基于热管-风冷系统的新能源汽车电机热分析

叶升强

摘要：针对新能源汽车电机紧凑、轻量化、高功率密度和高可靠性的要求，提出基于热管一风冷系统的新型冷却系统。设计了基于热管一风冷系统的电机结构，建立电机有限元热分析模型并验证其可行性;通过有限元模拟，研究该新型电机在额定功率和峰值功率下的温度场。结果表明：热管一风冷系统能有效地控制电机的温升。与水冷系统相比，无需水泵、节温器、水箱、管路以及其他装置，结构简单、紧凑，有利于实现新能源汽车的轻量化和高功率密度。

关键词：热管-风冷系统、电机热

1 前言

电机在运行过程中会产生各种损耗，产生的损耗转换成热能，引起电机各部分温度升高，温度过高将严重影响电机性能和使用寿命。随着新能源汽车的发展，电机单机容量不断增大，且要求体积小、重量轻、功率密度大，对电机的温升控制带来极为严峻的挑战。

由于电机温升控制的重要性，国内外对电机的热分析和冷却系统做了大量的研究。目前使用最多的是利用有限元法对电机的温度场进行仿真模拟。

2 基于热管的风冷冷却系统

2.1电机损耗及传统水冷系统分析

电机作为一种电能与机械能的转换装置，在运转过程中不可避免会产生损耗。电机损耗主要包括铁损耗、铜损耗、机械损耗、杂散损耗等，这些损耗转化成热量造成电机温度升高。电机温度过高，一方面会降低永磁体的性能甚至引起不可逆退磁，另一方面还会破坏绕组绝缘，降低线圈的使用寿命，进而影响电机的长期稳定运行。目前，新能源汽车电机的冷却系统均为强制循环水冷系统，如图1所示，包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、水箱、电机及水冷机壳。冷却水在水泵中增压后，进入电机的水冷机壳。冷却水从电机机壳流道流过并吸收电机产生的热量，之后进入节温器。节温器根据冷却水温度的高低自动调节进入散热器的水量，以调节冷却系统的散热能力，保证电机在合适的温度范围内工作。最后，流经散热器中的冷却水向周围的空气散热而降温，冷却后的水返回水泵，如此循环往复。在汽车行驶或冷却风扇工作时，空气从散热器周围高速流过以增强对冷却水的冷却。

水冷系统具有较大的传热能力，能够将电机产生的热量有效地带走。但该系统存在一些不足：在运行过程中，不可避免会产生水垢并沉积，从而堵塞水路，易造成沉积区域的换热环境恶劣，局部温升提高，严重时可能造成电机线圈局部温度过高而损毁;压力低时流速低散热效果不理想，而若压力太大，则可能造成水力钻孔现象，导致冷却水泄漏;整套冷却系统复杂、重量大、不紧凑，不符合新能源汽车电机紧凑、轻量化的发展方向。

2.2基于热管一风冷系统的电机结构

为寻找一种紧凑、高效、轻量化的电机冷却系统，提出基于热管的风冷冷却方案。该冷却系统主要由平板铝热管、散热翅片和风扇组成。热管是一种具有极高导热性能的传熱元件，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有强大的传热能力和极小的热阻。因电动汽车电机所处环境较为恶劣，故选用工作温度范围为-120-2000C，耐腐蚀性好的平板铝热管，以适应电机极端低温和高温工作环境。此外，平板铝热管能承受最大3920kPa的外部压强，足以适应电机铁心及机壳对热管外壁产生的压力。基于热管的风冷冷却系统的电机结构。平板铝热管通过锡焊焊接在定子外侧的矩形槽中，穿过端盖伸出电机主体之外，并利用锡焊焊接在外部翅片上。因此，热管不会因为热胀冷缩而脱落。将热管安装在电机定子外侧，一方面可减少其对定子铁心内部电磁场的影响;另一方面，由于电机产生的热量主要在定子铁心和线圈上积聚，能在尽可能接近热源的情况下，通过热管将电机产生的热量直接导出到外部翅片，对翅片进行强制风冷从而达到冷却电机的目的。

3 电机热分析有限元模型的建立

3.1简化假设

所选用的PMSM为某公司生产的MD15D型外定子内转子结构电机。电机绕组由多股细小覆漆铜线绕制而成，各个方向的导热系数不同，建模困难，需要对绕组进行适当等效。考虑到PMSM转子上的损耗非常小，且通过转子、电机轴、机壳、端盖与空气发生的自然对流交换的热量也非常少，可以对模型进行适当简化。此外，由于热管的等温性好，各翅片与热管接触面的温度非常接近，且各翅片间空气流动情况基本一致，可以对翅片的换热情况进行等效简化。因此，为了提高计算分析效率，作出以下假设：

（1）绕组为一整体，具有各向异性导热系数。

（2）不考虑电机机壳、转子、电机轴、端盖等与空气发生热交换对电机温度分布造成的影响。

（3）各翅片散热功率以及换热情况一致。

（4）忽略热辐射。

2.2翅片等效传热模型

由于流体计算需要占用大量系统资源，特别是进行流一固藕合热分析时，流体边界层网格加密后占用资源更多。传统计算方法是按照空气流过翅片对流换热的模式建立模型，但是在这个模型中，由于翅片数量多，边界面积大，会导致各翅片间产生严重湍流，且划分的网格数量量级在10'甚至108以上，限制其工程应用;而且由于冷却风的单向进入，内部流动情况复杂，导致翅片间的流体并不是沿电机轴中心对称的，因此无法通过建立系统的部分尺寸模型来降低网格量。

如果能将流一固藕合传热计算转化成固体的第三类边界条件进行等效计算，可以省去大量流体网格，极大简化计算，提高效率。基于这一思想，建立了翅片的等效传热模型。空气从翅片上下方掠过带走一定热量的模型，可以等效为静态空气以一定对流换热系数带走翅片热量的模型。

3.3整机冷却模型的建立

根据上述假设和翅片等效冷却模型，建立基于热管的风冷系统整机冷却模型。整机冷却模型由电机定子铁心、定子线圈、热管及多级散热翅片组成。

根据假设（3），赋予翅片第三类边界条件，平均对流换热系数由基于流一固藕合传热模型计算得出。热源部分则根据电机的铜耗和铁耗分别赋予线圈和铁心体积源项。根据实际情况，绕组线圈和铁心槽间还应放置槽间绝缘纸。由于其厚度仅0.35mm，不宜直接建模，因此在Fluent中作为接触面接触条件设置。线圈采用外包绝缘的铜线绕制，其轴向和径向的导热系数有很大差异，须由试验测定。同样，铁心为表面涂有绝缘漆层的硅钢片叠压而成，其轴向与径向导热系数也有很大差异，亦须试验测定。热管导热系数为实测后圆整值，整机风冷冷却有限元模型参数设定。为提升运算速度，基本网格尺寸为2mm均采用结构化网格，局部接触面网格细化，最终网格数量为1.34x106，节点数为2.14x106。

4 结语

为适应新能源汽车电机紧凑、轻量化、高功率密度的发展要求，本文提出基于热管的电机风冷冷却方法，为电机的冷却系统设计提供了新的思路，得到结论如下：

（1）汽车驾驶速度为25km/h，翅片附近冷却风速为6.9m/s时，运行在额定工况下的电机定子铁心和线圈的最高温度分别为83.0℃和104.10C;稳态运行在峰值工况下电机定子铁心和线圈的最高温度分别为102.9℃和126.90C，均处于较低水平，表明基于热管的风冷冷却系统能有效控制电机的温升。

（2）在不同冷却风速下对电机线圈和定子铁心的温度进行了研究，发现在1.4m/s的冷却风速下，额定工况工作时，线圈的最高温度为110.70C;峰值工况下稳态工作时，线圈的最高温度为136.10C，也处于较低水平。特别当电机在峰值功率极端高温环境下工作时，定子铁心最高温度为127.00C，线圈最高温度为151.1℃，仍能满足电机H级绝缘的温度要求。

（3）采用基于热管的风冷方法对电机进行冷却，电机定子铁心和线圈的温度呈现周向周期性分布，热管附近区域温度低，两热管中间区域的温度高。可通过提高热管的分布密度，降低两热管中间区域的温度。

参考文献：

[1]周海阔，杨涛，李平，何艺萌，柴娜，戴朝华.基于热管技术的锂电池箱热管理系统设计与实验验证[J].可再生能源.2017（09）

[2]徐伟，何燕，陈思嘉，黄伦达.热管技术在余热回收应用中的发展[J].石油和化工节能.2007（05）