基于CFD的增程器磁电机散热装置改进设计

周琦 张宇翔 李丹雯

摘 要：针对增程器磁电机运行过程中出现的定子线圈短时温升过高现象，设计了一种新的电机散热装置。通过CFD流体力学仿真分析，对比了改进前后散熱装置对线圈短时温升现象的影响，并对仿真结果进行了物理实验验证。实验结果表明，改进后的散热装置的散热性能有了明显改善，仿真结果与实验结果吻合，说明该研究结果能够为磁电机散热装置的改进设计提供参考。

关键词：增程器磁电机;冷却风扇;散热性能;CFD流体分析

0 引言

增程器是为了解决电动汽车电池寿命短，以及由于无法及时为电池充电而影响续航里程等问题而设计的一种新型电动汽车续航装置[1]。增程式电动车以电动机为主，发电机为辅，实现混合动力发电，驱动车辆前进。增程器磁电机内部多为定子结构，运行时易发热，且热量聚集在电机内部，容易导致温升过高的现象[2]。电机运行过程中出现的温升是衡量电机性能的重要指标之一，因此电机中的散热装置，如散热风扇，是其必不可少的组成部件。

国内众多学者针对电机内部的温升问题展开了研究。贺文凯等人通过有限元仿真，分析了不同通风结构对电机散热性能的影响，提出可以通过选择合适的通风方式来提高效能[3];温嘉斌等对高压电机温度场进行了仿真和实验研究，分析了单个通风槽对电机散热的影响[4]。然而，现有研究缺乏对散热装置运行过程中的流体力学特征的深入分析，导致其散热性能难以得到显著提升。本文在现有研究的基础上，以增程器内散热风扇为研究对象，以其结构改进设计为目标，开展仿真与实验研究，以期为散热装置的改进设计提供一种可行的参考方案。

1 模型建立

本文以EH6000增程器为例，通过仿真实验对冷却风扇结构做出相应改进设计，以实现其散热性能的提升。

1.1    原冷却风扇建模

图1为增程器磁电机内部电机模型，从左到右分别为冷却风扇、风扇安装位置、电机进风口。其基本工作原理：通过风扇旋转带动气体流动，使外部冷却空气由进风口流入，内部线圈散热后空气流出，进而借助气体的循环实现冷却。

为排除外界环境干扰，保证数据的准确性，在仿真验证前，边界及工况设置如下：入口采用停滞进口，设置冷却风扇转速为3 800 r/min;出口采用压力出口，相对压力为0 Pa，参考压力为101 325 Pa。本文约定，按照从图1（a）中垂直纸面向里的方向看，顺时针方向为正转，逆时针方向为反转。

风扇正转、反转时进出口速度矢量图分别如图2（a）（b）所示。从图2（a）可知，定子安装座上方的风口为出风口，风罩上的风口为进风口，提取分析结果得到风口进风量为0.030 55 kg/s;而从图2（b）可知，定子安装座上方的风口，一部分是进风状态，另一部分为出风状态，提取分析结果得到风口进风量为0.014 62 kg/s。

经过上述分析得知，风扇正转时的进风量是反转时进风量的2倍，说明磁电机风扇正转时的散热效果更好。改变风扇旋转方向虽然可以改善散热效果，但在同状态下对比EH6000与其他型号增程器磁电机的温度，发现EH6000增程器磁电机仍存在温升过高的问题。因此，本文设计了一种新型冷却风扇，将进风量与气压梯度力提高后，再次进行相应测试。

1.2    新风扇模型与进风量仿真分析

新风扇模型如图3所示，本文约定从图3垂直纸面向里的方向看，逆时针方向为正转，顺时针方向为反转。新冷却风扇主要从进风流量的角度来设计，边界条件与原风扇的设置相同。

图4为新冷却风扇进出口速度矢量图。从图4可知，定子安装座上方的风口为出风口，风扇罩上的风口为进风口，提取分析结果得到新风扇正转时风口进风量为0.037 5 kg/s。综合以上结果可知，新风扇正转时的进风量比旧风扇正、反转时的进风量都大，由此得出改进设计后的新风扇为最佳冷却风扇。

2 实验验证

经过仿真分析，得出不同结构的模型对风扇散热性能有一定的影响这一结论。为进一步验证此结论，本次实验采用PLA材料，通过3D打印制作出两种风扇的实物，装机拖动磁电机进行温升实验，对比新旧风扇的散热性能，并检测改进后的风扇能否满足磁电机的冷却要求。

2.1    实验方法与数据

固定增程器，在接线正确的情况下，发燃发动机，每隔5 min对各参数进行采集，主要包括时间、转速、定子温度1（定子靠近缸体侧）、定子温度2（定子远离缸体侧）、发电电流、发电电压、驱动电流等。部分实验数据如表1所示。

2.2    实验数据分析

根据表1的数据，分析不同参数下新冷却风扇的性能，如图5所示。

图5（a）为新、旧冷却风扇两个定子温度随时间变化的点线图，图5（b）（c）（d）分别为新旧冷却风扇机头温度、缸头温度、控制器温度随时间变化的点线图。新旧冷却风扇这3处的温度并无较大差距。由图5（a）可以看出，使用旧冷却风扇时，定子最高温度达到188 ℃，使用新冷却风扇时，定子最高温度为94 ℃。20 min以内，旧冷却风扇定子温度1比新冷却风扇平均高76.2 ℃，定子温度2比新冷却风扇平均高出62.6 ℃，即旧冷却风扇运行时磁电机定子温度较高。由此可见，新冷却风扇的冷却效果明显好于旧冷却风扇。

上述实验结果验证了仿真模型的正确性，得出了在其他条件不改变的情况下，新冷却风扇散热性能有所提升的结论，证明新冷却风扇的模型可以优化磁电机散热性能。

3 结语

本文针对增程器磁电机短时温升过高的现象，通过对定子区域温度场、流体场进行分析，将风扇转动方向改进为正转。通过实物实验验证，发现相较于旧冷却风扇，新冷却风扇的散热效果更好。由此将旧风扇进行改进设计，并通过实验验证了设计方案的可行性。

[参考文献]

[1] 周苏，牛继高，陈凤祥，等.增程式电动汽车动力系统设计与仿真研究[J].汽车工程，2011，33（11）：924-929.

[2] 姚丙雷，刘朋鹏，王建辉，等.高压高速电机通风与散热分析[J].电机与控制应用，2019，46（8）：70-75.

[3] 贺文凯，顾德军，王鸿鹄.两种不同通风结构对高压电机性能的影响[J].电机与控制应用，2014（6）：36-38.

[4] 温嘉斌，郑军，于喜伟.YKK中型高压异步电动机换热分析与冷却器优化[J].电机与控制学报，2015，19（9）：33-39.

收稿日期：2020-11-26

作者简介：周琦（1982—），男，陕西丹凤人，工程师，研究方向：航空电气。