基于ICEPAK的电机冷却水道仿真分析

2020-04-25吴先坤

客车技术与研究 2020年2期

吴先坤，黄靖，程义，高海

(安徽安凯汽车股份有限公司新能源汽车研究所，合肥 230051)

驱动电机是电动汽车的核心部件之一。目前纯电动汽车大多采用永磁同步电机，其具有功率密度大、效率高、体积重量小、便于控制等诸多优点，但也会在单位时间和单位体积内产生较大热量，容易带来严重的温升问题。因此，在车用永磁同步电机的设计过程中，如何使电机在工作期间的温升始终保持在合理的范围内，是电动汽车研制过程中需要重点考虑的问题之一[1-2]。

1 几何模型简化及修正

电机的原始结构如图1(a)所示，包含了机壳、定子和转子铁芯、绕组、端盖、转轴、水接头、吊环等。由于流场及温度场的计算相较于静力学分析还需消耗更多的计算机资源，所以需对电机模型进行简化处理。本文使用UG8.0三维建模软件进行模型的简化及修正工作。在保留结构的主要发热源和传热路径，不改变结构热容以及散热方式的前提下，保留机壳、定子铁芯和绕组等主要部件以及内部流道等特征，忽略倒角、凸台、螺纹孔等不影响传热的几何特征以及额外零部件(螺钉、吊环、转接板、水接头等)[3]。另外，为了方便赋值与计算，还将定子绕组的铜导线部分简化成一个整体，绕组和铁芯之间则填充绝缘材料。简化后的结构模型如图1(b)所示。

(a)简化前

(b)简化后

图1 电机结构模型简化前后对比图

图1(b)中简化后的绕组两端是封闭的，与实际状态差异较大。为了提高最终结果的准确性，需要将简化后的模型图1(b)中的绕组部分进行结构修正，即将绕组封闭的两端部修正为沿绕组沟槽打开的开放状态，如图2所示[4]。在UG中将图1(b)中的绕组模型更换为图2(b)所示的修正后的绕组模型。

(a)修正前 (b)修正后

图2 绕组结构修正前后对比图

模型中原始电机的水道结构为轴向串联型，截面积较大，如图3(a)所示。图3(b)和图3(c)为其他两种常见的水道结构，分别为轴向并联型和螺旋型。本文将对比这3种结构的冷却性能。

(a)轴向串联型

(b)轴向并联型

(c)螺旋型

图3 不同水道结构示意图

2 仿真计算及分析

2.1 仿真模型建立

采用ICEPAK软件进行仿真分析，它能够对模型的传热、流动进行模拟，缩短研发周期。ICEPAK采用FLUENT计算流体力学求解器，可以灵活完成网格划分，其多点离散求解算法也能够缩短计算时间。

将修正绕组后的电机简化模型整体导入到ICEPAK中，进行“Check model”和“Summary”处理，目的是检查模型的正确性，避免在计算时发生因模型问题导致的错误。确认无误后采用Mesher-HD方式进行网格划分。网格划分时若一次性自动划分，网格单元太大，数量较少，结果不准确；若直接使用细分网格，会使得网格数太多，导致计算时间大大加长，也可能导致计算机系统因配置不够而崩溃，所以在此分两步来完成[5-6]：首先进行“Generate Mesh”粗分网格，然后通过“Per-object meshing parameters”对水道进行局部细化设置，使流固之间发生充分的热交换[7-8]。最终形成1 429 470个节点、400 513个网格单元的有限元模型，如图4所示。

网格划分完成后需在“Basic parameters”中设置流动方程为湍流模型并激活。最后在确定了冷却介质、入口水温、水流量、定子铁芯和绕组的损耗值等边界条件后，再进行仿真计算。

图4 模型的网格划分结果

2.2 边界条件的确定

1)材料属性设置。本仿真计算中，需在ICEPAK中设置材料属性的部件包括电机外壳、定子铁芯、定子绕组、绝缘材料和冷却介质，各部件材料参数见表1。

表1 电机各部件材料参数

2)损耗计算。根据电机试验报告可知，额定工况下电机的整体热耗值为3.15 kW[9-10]。参考相关文献可知，永磁同步电机在工作过程中的电磁损耗可分为铁芯损耗、绕组损耗和机械损耗等，其中机械损耗较小，可忽略。根据文献，最终按照7∶3的比例对绕组损耗和铁芯损耗进行热耗分配[11]，即绕组损耗2.23 kW、铁芯损耗0.92 kW。

3)其他边界条件。将冷却介质(水)的流量设置为15 L/min，入口温度和环境温度均设为25 ℃，流体的流动状态设置为湍流[12]。