智轨电车电机冷却系统设计与管路优化分析*

2022-05-21李典计

机械研究与应用 2022年2期

谷飞，刘彪，李典计

(湖南中车智行科技有限公司，湖南长沙 410000)

0 引言

智轨电车的驱动系统采用了永磁电机的牵引方案，永磁电机具有损耗低，加速性能好，结构紧凑等的优点[1]。但电机在峰值功率持续运行，以及在频繁加速减速过程中会产生大量的热量，如果不能有效的散热，驱动电机将会退磁，会严重影响电机持续稳定的工作，对安全运行造成影响[2]。

笔者以新一代智轨平台为基础，针对该平台设计一款电机冷却系统。根据电机及电机控制器的发热量以及散热要求选定相应的系统器件，另根据总体布置要求，设计合理的安装方式，最后结合AMESim软件仿真结果对管路设计进行优化，以达到较优的散热效果。

1 冷却系统的总体设计

智轨电车电机冷却散热系统主要为车辆驱动电机和电机控制器提供冷却功能，保证其能在正常的工作温度范围内运行。在设计开始阶段要根据功能要求对其使用条件以及系统构成等进行分析。

1.1 使用条件

智轨电车目前主要使用于低海拔的亚热带气候以及温带气候地区(见表1所列)，在电器件材料选择以及冷却液的选用方面要首先考虑环境的因素。

表1 冷却系统使用的环境条件

根据环境条件要进行相应的适应性设计：

(1)密封设计，防止系统内冷却液泄露，其连接部位紧固件应达到规定的预紧值。

(2)耐腐蚀设计，选用优良的镀层和其他表面处理工艺的紧固件，提高各器件的耐腐蚀性能。

(3)耐高低温设计，设备与防冻液应具有良好的散热性能，有自身的散热空间，同时冷却液和器件应耐气温，保证严寒中的使用。

1.2 功能要求

冷却系统的主要功能是维持电机和控制器最佳的工作温度以及排出管路及电机和控制器中的气泡，系统的功能分析及其失效形式如表2所列。根据其功能要求可以进一步确定冷却系统的构成。

表2 冷却系统功能要求

1.3 系统构成

电机冷却系统主要由散热器、无刷风扇、电动水泵、膨胀水箱以及管路等构成，其内部接口规划如图1所示。

图1 冷却散热系统内部接口规划图

2 电机冷却系统的设计与验证

电机冷却系统的部件设计及选型主要涉及散热器、电子水泵和电子风扇的计算验证。

2.1 散热器总成设计

根据整车配置参数表中电机及控制器的型号，查阅相关资料获得散热相关参数，对散热器进行设计计算。

2.1.1 散热量计算

确定系统所需散热量Qw是电机冷却系统设计的基本依据。由于受到外界影响因素过多，所以在工程应用中对于系统散热量Qw的计算多采用以下公式估算[3]：

Qw=Qm×(1-ηm)+Qc×(1-ηc)

(1)

式中：Qm为驱动电机的功率，kW；ηm为驱动电机的效率；Qc为控制器的功率，kW；ηc为控制器的效率。

2.1.2 散热器的散热面积

根据计算出的散热量来确定散热器选定的型号及参数。散热器中冷却液的循环流动带走系统中的热量，散热器的散热面积可以用下列公式计算(忽略上下水室所散发的热量)：

式中：Qw为散热器散发的热量，kW；φw为散热器贮备系数，取φw=1.1～1.5；K为散热器的传热系数，由散热器厂家提供；Δt为散热器中冷却液和冷却空气的平均温差Δt=tw-ta

式中：tw为冷却液平均温度，ta为冷却空气平均温度。

tw=tw1-Δtw/2

(2)

ta=ta1+Δta/2

(3)

式中：tw1为散热器进水温度，℃；ta1为散热器冷却空气的进口温度，℃；Δtw为散热器冷却液的进出口温差，℃；Δta为散热器冷却空气的进出口温差，℃。

根据以上计算结果选择合适的散热器芯体。选择的散热器要满足驱动电机及控制器的散热要求，使驱动电机和控制器能够正常的工作。

2.2 电子风扇设计

电子风扇作为散热器的重要散热部件对其设计校核尤为重要，设计过程中主要考虑风扇的风量与风扇的大小。

2.2.1 风扇风量

风扇风量Va一般和散热器的散热量相匹配，可以根据散热器的散热量由以下公式计算：

(4)

式中：Δta为空气进入散热器前后的温度差，℃；γa为空气的重度，kg/m3；cp为空气定压比热，kJ/kg·℃。

2.2.2 风扇外径

根据选定散热器的尺寸确定风扇的外径D，可按下面公式计算：

(5)

式中：Sz为散热器芯体的正面面积。

2.3 水泵设计

在电机冷却系统中，电机及控制器产生的热量随着冷却液的不断循环流动而带走，为了保证散热需求，水泵的流量及扬程也是重要的技术指标。

2.3.1 水泵流量

根据系统中散热量的需求，可由下式计算冷却液循环量Vw：

(6)

式中：Δtw为冷却液在冷却系统中循环时的容许温升，℃；γw为水的比重，kg/m3；cw为水的比热，kJ/kg·℃。

2.3.2 水泵扬程

扬程是单位质量的液体通过水泵后获得的能量[4]。由于冷却系统的循环水道内部存在水阻，得到所匹配的扬程可以避免发生气蚀及供水不足现象[5]。水泵所需扬程通常可以通过对水道的长度及形状进行估算，但是智轨用电机及控制器内部的水道形状复杂，且流量分配难以确定，估算会存在较大误差，故一般采用实验的方式测得。

3 电机冷却系统工作逻辑

此系统整体工作逻辑为：当电机开始运转时，当电机及控制器温度达到设定值后，水泵开始工作，循环冷却液，在外界温度较低或者运行时间较短时可以满足电机及控制器的散热要求；若通过冷却液循环的自然散热无法满足散热要求时就需要启动散热器电子风扇，从而在短时间内使电机及控制器的温度下降到合理的范围内。

3.1 水泵工作逻辑

水泵的启停条件主要根据电机及控制器的温度。水泵启动的条件为：电机运行时温度高于50 ℃或控制器温度高于45 ℃；电机不运转时，电机温度高于60 ℃或控制器温度高于50 ℃。水泵停止的条件为：电机运行时，电机温度低于50 ℃或控制器温度低于45 ℃；电机不运转时，电机温度低于60 ℃或控制器的温度低于50 ℃。

3.2 电子风扇工作逻辑

当冷却液循环自然冷却无法满足散热需求时就需要电子风扇工作来加快系统散热，启动条件为：若散热器的冷却液入口温度>45 ℃或出口温度>40 ℃时，电子风扇低速运转；当散热器的冷却液入口温度>65 ℃或出口温度>60 ℃时，电子风扇将高速运转；当散热器的冷却液入口温度在45～65 ℃之间，或出口温度在40～60 ℃之间时，电子风扇的转速线性增加。

电子风扇关闭所需条件：当散热器的冷却液入口温度<45 ℃或出口温度<40 ℃。

4 基于AMESim的管路设计与优化分析

电机散热系统的管路设计也是影响散热效果的重要因素。根据选定的散热部件，设计散热系统的管路。其布置方案有如下两种。

(1)冷却液流向：膨胀水箱→水泵→控制器/驱动电机→散热器→水泵(如图2所示)。

图2 并联水路连接方案

(2)冷却液流向：膨胀水箱→水泵→驱动电机→控制器→散热器→水泵(如图3所示)。

图3 串联水路连接方案

4.1 搭建电机冷却系统AMESim模型

AMESim是一款图形化仿真软件，主要用于机械、控制、液压和热系统等领域的建模、仿真和动态性能分析，其特有的组件库和组件模型经过严格测试，保证仿真结果的可靠性[6]。将电机冷却系统的两个管路设计方案分别建立仿真模型，以分析散热性能，以得到较优的管路设计方案。

在AMESim软件平台搭建智轨电车电机冷却系统的仿真模型，如图4、5所示分别为串联管路和并联管路的仿真模型。模型主要由电机、散热器、水泵、风扇及冷却管路等子模块组成。

图4 电机冷却系统串联管路模型

图5 电机冷却系统并联管路模型

4.1.1 电机子模块

电机以智轨电车采用的某型永磁电机为研究对象，其主要参数如表3所列。电机模型选用AMESim软件IFP Drive库中的DRVEM02元件。电机散热量根据式(1)计算。

表3 电机的主要参数

4.1.2 散热器子模块

散热器为纵向流水结构，进水口在左上方，出水口在右下，其主要参数如表4所列。散热器模型选用AMESim软件HEAT库中的THPHISIMP01元件，膨胀水箱模型选用Thermal Hydraulic库中的TFTK3元件。此散热器是利用气-液交换器来模拟热交换的，热交换公式为：

Qr=AeU(Tin-Tout)

(7)

式中：Qr为单位时间内空气与散热器内冷却液单的热交换量；Ae为散热器中交换面积；U为对流换热系数；Tin和Tout分别为散热器进水和出水温度。

其中，对流换热系数计算公式为：

(8)

式中：km为散热器管道的导热系数；Ma和Mf为空气和冷却液的质量流量；Aa和Ba为空气侧的对流修正系数；af和bf为冷却液侧对流修正系数。

表4 散热器的主要参数

将散热器的主要参数进行计算，可以得到散热功率与流量和风速的关系图，如图6所示。

4.1.3 其他子模块

电机冷却系统使用的水泵、电子风扇和管路的主要参数如表5所列。水泵模型选用AMESim软件Thermal Hydraulic Resistance库中的TFPU001元件，风扇模型选用HEAT库中的FAN001元件，系统中管路模型选用Thermal Hydraulic Resistance库中的TFL001元件。