一種油冷電機計算攪油損失的方法和研究

主題詞：油冷電機攪油損失無網格粒子法三維動態CFD多物理場耦合仿真

中圖分類號：TM351 文獻標志碼：A DOI：10.19620/j.cnki.1000-3703.20240982

AMethod and Study for Calculating Oil ChurningLosses in Oil-Cooled Motors

ZhouHang'，LiSongsong'，SunYouqing'，YanKuo2，Cui Jiangtao'，ChenDexint （1.CommercialVehicleDevelopmentInstitute，FAWJiefangTruckCo，Ltd.，Changchun13Ool1;2.AMilitaryOfficein Changchun， Changchun 130000）

【AbstractIToaddresstheissueofoilchurning losses intheoperationofoil-coled motors，this study proposesamethod forcalculatingoilchurninglosesinoil-coledmotors.Theproposedmethodintegratesfluidmechanicsandthermodynamic theoryandemploysathree-dimensionaldynamic CFDmulti-physicscouplingsimulation basedonameshlessparticle method tocalculateoilchurning loses.Theaccuracyof theproposed method isvalidated throughcomparativeanalysiswith experimentaldata，providing valuable insights for optimizing oil-cooled motor design and improving effciency.

Key words：Oil-Cooled motor，Oilchurning loss，Meshlessparticle method，Three-dimensional dynamic CFD，Multiphysics coupling simulation

【引用格式】周航，李松松，孫友情，等.一種油冷電機計算攪油損失的方法和研究[J].汽車技術，2025（7）：57-62.ZHOUH，LISS，SUNYQ，etal.AMethodandStudyforCalculatingOilChurning LossesinOil-ColedMotors[J].Automobile Technology，2025（7）： 57-62.

1前言

驅動電機作為新能源汽車的核心部件，其性能直接影響整車的動力性、經濟性及可靠性。為提升電機功率密度、效率和可靠性，電機的冷卻系統設計已成為電機研發中的研究熱點[1-2]。

當前驅動電機的冷卻方式主要有風冷、水冷及油冷三種。其中，油冷方式由于其高效的冷卻性能和結構緊湊性，逐漸成為主流選擇。油冷驅動電機通過在內部加入一定量的冷卻油，利用電子油泵將冷卻油從油底殼經濾清器和散熱器冷卻后送至電機內部，使冷卻油流經定子繞組、轉子和左右軸承等關鍵部位，達到高效散熱的目的[3-4]。

然而，在永磁同步驅動電機的高速運轉過程中，定子繞組的銅耗、定轉子鐵芯的鐵耗、軸承的機械損耗及風摩損耗都會產生大量的熱量。若冷卻或散熱不足，將導致磁鋼、鐵芯、軸承等溫度升高，對電機磁鏈、軸承壽命產生影響。因此，針對電機內部的主要熱源，如定子繞組、轉子鐵芯、轉子軸和內部軸承等，設計專門的冷卻油道，使冷卻油能夠充分流經這些部位，通過固體間的導熱和固液間的對流換熱等形式進行散熱[5-7]。由于冷卻油本身具有一定黏度，在電機高速運轉時，如果油量過多，會導致攪油損失增加，進而增加能耗，影響電機的工作效率；但如果油量過少，則會影響電機散熱能力，導致電機過熱。因此，準確計算在一定設計流量下的攪油損失，對優化油冷電機的冷卻系統設計和提升電機效率具有重要意義。

為了解決上述問題，本文提出一種油冷電機計算攪油損失的方法，與傳統有限元分析方法相比減少了建模時間和計算工作量。通過結合流體力學和熱力學的理論，深入分析油冷電機攪油損耗的產生機理，采用無網格粒子法建立攪油損失的計算模型。在三維動態仿真模擬多物理場耦合仿真中，模擬電機內部油液的流動和熱交換過程，并對不同工況下的攪油損失進行計算。最后，通過與實際性能臺架試驗數據進行對比分析，驗證所提出方法的準確性和可靠性，以期為進一步優化油冷電機的設計和提升其運行效率提供理論支持和技術參考。

2原理分析和無網格粒子法計算理論

本文以某種油冷扁線永磁同步驅動電機為研究對象。電機總成結構包括電機殼體、噴油環、定子鐵心、定子繞組總成、轉子鐵心、磁鋼、轉子軸、左右軸承、導油管、油泵、后端蓋、散熱器等多個核心部件。這些部件之間的相互作用和冷卻油的流動特性決定了電機的熱管理性能和運行效率。

電機冷卻系統設計總體方案旨在有效降低電機內部的熱量積累，提高電機的散熱性能。具體而言，定子繞組總成分為左、右2個繞組端部，在2個繞組上部通過2個噴油環實現對繞組噴淋冷卻。噴淋出的冷卻油與定子繞組直接接觸，實現高效的對流換熱，從而快速帶走定子繞組產生的熱量。轉子軸設計為空心軸結構，通過導油管將冷卻油輸送至轉子軸內部。轉子軸的左右兩端在徑向開有一定數量小孔，通過轉子軸的高速旋轉實現冷卻油的甩油功能。前軸承處通過設計專有油道實現對前軸承的噴油冷卻，后軸承處則通過轉子軸后端油孔甩油進行冷卻。其中，電機中的旋轉部件包括轉子總成、前軸承及后軸承，以上旋轉部件隨著冷卻油的流動及積累會在油液中產生攪油損失。為簡化分析，本文將電機內的油液流動簡化為不可壓縮模型。油冷電機冷卻油路方案如圖1所示。

2.1計算攪油損失原理

攪油功率損失（即攪油損失）主要由潤滑油液本身的黏性引起，旋轉部件在油液中受到液體阻力作用，該阻力會產生熱量，導致功率損失。電機攪油功率損耗公式為：

式中： _;P 為攪油損耗， T 為攪油力矩， n 為電機轉速。

攪油力矩是由于轉子及前后軸承受到流體阻力產生的，受力方程為[9-10]：

式中： u 為流體矢量速度， Ψ_t 為時間 ，ρ 為流體密度 ，^p 為壓力， τ 為粘度 ，f 為流體質量力，V為梯度算符， abla² 為拉普拉斯算符。

湍流粘度的計算采用大渦模擬（LargeEddySimulation，LES）模型，其公式為：

τ=（C_smΔ）²|D_ab|

式中： C_sm 為Smagorinsky常數， 為濾波器寬度， D_ab 為應變速率張量， u_a 為流體粒子在空間坐標系中 a 向時均速度分量， u_b 為流體粒子在空間坐標系中 b 向時均速度分量， x_a 為流體粒子在空間坐標系中 Ψ_a 向坐標變量， ?_?x_b 為流體粒子在空間坐標系中 b 向坐標變量。

2.2無網格粒子法計算理論

無網格粒子法又稱光滑質點流體動力學（SmoothedParticleHydrodynamics，SPH），它不同于傳統有限元法，不需要生成網格及網格劃分，而是以運動流體質點為研究對象，將連續的流體用相互作用的質點組來描述。各個質點上承載質量、速度等各種物理量，通過分析其隨時間的變化規律，求解質點組的動力學方程以及跟蹤每個質點的運動軌跡，從而求得整個流場的分布和發展。在粒子法中，通常將流體視為不可壓縮流體，因此將流體密度視為常數處理。

粒子法基于拉格朗日坐標系，將流體的物理量標記在運動的流體單元上，用連續性方程和能量守恒方程描述如下：

式中： H 為比焓， ?_k 為導熱系數， T_temp 為溫度， Q 為體熱源項。

每個離散粒子都占據流場域的一小部分，對于鄰近粒子間的相互作用基于光滑函數進行求解，用核函數描述為：

r=r_j-r_i

式中： r_e 為粒子作用范圍， r 為粒子間距， r_j 為第 j 個粒子的位置向量， r_i 為第 i 個粒子的位置向量， w 為核函數。

對于粒子疏密程度，用粒子數密度來描述：

式中： n_i 為 i 粒子的粒子數密度 ，j 為 i 粒子鄰居粒子。

時間項離散之后速度描述為：

其中，令：

則得到：

將速度帶人連續性方程，描述為：

對于壓強求解，根據壓力泊松方程，描述為：

式中： u 為速度矢量，表示流體在空間各點的速度； Δt 為時間步長，表示計算過程中的時間間隔； ablap 為壓力梯度，表示壓力隨空間位置的變化率 ;ρ 為密度，表示單位體積的質量； τ 為黏度，描述湍流結構的衰減特性; abla² 為拉普拉斯算子，描述二階空間導數 _;f 為外力矢量，表示作用在流體上的外力； u^* 為速度場在下一時間步的預測值； u^t-1 為速度場在前一時間步的值。

3仿真過程及結果分析

3.1幾何模型數模處理

本文應用PreonLab軟件，基于無網格粒子法對油冷驅動電機總成進行計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）仿真分析。根據油冷驅動電機總成的結構原理及電機運動規律，對油冷電機總成的三維模型進行了簡化處理，以提高計算效率并確保分析結果的準確性。具體的簡化處理如下：

首先，將左右定子繞組上部的噴油環、電機殼體及后端蓋處理成一個部件；將定子鐵心設置為一個部件，以減少不必要的幾何復雜性；其次，將定子繞組總成拆分成一個前輸出端繞組、一個鐵心內繞組及一個后輸出端繞組，目的是計算前后兩個軸向輸出端繞組在與冷卻油接觸中冷卻面積占比，用來校核冷卻油對繞組散熱能力的大小；然后，將轉子總成設置為一個部件。同時，為計算軸承攪油損失，將前端軸承總成和后端軸承總成分別拆分成各一個軸承外圈、一個滾子和一個軸承內圈；將滾子和軸承內圈合并為一個部件。在簡化后的數模中，旋轉部件主要包括轉子總成、前軸承滾子及軸承內圈和后軸承滾子及軸承內圈，共計三個旋轉部件。此外，定子和轉子間氣隙定義為驅動電機工作過程中定子鐵芯和轉子鐵芯之間的間隙長度，具體如圖2所示。

3.2 仿真參數設定

首先計算轉子鐵芯、轉子軸、前軸承滾子及內圈和后軸承滾子及內圈共4個旋轉部件的旋轉中心，并定義以上4個部件的旋轉方向為 （0，0，-1） 。接著設定4個部件的旋轉速度保持一致。在此基礎上，設置固體部件的材料屬性、總成的重力方向，并添加初始化潤滑油。其中，默認所有固體的材料相同，固體表面的粗糙度為1，固體表面和液體黏附性為1。接著設置油冷電機內部的冷卻油粒子直徑為 0.00075m ，冷卻油粒子的直徑大小是根據電機內部設計的專有油道管徑及小孔的孔徑設計的，確保冷卻油粒子能夠通過電機內部所有管徑及孔徑。隨后，定義冷卻油材料屬性。當冷卻油溫度在 85°C ，入口流量為 7L/min 時，冷卻油的密度為 799.47kg/m³ 、表面張力系數為 0.035N/m 剪切黏性為 0.00557Pa?s 和體積黏性為 0.01114Pa?s 。接下來，在油冷電機殼體上添加冷卻油源，用于設置冷卻油進入電機內部的位置和角度。通過入口流量需求及入口管徑面積大小，計算出入口流速為 0.99m/s 。最后，在轉子鐵芯、轉子軸、前軸承滾子及內圈和后軸承滾子及內圈關聯ForceSensor力矩傳感器，對油冷電機總成內冷卻油液動態仿真過程中，因攪油過程產生的扭矩損失進行實時數據采集。

3.3計算結果分析

在油冷電機冷卻油工作溫度為 、入口流量為7L/min 的條件下，分別計算驅動電機在 3000r/min r6600r/min 和 12000r/min3 種轉速工況下產生的攪油功率損失。通過對油冷電機在以上3種轉速工況下的冷卻油動態流體仿真，在運行4s后，使得冷卻油能夠充滿油冷電機內部油路，此時油冷電機總成內油液分布情況達到穩定狀態，如圖3所示。同時通過對油冷電機冷卻油人口位置處流量監測，得到如圖4所示的監測結果。結果表明，油冷電機冷卻油入口流量與設計需求符合，能夠持續滿足 7L/min 入口流量需求。

冷卻油從油冷電機殼入口位置開始進入電機內部專有油道內，按照專門油道設計，分別流經定子繞組上部分油路、轉子軸內部油路和軸承油路，實現定子繞組出線端及焊接端上部分的噴油環噴淋、轉子軸甩油和對軸承冷卻，通過設置Sensorplane流量傳感器計算電機在 3000r/min，6600r/min 和 12 000r/min 轉速下電機內部各油路冷卻流量分配情況，具體流量監測結果如圖5＼～圖8所示。

由圖5可得到在驅動電機3組轉速工況下，左右定子噴油環分布均接近1：1；由圖6得到定轉子油量分布約為4：2.3；由圖7得到轉子軸前后端甩油量分布均接近1：1，粒子分布均勻；由圖8得到繞組端部冷卻面積系數 gt;10% ，以上計算數據驗證油冷電機的冷卻結構系統滿足設計要求。

對3組工況的旋轉部件添加力矩傳感器，監測攪油損耗，取曲線穩態數值，如圖9所示。

通過對3種電機轉速下的動態流體運行仿真結果分析，得到了在電機內部流體分布達到平衡狀態時，轉子總成、前軸承滾子及內圈和后軸承滾子及內圈的攪油力矩數據，分別為 0.045 66N?m，0.338N?m 和 0.1361N?m 。電機在上述轉速工況下的攪油功率損失分別為 0.0143kW，0.233kW 和 0.171kW 。

4試驗驗證與對比分析

為了驗證電機攪油損失計算結果，將油冷電機在高速電機試驗臺上做開啟油泵時電機的空載損耗測試和關閉油泵時電機的空載損耗測試，測試數據如圖10所示。計算兩次試驗測試數據中電機在 3000r/min 6600r/min 及 12000r/min 的扭矩差值即可得到對應轉速下的電機攪油損失，試驗數據如表1所示。

通過試驗數據得知，電機在 3000r/minΩ，6600r/min 及 12000r/min 工況下的攪油損失功率分別為 0.012kW /0.229kW 及 0.113kW 。與仿真計算結果相比，試驗數據驗證了采用無網格粒子法對油冷驅動電機攪油損失功率進行計算具有一定的準確性和可靠性。雖然試驗數據與仿真結果之間存在一定誤差，但是總體趨勢保持一致，表明該仿真方法在工程應用中具有實際的指導意義。

為降低油冷電機產生的攪油損失，根據仿真結果，提出如下改進方向：在結構方面，可以調整前后軸承分布位置，減少多余油液飛濺和攪拌；在轉子軸內腔表面粗糙度方面，可以通過給轉子軸內壁表面涂覆低摩擦因數的涂層，進一步減少油液與轉子軸內腔的摩擦，降低攪油損耗；在潤滑油品選擇方面，選擇合適工作溫度范圍的油液黏度，既能在不同工況下保證最佳的潤滑性能，又能減少油液的黏性阻力，降低攪油損耗。

5結束語

本文提出了一種油冷電機計算攪油損失的方法。不同于基于傳統有限元的方法，本文應用無網格粒子法進行油冷電機動態流體分布進行仿真計算。通過分析油冷電機冷卻系統的流量分配結果，驗證是否滿足電機冷卻系統設計要求，同時計算油冷電機在油液分布達到穩態條件下的攪油功率損耗。通過油冷電機空載損耗試驗，對仿真計算結果進行了試驗驗證。試驗結果證明了應用無網格粒子法的CFD分析結果具有較高的準確性，能夠有效解決計算油冷電機攪油損耗功率的問題，可為后續油冷電機冷卻系統設計、熱計算及提高工作效率提供參考。

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修改稿收到日期為2025年3月12日。