越野工況下的新能源汽車用油冷電機設計

2023-12-28 08:51:20霍達,胡磊

微特電機 2023年11期

霍達,胡磊

(東風汽車公司技術中心, 武漢 430058)

0 引言

新能源汽車用電機在運行中會產生較大熱量,能否進行有效的散熱直接關系到電機及整車的正常運行。定子鐵心、定子繞組是電機內主要發熱源,其運行溫度是影響其性能和可靠性的關鍵因素,對電機進行合理的冷卻設計是至關重要的。

油冷電機使用冷卻油作為冷卻介質,因油具有優異的絕緣性,油液可以直接與電機定子及繞組進行接觸散熱,熱傳遞路徑短,熱阻小,冷卻面積更大。相比水冷方式,相同工況下油冷可以將電機溫度降低至更低水平,電機可以實現更高功率的運行。并且隨著電機向高速化、小型化發展,油冷冷卻方式是目前一個重要的發展方向。

雖然油冷電機具有更好的散熱效果,但其需要更復雜的油路結構設計,需要增加噴油管、油底殼、油冷器、油泵、濾清器等配套零件,其中噴油管的設計決定了噴淋位置及噴淋充分程度,是油路設計的關鍵零件。并且,油液噴淋到電機后,只能通過重力效應向下流動,最終匯集到油底殼中。如果車輛在通過越野工況、上下坡或是其他復雜路面時電機出現傾斜,那么油流則會出現不同程度的偏移,導致油無法流過目標區域,出現局部溫升過高的風險。如果油底殼設計不當,則會出現油無法流進油底殼,出現油泵吸空現象。如何在油路設計階段避免這些風險,是油路設計的關鍵。

針對油冷電機的散熱研究,尤其是噴淋散熱的研究還比較少。文獻[1]對車用油冷電機的溫度場進行分析,得到了仿真結果,并通過實驗進行驗證。文獻[2]對油冷電機噴油孔流量分配特性進行研究,通過一維和三維仿真得到了影響噴淋效果的主要因素。文獻[3]提出了一種噴油環冷卻結構。文獻[4]驗證了噴油管與孔的尺寸對散熱效果的影響。

本文介紹一種高效散熱的油冷電機散熱方案,通過環形封閉油管結構設計,實現對定子繞組的周向噴淋,增大噴淋面積,提升噴油壓力,增大噴出速度。應用環形的噴淋方式,即使電機出現姿態變化,也不會影響油液的定向噴淋;另一方面,油底殼的特殊設計,可以滿足電機大角度范圍內的傾斜,不會出現油液無法匯集的現象。

最終通過仿真和驗證,對油冷電機方案進行油流分布和溫升效果的驗證,證明應用此方案可以對電機定子提供更加穩定充分的噴淋,提升電機的散熱效果,可以滿足電機大功率運行和多種復雜地形的應用。

1 油冷電機方案設計

1.1 電機整體方案

本文介紹的油冷電機方案峰值功率200 kW,電機總成展示如圖1所示。油路主要包括:一個總進油管,用于將低溫冷卻油引入電機;兩個環形噴油管,用于對定子繞組外圈和定子鐵心外圈進行定向噴淋;一個轉子進油管,用于將冷卻油引入轉子軸,并且轉子軸上開有油孔,可以將油甩出至定子繞組內圈進行冷卻;另外,在軸承附近開有油孔,用于冷卻和潤滑軸承。

圖1 油冷電機

油路示意如圖2所示。冷卻油進入電機分為三路,一路進入環形噴油管,一路進入轉子進油管,一路進入減速箱油路。內部油路分別通過電機定子外殼和后端蓋的內部結構進行貫通和分流;電機內的油通過重力最終匯集在油底殼內,流入油泵,經濾清、油冷器后重新進入電機。

被控對象中反應堆的建模包括反應堆壓力容器下降段、下腔室、堆芯活性區、旁流通道、上腔室等區域.反應堆建模節點劃分如圖5所示.

圖2 油路示意圖

1.2 環形噴油管方案設計

本方案噴油管采用環形設計,使用兩個環形油管分別對兩個繞組端部進行全周噴淋,如圖3所示。油管采用兩個進油口,多個出油小孔,此方式有利于管內油壓建立,確保噴油孔處有足夠壓力,保證噴淋速度。

環形油管開孔如圖4所示。周向的多個噴油小孔對繞組外圈進行充分的定向噴淋,噴淋面積最大化,為定子繞組的各個區域提供冷卻油,電機在大功率工況下運行時可以保持較低的溫度水平,避免出現冷卻不均,繞組局部無油經過導致過溫的風險;環形噴油管的另一個優勢在于,即使電機出現傾角,對繞組的噴淋和油流并不會受到影響,電機在不同姿態下的冷卻效果更加穩定,當車輛在經過長距離坡道時不容易出現過溫問題。

圖4 環形噴油管開孔方式

1.3 油底殼方案設計

由于冷卻油流經定子后,溫度升高,需要回流至油冷器進行降溫后才能繼續進行循環噴淋,此過程中需要通過油泵將冷卻油泵入油冷器,油泵油的來源即為油底殼內的積油。為了使噴出的油能夠匯集,油底殼通常設計在電機結構的最低處。

另一方面,油泵正常工作需要油液液面高于油泵入口,否則無法保證噴油管內流量要求,并且油泵吸空也會增大油泵電機燒毀風險。當電機出現傾斜時,如何保證油底殼始終保持在電機結構的最低位置是油底殼設計的關鍵。

本方案油底殼設計采用大角度扇形設計,圖5展示了電機在不同傾角下油底殼的積油情況。可以看出,電機在±60°的傾角范圍內,都能夠將油液集中在油底殼內,這就保證了電機在車輛上下坡道過程中都能保證油冷系統正常工作,油泵正常泵油。

圖5 不同傾角下油底殼積油情況

2 仿真計算

本方案油路主要分為兩部分,一部分為冷卻油在噴出前,由殼體和噴油管構成的內部流道,另一部分為噴出后的外部流道。由于兩種流道所用的仿真方法不同,所以分別進行仿真。

2.1 內流道仿真

內部流道仿真,主要考察油路流量分配情況、管路內油壓建立情況、噴油孔噴油速度。判斷各油路流量分配是否達到各路流量目標的需求,同時判斷所有噴油孔是否都能夠均勻地噴出油。

噴油管上噴油孔的特征結構為T形管,結構如圖6所示。

圖6 T形管噴管結構

流過T形管的壓力計算如下式[6]:

(1)

(2)

式中:Δpλ為沿程壓力損失;v為管內油液的平均流動速度;Da為入口的管道直徑;Db為噴油口的直徑;min為入口的質量流量;mout為噴油口的質量流量;Re為雷諾數。

影響噴油壓力的關鍵因素是噴管的直經和噴孔的直徑,為保證噴油管內部壓力建立,需保證噴油管總截面積大于所有噴油孔的總面積,從而得到油管與油孔的直徑。

內流道仿真模型采用完整模型,一個總進口,出口分為兩路定子噴油管、一路轉子進油、一路減速箱進油。兩個環形噴油管分別噴淋前后端繞組,每個環形油管上均開有23孔。仿真輸入保持和實際工況一致,冷卻油入口溫度80 ℃,流量13 L/min。內流道模型建立如圖7所示。

圖7 內流道模型

通過內流道仿真計算,進液口總壓力16.3 kPa,該流阻在合理范圍內。

由于減速箱和轉子軸的分流,所以定子冷卻油路流量最終能夠達到7.61 L/min,噴油管單孔流速均能達到3.46 m/s以上,靠近進油口的噴油孔流速較大,能夠達到3.92 m/s,各孔的流量和流速基本處于相同水平。計算結果表明,各油路流量分配達到了設計目標,環形噴油管可以實現各孔都能均勻、穩定地出油;環形噴油管噴淋的流量分配結果如表1所示。單油孔流量比例及流速如圖8所示。