智軌電車電機冷卻系統設計與管路優化分析*

谷 飛，劉 彪，李典計

(湖南中車智行科技有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

智軌電車的驅動系統采用了永磁電機的牽引方案，永磁電機具有損耗低，加速性能好，結構緊湊等的優點[1]。但電機在峰值功率持續運行，以及在頻繁加速減速過程中會產生大量的熱量，如果不能有效的散熱，驅動電機將會退磁，會嚴重影響電機持續穩定的工作，對安全運行造成影響[2]。

筆者以新一代智軌平臺為基礎，針對該平臺設計一款電機冷卻系統。根據電機及電機控制器的發熱量以及散熱要求選定相應的系統器件，另根據總體布置要求，設計合理的安裝方式，最后結合AMESim軟件仿真結果對管路設計進行優化，以達到較優的散熱效果。

1 冷卻系統的總體設計

智軌電車電機冷卻散熱系統主要為車輛驅動電機和電機控制器提供冷卻功能，保證其能在正常的工作溫度范圍內運行。在設計開始階段要根據功能要求對其使用條件以及系統構成等進行分析。

1.1 使用條件

智軌電車目前主要使用于低海拔的亞熱帶氣候以及溫帶氣候地區(見表1所列)，在電器件材料選擇以及冷卻液的選用方面要首先考慮環境的因素。

表1 冷卻系統使用的環境條件

根據環境條件要進行相應的適應性設計：

(1)密封設計，防止系統內冷卻液泄露，其連接部位緊固件應達到規定的預緊值。

(2)耐腐蝕設計，選用優良的鍍層和其他表面處理工藝的緊固件，提高各器件的耐腐蝕性能。

(3)耐高低溫設計，設備與防凍液應具有良好的散熱性能，有自身的散熱空間，同時冷卻液和器件應耐氣溫，保證嚴寒中的使用。

1.2 功能要求

冷卻系統的主要功能是維持電機和控制器最佳的工作溫度以及排出管路及電機和控制器中的氣泡，系統的功能分析及其失效形式如表2所列。根據其功能要求可以進一步確定冷卻系統的構成。

表2 冷卻系統功能要求

1.3 系統構成

電機冷卻系統主要由散熱器、無刷風扇、電動水泵、膨脹水箱以及管路等構成，其內部接口規劃如圖1所示。

圖1 冷卻散熱系統內部接口規劃圖

2 電機冷卻系統的設計與驗證

電機冷卻系統的部件設計及選型主要涉及散熱器、電子水泵和電子風扇的計算驗證。

2.1 散熱器總成設計

根據整車配置參數表中電機及控制器的型號，查閱相關資料獲得散熱相關參數，對散熱器進行設計計算。

2.1.1 散熱量計算

確定系統所需散熱量Qw是電機冷卻系統設計的基本依據。由于受到外界影響因素過多，所以在工程應用中對于系統散熱量Qw的計算多采用以下公式估算[3]：

Qw=Qm×(1-ηm)+Qc×(1-ηc)

(1)

式中：Qm為驅動電機的功率，kW；ηm為驅動電機的效率；Qc為控制器的功率，kW；ηc為控制器的效率。

2.1.2 散熱器的散熱面積

根據計算出的散熱量來確定散熱器選定的型號及參數。散熱器中冷卻液的循環流動帶走系統中的熱量，散熱器的散熱面積可以用下列公式計算(忽略上下水室所散發的熱量)：

式中：Qw為散熱器散發的熱量，kW；φw為散熱器貯備系數，取φw=1.1～1.5；K為散熱器的傳熱系數，由散熱器廠家提供；Δt為散熱器中冷卻液和冷卻空氣的平均溫差Δt=tw-ta

式中：tw為冷卻液平均溫度，ta為冷卻空氣平均溫度。

tw=tw1-Δtw/2

(2)

ta=ta1+Δta/2

(3)

式中：tw1為散熱器進水溫度，℃；ta1為散熱器冷卻空氣的進口溫度，℃；Δtw為散熱器冷卻液的進出口溫差，℃；Δta為散熱器冷卻空氣的進出口溫差，℃。

根據以上計算結果選擇合適的散熱器芯體。選擇的散熱器要滿足驅動電機及控制器的散熱要求，使驅動電機和控制器能夠正常的工作。

2.2 電子風扇設計

電子風扇作為散熱器的重要散熱部件對其設計校核尤為重要，設計過程中主要考慮風扇的風量與風扇的大小。

2.2.1 風扇風量

風扇風量Va一般和散熱器的散熱量相匹配，可以根據散熱器的散熱量由以下公式計算：

(4)

式中：Δta為空氣進入散熱器前后的溫度差，℃；γa為空氣的重度，kg/m3；cp為空氣定壓比熱，kJ/kg·℃。

2.2.2 風扇外徑

根據選定散熱器的尺寸確定風扇的外徑D，可按下面公式計算：

(5)

式中：Sz為散熱器芯體的正面面積。

2.3 水泵設計

在電機冷卻系統中，電機及控制器產生的熱量隨著冷卻液的不斷循環流動而帶走，為了保證散熱需求，水泵的流量及揚程也是重要的技術指標。

2.3.1 水泵流量

根據系統中散熱量的需求，可由下式計算冷卻液循環量Vw：

(6)

式中：Δtw為冷卻液在冷卻系統中循環時的容許溫升，℃；γw為水的比重，kg/m3；cw為水的比熱，kJ/kg·℃。

2.3.2 水泵揚程

揚程是單位質量的液體通過水泵后獲得的能量[4]。由于冷卻系統的循環水道內部存在水阻，得到所匹配的揚程可以避免發生氣蝕及供水不足現象[5]。水泵所需揚程通?？梢酝ㄟ^對水道的長度及形狀進行估算，但是智軌用電機及控制器內部的水道形狀復雜，且流量分配難以確定，估算會存在較大誤差，故一般采用實驗的方式測得。

3 電機冷卻系統工作邏輯

此系統整體工作邏輯為：當電機開始運轉時，當電機及控制器溫度達到設定值后，水泵開始工作，循環冷卻液，在外界溫度較低或者運行時間較短時可以滿足電機及控制器的散熱要求；若通過冷卻液循環的自然散熱無法滿足散熱要求時就需要啟動散熱器電子風扇，從而在短時間內使電機及控制器的溫度下降到合理的范圍內。

3.1 水泵工作邏輯

水泵的啟停條件主要根據電機及控制器的溫度。水泵啟動的條件為：電機運行時溫度高于50 ℃或控制器溫度高于45 ℃；電機不運轉時，電機溫度高于60 ℃或控制器溫度高于50 ℃。水泵停止的條件為：電機運行時，電機溫度低于50 ℃或控制器溫度低于45 ℃；電機不運轉時，電機溫度低于60 ℃或控制器的溫度低于50 ℃。

3.2 電子風扇工作邏輯

當冷卻液循環自然冷卻無法滿足散熱需求時就需要電子風扇工作來加快系統散熱，啟動條件為：若散熱器的冷卻液入口溫度>45 ℃或出口溫度>40 ℃時，電子風扇低速運轉；當散熱器的冷卻液入口溫度>65 ℃或出口溫度>60 ℃時，電子風扇將高速運轉；當散熱器的冷卻液入口溫度在45～65 ℃之間，或出口溫度在40～60 ℃之間時，電子風扇的轉速線性增加。

電子風扇關閉所需條件：當散熱器的冷卻液入口溫度<45 ℃或出口溫度<40 ℃。

4 基于AMESim的管路設計與優化分析

電機散熱系統的管路設計也是影響散熱效果的重要因素。根據選定的散熱部件，設計散熱系統的管路。其布置方案有如下兩種。

(1)冷卻液流向：膨脹水箱→水泵→控制器/驅動電機→散熱器→水泵(如圖2所示)。

圖2 并聯水路連接方案

(2)冷卻液流向：膨脹水箱→水泵→驅動電機→控制器→散熱器→水泵(如圖3所示)。

圖3 串聯水路連接方案

4.1 搭建電機冷卻系統AMESim模型

AMESim是一款圖形化仿真軟件，主要用于機械、控制、液壓和熱系統等領域的建模、仿真和動態性能分析，其特有的組件庫和組件模型經過嚴格測試，保證仿真結果的可靠性[6]。將電機冷卻系統的兩個管路設計方案分別建立仿真模型，以分析散熱性能，以得到較優的管路設計方案。

在AMESim軟件平臺搭建智軌電車電機冷卻系統的仿真模型，如圖4、5所示分別為串聯管路和并聯管路的仿真模型。模型主要由電機、散熱器、水泵、風扇及冷卻管路等子模塊組成。

圖4 電機冷卻系統串聯管路模型

圖5 電機冷卻系統并聯管路模型

4.1.1 電機子模塊

電機以智軌電車采用的某型永磁電機為研究對象，其主要參數如表3所列。電機模型選用AMESim軟件IFP Drive庫中的DRVEM02元件。電機散熱量根據式(1)計算。

表3 電機的主要參數

4.1.2 散熱器子模塊

散熱器為縱向流水結構，進水口在左上方，出水口在右下，其主要參數如表4所列。散熱器模型選用AMESim軟件HEAT庫中的THPHISIMP01元件，膨脹水箱模型選用Thermal Hydraulic庫中的TFTK3元件。此散熱器是利用氣-液交換器來模擬熱交換的，熱交換公式為：

Qr=AeU(Tin-Tout)

(7)

式中：Qr為單位時間內空氣與散熱器內冷卻液單的熱交換量；Ae為散熱器中交換面積；U為對流換熱系數；Tin和Tout分別為散熱器進水和出水溫度。

其中，對流換熱系數計算公式為：

(8)

式中：km為散熱器管道的導熱系數；Ma和Mf為空氣和冷卻液的質量流量；Aa和Ba為空氣側的對流修正系數；af和bf為冷卻液側對流修正系數。

表4 散熱器的主要參數

將散熱器的主要參數進行計算，可以得到散熱功率與流量和風速的關系圖，如圖6所示。

4.1.3 其他子模塊

電機冷卻系統使用的水泵、電子風扇和管路的主要參數如表5所列。水泵模型選用AMESim軟件Thermal Hydraulic Resistance庫中的TFPU001元件，風扇模型選用HEAT庫中的FAN001元件，系統中管路模型選用Thermal Hydraulic Resistance庫中的TFL001元件。

表5 系統中其他元件參數

4.2 仿真計算結果及分析

仿真之前對智軌電車的運行狀態進行設定，環境溫度為20 ℃，大氣壓力為101.3 kPa，車速為45 km/h，仿真時間為50 000 s。

分別對兩種管路連接狀態進行仿真，管路中的溫度曲線如圖7所示，從圖中可以看出并聯水路的散熱效果較好，串聯水路的溫升較快。但是在運行一定時間之后兩者差異不大，溫度都趨于穩定。

圖7 兩種連接方式管路內冷卻液溫度結果圖

對于電機冷卻系統的管路連接，兩種方式都能夠有效降溫，并聯方式可以使得電機和控制器冷卻液進水口的冷卻液都是直接由散熱器流出，故優先選用該方式進行管路連接。但是考慮到管路連接的復雜性以及安裝空間的局限性，采用串聯的安裝方式可以減少管路相關元器件數量，連接簡單可靠。

5 結 語

以智軌電車電機及其控制器的散熱需求出發，設計了適用于智軌電車的電機冷卻系統。同時利用AMESim仿真軟件對管路連接方案進行了分析，得出了在不同的條件下適用的安裝方案，對系統及管路的設計提供理論參考。