高转矩密度电机温度场分析及冷却系统优化

2017-05-30翟景森杨泗鹏冯勇敢秦亚坤

微特电机 2017年12期

翟景森，康娟，杨泗鹏，冯勇敢，秦亚坤

(1.郑州市公共交通总公司，郑州 450046；2.郑州宇通客车股份有限公司，郑州 450061)

0 引言

驱动电机是电动客车中的关键部件，对动力性、经济性和安全性有重要影响。电动客车的驱动电机应具有高转矩密度、宽调速范围和宽高效区等特点[1]。在不同类型的电机中，永磁同步电机具有相对较高的转矩密度和效率，是目前最适合在电动客车上使用的电机[2]。

高转矩密度就意味着电机在紧凑的空间内需要输出更大的转矩，即要求电机的体积和重量相比目前的电机更小。若要提高电机转矩密度，需在电机初始设计时，充分利用材料极限性能，增加热负荷。但电机工作温度过高，会使得电机内绝缘材料性能快速下降，缩短电机的寿命，可能在严重时损毁电机[3]。而电动客车中安全性是极其重要的指标，因此设计合理的冷却系统，将电机温升控制在可以接受的范围，对保证客车可靠运行具有重要的意义。

本文通过对电动客车用高转矩密度驱动电机的温度场仿真，设计满足温升要求的驱动电机。并对该电机冷却系统进行了研究和优化，分析轴向水路结构、圆周螺旋水路结构和多路并联水路结构的散热效果。

1 温度场仿真模型建立

1.1 温度场数学模型

本文以一款电动客车的驱动电机为对象，进行温度场分析和冷却系统研究，永磁同步电机的参数如表1所示。

为了简化计算，驱动电机在温度场计算时，忽略热辐射效应，只考虑热传导效应及对流换热的影响。建立驱动电机温度场数学模型，其暂态运行的三维热传导方程[4]：

(1)

式中：T为温度；Kx，Ky，Kz为介质的导热系数(分别为x，y，z方向)；K为法向导热系数(s1，s2)；q为发热源的密度；s1，s2分别为电机的绝热和散热边界面；γ为介质的密度；Te为s2界面的介质温度；α为s2界面散热系数。

1.2 温度场求解模型

本文中的驱动电机为低速大扭矩电机，极槽数为16极72槽，电机的转子上的轴向通风孔有8个，在电机的轴中心处不产生热交换，则电机求解区域可简化为全模型的1/4，其中轴向上(x方向)取上半部，铁心段(z方向)取半个铁心为模型计算区域，如图1所示。绕组直线段在定子槽内，其端部伸出铁心，和机壳无接触，热量主要通过铜绕组传递至定子铁心，再经过机壳和水道散热。

图1 电机温度场计算求解区域

边界条件如图2所示。

(a) 径向中心截面

(b) 轴向中心截面

在图2中，S1面为电机的径向中心截面；S2面为电机的轴向中心截面，根据电机结构的对称性，认为S1和S2为绝热面，不会产生热交换，可使用热流边界条件(第二类边界条件)；散热面为电机内部各零部件的外表面(如机壳内外表面、铁心内外表面、绕组表面)，发生热量交换，可使用对流换流边界条件(第三类边界条件)。电机的散热路径如图3所示。在实际情况中，电机定子和转子既发生热传导，又发生热对流。一般来说，电机的气隙长度相对于铁心长度而言非常小，可以将电机气隙简化为静止流体[5]。

图3中，空气和电机表面之间为对流散热形式；电机各零件之间以及冷却水和水套之间通过热传导进行散热。

图3 电机的散热路径图

2 电机温度场仿真计算

2.1 稳态温升仿真

电动客车驱动电机要求其在额定功率下能长时间运行，需要对其稳态温度进行计算。仿真的电机在持续运行工况下稳态温度状态如图4所示。

(a) 电机稳态温度分布

(b) 绕组端部稳态平均温度曲线

从图4(a)的电机持续工况稳态温度图中看出，电机绕组温度在端部处最高，因为绕组是主要热源，端部绕组散热一方面通过和空气的对流交换，绝大部分是通过绕组、定子铁心、机壳和冷却水进行传导散热，散热效果比绕组中间部位差；由于水道中冷却水和机壳温差较大，机壳、定子铁心及转子部分通过热传导散热，温度分布以绕组为中心向两边分布。图4(b)是绕组端部稳态平均温度曲线，其稳态温度不超过104 ℃，此绕组选用H级绝缘，允许工作温度为180 ℃，满足电机的稳态允许温度。

2.2 短时峰值转矩温升仿真

电动客车在爬坡、加速时需要驱动电机在峰值转矩下工作，此工况下要满足电机的温升要求，以致于电机不会发生过热故障，绕组烧毁。本文在电机40 ℃环境温度下，对峰值转矩工作时进行了仿真计算，如图5所示。

(a) 电机峰值运行60 s后温度分布

(b) 电机峰值运行60 s后绕组端部平均温度曲线

由图5可以看到，峰值转矩运行时电机温度急剧升高，运行60 s后，电机绕组端部平均温度达到128 ℃，可以满足电机峰值运行1 min的设计需求。

3 驱动电机冷却系统优化

驱动电机的温升和冷却系统有直接的关系。假定冷却系统的冷却介质相关参数不变，比如水的流量和入水口温度一定，电机的冷却水道结构的不同对电机温升亦有较大影响。本文对轴向Z型水道、圆周螺旋水道、多路并联圆周水道的拓扑结构进行仿真，以确定最优的冷却水道结构。

3.1 轴向Z型水道结构

轴向水道结构是电机常用的水路结构，也称为“Z”字型水路结构，一般是单条水路沿轴向方向直走，轴向水路之间首尾依次连接，如图6所示。

图6 轴向水道结构

通过对额定功率下的稳态温升仿真，可得绕组端部平均温度稳定在114.4 ℃，如图7所示。

图7 轴向水道结构绕组端部稳态平均温度曲线

3.2 圆周螺旋水道结构

圆周螺旋水道结构中的水路沿机壳周向螺旋连续前进，进出水口分居电机两端，如图8所示。

图8 圆周螺旋水道结构

通过对额定功率下的稳态温升仿真，可得绕组端部平均温度稳定在102.3 ℃，如图9所示。

图9 圆周螺旋水道结构绕组端部稳态平均温度曲线

3.3 多路并联圆周水道结构

多路并联圆周水路结构中的水路沿机壳周向呈圆圈状分布，各水道之间有4个轴向水平的连接水道，进出水口分居电机两端，如图10所示。

图10 多路并联圆周水道结构

通过对额定功率下的稳态温升仿真，可得绕组端部平均温度稳定在108.9 ℃，如图11所示。

图11 多路并联圆周水道结构绕组端部稳态平均温度曲线

通过对3种水路的对比分析可知，在相同的热源、相同的冷却介质参数情况下，圆周螺旋水道结构的冷却效果最好。由于轴向“Z”字型水道结构的水路之间有180°转折，水路有很多转弯倒角，水流阻力损失较大，散热效果最差；而多路并联圆周水道结构介于两者之间，在满足冷却要求的情况下，选用圆周螺旋水道结构为最优方案，但也需要考虑由于进出口水温度的差异会使电机两端产生温差。