电机散热仿真分析

2013-04-16郭军朝夏青松史建鹏章国光

汽车科技 2013年1期

郭军朝，夏青松，史建鹏，章国光

（东风汽车公司技术中心，武汉 430058）

电机的温升是衡量电机性能的重要指标之一。为了降低电机的温升，主要从电机的电磁设计及其冷却系统设计方面进行改进。如果电机的电磁设计、结构设计与通风、热计算相互配合，则可以提高电机的性能。

电机在能量转化过程中会不可避免地产生损耗，如铁心损耗、定子绕组的铜耗和机械损耗等，这些损耗会导致电机温度升高。电机温度过高会破坏电机绝缘材料和稀土永磁材料，使电机负载能力减弱，润滑脂寿命下降，电机无法正常工作甚至烧毁。因此，对电机的冷却，尤其是新能源汽车驱动电机的充分冷却是电机开发过程中所必需考虑的问题。

本论文从流体和传热技术的角度出发，分析和比较了自主开发电机的冷却设计方案，并对低流阻的设计方案开展了电机的散热分析。

1 电机生热基本理论

电机的损耗是求解冷却水温升不可缺少的参数，其值的大小与电机各部分的损耗有关系。影响电机发热的损耗通常有铜耗、铁耗及杂散损耗，其中铜耗和铁耗均可以通过运用电磁软件ANSOF计算得到。

1.1铜耗

铜耗是由运行时的电流通过定子绕组的电阻产生的损耗，感应电机转子的铜耗是在端环和导条上流过电流时的损耗。铜耗的表达式如下：

式中：ρ0为材料在温度T0时的电阻系数；T为温度，β为温度系数，J为电流密度。

计算绕组发热时，铜耗PCu按其组成部件分成槽部铜耗和端部铜耗，其中两者的取值与各自的长度相关［1］。

1.2 铁耗

铁耗在整个电机损耗中占有很重要的地位，对于NdFeB永磁电机而言，铁耗的准确计算不但能够帮助设计出更为高效的电机，而且可以避免磁钢发生退磁。

铁耗是穿过定子铁心的交变磁场变化时产生的涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗正比于转速的平方，磁滞损耗正比于转速。

涡流损耗不但与磁通密度峰值有关，而且与磁通密度随时间的变化率有关，精确计算较为困难，通常的做法是对电磁密波形进行傅利叶分解，累加各次谐波。这种方法对电磁密波形的准确性要求高，并且很复杂。

1.3 机械损耗

机械损耗分为轴承部分的摩擦损耗和伴随冷却风扇旋转产生的风损耗。准确计算电机的机械损耗不仅可以使得效率提高，同时也可以保证电机的使用性能，而且还可以根据机械损耗的大小来合理设计样机的冷却系统，保证了样机的成功率。

2 电机的结构

在开展电机的散热分析前，首先观察电机的结构，结构如图1所示，其由前端盖、后端盖、壳体构成。电机内部结构为图2所示的定子、绕组，图3为电机转子的断面。

3 电机的冷却方案分析

因为本文所述电机的功耗是3 500W，功耗比较大，冷却方式不能采用风冷，而应采取水冷的方式，冷却水套的设计方案如图4、图5所示。方案1冷却液进入电机水套后，分成三部分流过壳体后，在电机另一端汇集，然后又分成三部分经壳体流向电机的初始端。方案2特征在于水路从水套入口到出口是一致的，没有存在分流的现象。

对上述冷却水套设计方案运用数值流体力学技术开展了流阻仿真分析［2］的流阻比较如图6所示。

分析图6电机的水套设计，方案2的流阻比较低，故采用方案2对电机进行冷却。两个冷却水套设计方案某断面速度场的分部如图7、图8所示。

4 电机的散热分析

因为冷却水套设计方案2的流阻比较低，故采用此方案进行电机的热态仿真分析，工况是冷却液入口流量为14 L/min，温度是59.5℃。

4.1 电机的功耗

电机的功率为35 kW，效率为90%，可得电机的功耗为3 500W。假设此功耗以热传导方式均被电机的水套吸收，并转化成为电机的温升。

假设电机壳体、端盖均处于室温状态，无风条件下，开展此前提下的散热仿真分析。

4.2 进出水口的温升

本文从稳态角度开展了电机冷却进出水口的温升分析，冷却液入口流量为14 L/min，入口温度为59.5℃，仿真得出水口的温升曲线如图9所示，分析可得出口水温为64.5℃，进而可得电机冷却液的温升为5℃。

4.3 部件温度分布云图

冷却水套温升的分析是电机散热分析的一个方面，电机壳体、定子等部件的温度分布云图是电机散热分析的另一个方面。电机前端盖、后端盖及壳体的温度的分布云图如图10所示。分析图10，电机前后端盖的最高温度分别为63.9℃、64.1℃，壳体表面最高温度为70℃。

提取电机定子和铜线绕组的温度分布如图11所示，定子高温区域分布在齿额区域，温度最大值为102.2℃。绕组高温区域分布在两端，最高温度是104℃。

对电机内部温度分布进行直观切片显示，可以比较电机壳体、前后端盖、定子以及绕组的温度，如图12所示。高温区域分布在定子和绕组上，绕组端部温度最高，可达103.8℃。

5 冷却水套分析

5.1 冷却水套的流阻分析

为考核冷却水套的设计方案对流阻的影响，对本水套开展了多工况下的流阻分析如图5所示。

5.2 冷却水套近壁面流速分布

分析水套近壁面流速的速度分布云图如图13所示，在S型水套内侧近壁面流速最大值为2.72m/s。速度越快值越大，则有利于加速电机壳体散热的速度。图中可见涡流的存在，其不利于电机端盖的散热。

5.3 水套内侧壁面对流换热系数

为分析冷却水套各部分是热还是放热，从数值传热分析角度提取了水套的壁面对流换热系数［3］。图14（a）中表示水套的壁面对流换热系数的宏观分布，正值表示水套在吸收来自壳体的热量，负值表示水套在向外散热。图14中的（b）表示壁面对流换热系数大于0所分布的水套区域和云图，分析此图也可得对流换热系数小于0的区域都在水套端部，表示水套是处于放热状态，热量被电机的前后端盖吸收。