gòu)如圖1所示，參數(shù)如表1所示。

對于傳統(tǒng)的水冷電機(jī)，電流產(chǎn)生的熱量首先從繞組傳遞到定子，然后再從定子傳遞到水冷殼。由于繞組和冷卻液之間的熱路長，熱阻大，二者之間會產(chǎn)生較大的溫差，嚴(yán)重限制電機(jī)的輸出功率。對于直接冷卻式Y(jié)ASA，繞組產(chǎn)生的熱量直接傳導(dǎo)到翅片上，然后被翅片內(nèi)水冷管內(nèi)的液體帶走，以此達(dá)到散熱的目的。直接冷卻式Y(jié)ASA的冷卻系統(tǒng)能有效降低定子繞組與水冷管之間的熱阻，提高傳熱效率，提高電機(jī)的輸出功率。

圖1 直接冷卻的YASA幾何結(jié)構(gòu)

表1 直接冷卻的YASA的參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值額定功率Prated/kW30額定電壓Vrated/V(DC)350峰值功率Ppeak/kW65極數(shù)p20峰值轉(zhuǎn)矩Tpeak/(N·m)140槽數(shù)Sn18最大電流Ipeak/A250尺寸D/mm230×170最大轉(zhuǎn)速nmax/(r·min-1)6 000質(zhì)量m/kg12最高效率ηmax/%95

直接冷卻式Y(jié)ASA的冷卻系統(tǒng)中的翅片占用了繞組的空間，從而增加了繞組損耗，但同時也改善了電機(jī)整體散熱條件。具體而言，隨著翅片寬度增加，水冷管直徑也會增大，液體的壓力損失減小，車上的冷卻系統(tǒng)循環(huán)泵的功率也將減小，但散熱翅片寬度增大的同時，繞組因數(shù)降低，繞組電阻和損耗將增大。

對于直接冷卻式Y(jié)ASA，冷卻機(jī)殼上有多路翅片，翅片內(nèi)的液冷管道可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行串并聯(lián)，本文中電機(jī)具有18路翅片，并聯(lián)的水道數(shù)目可以是1，2，3，6，9，18，液冷管道并聯(lián)方案如圖2所示，N為管道并聯(lián)數(shù)。

圖2 不同的并聯(lián)液冷管道方案示意圖

隨著水冷管道并聯(lián)數(shù)量的增加，液體的壓力損失會減小，車輛的冷卻系統(tǒng)泵功率也會減小，但在冷卻液流量恒定的前提下，液體的流速會減小，傳熱效率會降低。

為了使冷卻系統(tǒng)的傳熱效率達(dá)到最大，同時使冷卻系統(tǒng)的壓損達(dá)到最小，需要對冷卻管道的直徑和并聯(lián)數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

2 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化

本文提出的直接冷卻YASA定子剖視圖如圖3所示，每個散熱片上都有兩層水冷管，冷卻液從一層流向另一層，水冷管直徑用dl表示。

圖3 定子剖視圖

電機(jī)的輸出功率定義：

Pout=Tω

(1)

電機(jī)的輸出扭矩和電流的關(guān)系：

T=KTI

(2)

式中:KT為電機(jī)扭矩系數(shù)；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

在定子中，繞組損耗可用下式計(jì)算：

pw=3I2R

(3)

式中:I為相電流；R為相電阻。從電機(jī)繞組傳遞到冷卻液的熱量：

(4)

A=lpπdl

(5)

式中：Rth為水冷套與流體之間的熱阻；Tw為水冷套溫度；Tf為冷卻液溫度；h為熱對流系數(shù)；A為傳熱面積；lp為冷卻管長度。

大多數(shù)情況下，電機(jī)的輸出功率受定子最高溫度的限制，在水冷套和冷卻液溫差恒定的前提下，定子產(chǎn)生的熱量與h和A的乘積成正比。本文主要通過對冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高h(yuǎn)×A，從而提高電機(jī)的傳熱效率，進(jìn)而提高電機(jī)的輸出功率。

為了簡化對流傳熱系數(shù)的表達(dá)式，引入了三個重要參數(shù)：努塞爾數(shù)Nu、雷諾數(shù)Re、普朗特?cái)?shù)Pr，它們都是無量綱數(shù)。

(6)

(7)

(8)

式中:V為流體速度；為流體運(yùn)動粘度；lf為特征尺寸；μ為流體動態(tài)粘度；α為熱膨脹系數(shù)；Cp為在恒壓下的比熱容；λ是材料的導(dǎo)熱系數(shù)。對于直接冷卻式Y(jié)ASA，可以并聯(lián)多個冷卻管道，其特征尺寸可以表述：

(9)

流體速度可以表示：

(10)

式中：Q為流量，本文中流量保持為8 L/min不變。

在給定的水流量下，雷諾數(shù)Re超過10 000，故水流類型為紊流。強(qiáng)制水冷對流系數(shù)可以用下式計(jì)算[22]：

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(11)

根據(jù)式(6)～式(11)，得到熱對流系數(shù)：

(12)

h與A的乘積可以表示：

(13)

由式(13)可以看出，在其他參數(shù)不變的情況下，乘積h×A是冷卻管直徑dl與并聯(lián)管數(shù)N的函數(shù)。該式表明，研究這些參數(shù)對電機(jī)溫度的影響，有助于合理選擇這些參數(shù)。因子hA與N，dl的關(guān)系如圖4所示。

圖4 因子h×A，N與dl的關(guān)系

冷卻系統(tǒng)的壓力損失主要包括兩部分，一部分是沿程水頭損失，另一部分是局部水頭壓力損失：

(14)

(15)

式中:pf為沿程水頭損失；pm為局部水頭損失；為圓管沿程阻力系數(shù)；lt為液冷管道總長度；為局部水頭阻力系數(shù)。

(16)

總的壓力損失：

Δp=pf+pm

(17)

當(dāng)4 000≤Re≤100 000[10]，有：

(18)

壓力損失與N，dl的關(guān)系如圖5所示。

圖5 壓力損失與N，dl的關(guān)系

從分析結(jié)果中可以看出，隨著并聯(lián)水道數(shù)量N和水道直徑dl的減小，冷卻液的流速增大，紊流增強(qiáng)，冷卻系統(tǒng)的散熱能力得到增強(qiáng)。但與此同時，冷卻系統(tǒng)的壓力損失將會增大，在流量恒定的條件下，冷卻系統(tǒng)的功率將會增大。

為了在最小的壓力損失條件下得到最大熱傳遞效率，工程中常用的評價(jià)指標(biāo)定義：

(19)

如圖6所示，在并聯(lián)水道數(shù)量N=5.2時，η取得最大值。根據(jù)前文分析，并聯(lián)水道數(shù)量只能為1，2，3，6，9，18，故最終選擇N=6。

圖6 評價(jià)指標(biāo)η與N的關(guān)系

在實(shí)際應(yīng)用中，電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的壓力損失必須小于100 kPa。圖7表明，在N=6的情況下，冷卻管直徑dl必須大于2.8 mm，才能使壓力損失滿足應(yīng)用要求，考慮到實(shí)際的加工要求，dl選為3 mm。

圖7 壓力損失與冷卻管道直徑dl的關(guān)系

為了驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果，本文建立了直接冷卻式Y(jié)ASA三維CFD模型，電機(jī)繞組發(fā)熱功率設(shè)置為7 kW，冷卻液流量為8 L/min，電機(jī)的零件材料屬性如表2所示。

表2 YASA的零件材料屬性

圖8為YASA定子溫度分析結(jié)果，圖9為冷卻系統(tǒng)壓力分布結(jié)果，表3為數(shù)值分析與CFD分析結(jié)果的對比。從結(jié)果可以看出，CFD結(jié)果與數(shù)值分析得到的結(jié)果具有較好的一致性。

圖8 YASA定子的溫度

圖9 冷卻系統(tǒng)的壓力損失

表3 數(shù)值分析與CFD分析結(jié)果對比

項(xiàng) 目hA/( W·K-1)Δp/kPa數(shù)值分析415.997CFD402.3117

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的結(jié)果，本文制造了優(yōu)化后的YASA并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，如圖10所示。采用嵌入式電阻溫度傳感器(PT100)對繞組和鐵心溫度進(jìn)行測量，并采用兩個液體壓力傳感器(UNIK5000)測量壓力損失。

圖10 優(yōu)化后的YASA

如圖11所示，在水冷YASA輸入相電流140 A、輸出功率42.5 kW時，將CFD得到的繞組溫度和實(shí)驗(yàn)得到的繞組溫度進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)測試得到的壓力損失為0.12 MPa, CFD得到的壓力損失為0.117 MPa，CFD結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

圖11 電流140 A，水流量8 L/min時，

4 結(jié) 語

本文介紹了一種直接冷卻的YASA，通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)傳熱效率,從而增加電機(jī)輸出功率。通過數(shù)值分析，得出了液冷管道的最優(yōu)直徑以及并聯(lián)數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)測試和CFD仿真分析,該YASA的連續(xù)輸出功率為42.5 kW，比原型設(shè)計(jì)樣機(jī)的連續(xù)輸出功率30 kW,提高41.6%。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該種優(yōu)化方法的有效性。本文的研究工作為提高直接冷卻式Y(jié)ASA的輸出功率提供了一種有效的新方法。