永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回时间:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:刘显茜()男博士副教授硕士生导师:.:./.永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析刘显茜李文辉曾 朴曹军磊(昆明理工大学 机电工程学院 昆明)摘要:针对机壳串联流道水冷永磁同步电机散热冷却水压力损失过大的问题提出一款新型机壳串并联混合流道对某型号 车用永磁同步电机冷却散热进行了计算比较了机壳串并联混合流道与串联流道冷却电机最高温度与冷却水压力损失分析了机壳串并联混合流道环形流道数量、槽深及冷却水流量对电机冷却散热影响 结果表明:电机以额定工况运行时在相同对流换热面积及冷却液流量条件下机壳串并联混合流道冷却水进出口压降比串联流道减小 降低而机壳串并联混合流道比串联流道冷却电机最高温度升高.增大.机壳串并联混合流道环形流道数量增多或冷却水流量增大均能加快机壳串并联混合流道冷却永磁同步电机散热但冷却水压力损失会有所增大流道槽深增加可显著降低冷却水压力损失但对电机最高温度变化影响较小关键词:永磁同步电机电机机壳串并联混合流道串联流道冷却散热冷却水压力损失本文引用格式:刘显茜李文辉曾朴等.永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言永磁同步电机作为电动汽车的动力核心其小型化和高功率密度引发内部工作温度过高导致永磁体磁通密度降低甚至出现永久性退磁、绕组绝缘层损坏影响电机运行性能、效率和寿命 因此合理选择散热方式和散热结构使电机温升控制在安全范围具有重要的意义机壳水冷是车用永磁同步电机应用较广的冷却方式王小飞等设计了螺旋型、径向 型、轴向 型等 种不同串联流道有效改善了电机散热但流道冷却水压降较大等在螺旋型流道基础上提出了一种半螺旋串联流道结构与螺旋型流道相比虽然半螺旋流道冷却性能得以提高但流道流动阻力增大会导致冷却水压降增大龚京风等提出了一种错位布置双螺旋流道液冷散热结构仿真结果表明双流道水冷结构比单流道水冷结构电机温度分布更均匀但双螺旋水套总压降增大为了降低冷却水压力损失沈超等提出了一种周向多螺旋并联流道发现与轴向 型串联流道对比周向多螺旋并联流道压阻更小但冷却效果较差郝嘉欣对比了轴向串联结构、平行串联结构、螺旋串联结构、冷却水进出口同侧并联结构以及冷却水进出口异侧并联结构散热结果表明:并联流道冷却水压降远小于串联流道但并联流道冷却效果比串联流道差为了减小流道冷却水压力损失同时维持串联流道优良冷却散热性能本文中提出机壳串并联混合流道结构对额定功率 的某型号车用永磁同步电机冷却散热进行了计算以电机最高温度与流道冷却水进出口压降 个指标对机壳串并联混合流道与串联流道结构电机冷却散热进行了对比分析了流道数量、槽深、冷却水流量等对机壳串并联混合流道结构冷却电机散热影响以期为永磁同步电机机壳流道散热结构设计优化提供参考 机壳串并联混合流道永磁同步电机主要由机壳、定子、绕组、转子、永磁体及转轴等组成 电机工作过程中定子铁心、绕组、转子及永磁体等生热部件产生大量的热并以热传导方式传递给机壳机壳与机壳串并联混合流道内冷却水和外部环境空气对流换热冷却散热遏制电机温升 机壳串并联混合流道如图 所示由入口 个并联环形流道与若干个由 个环形流道组成的子单元串联而成 其中每个子单元由 个环形流道与 个并联的环形流道串联组成图 机壳串并联混合流道.数学模型为简化计算对永磁同步电机作如下假设:)忽略温度变化对电机组成部件物性参数影响)定子槽内浸渍漆填充均匀且铜线绝缘漆分布均匀)绕组端部平直化处理)流道内冷却水视为不可压缩流体.电机热传导控制方程电机稳态热传导控制方程为:()()()()式()中:、分别为电机沿径向、周向及轴向导热系数 为温度 为热源()式()中:为电机相应部件损耗 为相应部件体积.电机损耗永磁同步电机损耗包括绕组铜损、铁芯损耗、永磁体涡流损耗、机械损耗和杂散损耗 为简化计算忽略生热占比小的机械损耗和杂散损耗.绕组铜损不考虑趋肤效应永磁同步电机绕组铜损为:()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./式()中:为电机绕组铜损 为永磁同步电机相数 为绕组相电流有效值 为每相绕组电阻有效值.铁芯损耗铁芯损耗包括磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗有:.()式()中:、分别为磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗为磁滞损耗系数为涡流损耗系数为异常损耗系数 为电机供电频率为电磁密度峰值.永磁体涡流损耗永磁体涡流损耗为:()式()中:为电流密度 为电导率 为空间积分区域.冷却水控制方程电机机壳流道内冷却水流动传输遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒 稳定状态下冷却水可由以下方程控制:质量守恒方程()()动量守恒方程 ()()()()()()()()()()()能量守恒方程()()()式()式()中:为冷却水密度为冷却水温度、分别为冷却水在径向、周向和轴向速度分量为冷却水导热系数 为冷却水动力粘度 为压力.边界条件)考虑纯电动汽车冷却系统散热水箱容积有限随冷却水的循环流动冷却水的温度会逐渐升高且电动汽车内通常没有针对水箱设计的冷却系统因此水箱内冷却水的温度也会逐渐升高 为使仿真结果更贴近于实际参考、唐琳、安治国等相关研究 电机机壳流道进口冷却水温度取 出口为标准压力)电机机壳流道内冷却水与流道壁面间无滑移)冷却水与机壳流道壁面间对流换热:()()式()中:为电机机壳导热系数 为机壳流道壁面温度 为冷却水与机壳流道壁面间对流换热系数)电机与空气间对流散热:()()式()中:为空气温度为电机不同部件壁面与空气间对流散热系数当 时为机壳与空气间散热对流散热系数当 时为定子端部与空气间对流散热系数当 时为转子端部与空气间对流散热系数 对流换热系数 可由式()计算得到(.)/.(.)()式()中:为机壳外部空气流速 为转子外径线速度电机各部件热物性参数及生热部件生热速率如表 所示表 电机各部件热物性及生热部件生热速率 部件密度/()比热容/()导热系数/()生热速率/()机壳.绕组 定子 转子 永磁体.转轴.网格划分及无关性验证采用多面体网格对电机计算区域进行离散为提高计算精度对绝缘介质、绕组、冷却水与流道对流传热区域进行加密网格划分结果如图 所示 数值分析过程中网格数量和网格质量对后续仿真时间和结果影响较大所以需要对网格进行独立性验证本文中选取电机中绕组的最高温度随网格数量变化的方法对网格独立性进行验证 分别以 万、万、万、万、万、万及 万等 种不同网格数量划分的模型进行数值仿真计算结果如图 所示 从图 中可以看到当网格单元数达到 万时随着刘显茜等:永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析网格数量进一步增大电机绕组最高温度指标值变化较小因此从节约计算时间成本的角度出发采用网格单元数为 万的网格模型进行下一步计算工作图 电机离散网格.图 网格无关性验证.结果分析为了对机壳串并联混合流道水冷永磁同步电机散热进行计算采用有限体积法对机壳串并联混合流道水冷电机散热控制方程(式()及式()式()及边界条件控制方程(式()与 式()进 行 离 散 通 过 对 动 量 方 程 方 程(式()式()中压力梯度项隐式离散和流体面质量通量隐式离散实现冷却水压力 速度完全耦合 采用 算法对机壳串并联混合流道水冷电机散热控制方程进行计算 质量方程和动量方程计算残差小于 能量方程计算残差小于.模型验证为了验证所建立冷却散热模型(式()及式()式()可靠性对芯片微通道冷却散热进行了计算并与和 计算结果进行了比较计算结果如图 所示 从图 中可以看出本文中计算芯片热点温度.和 计算热点温度.两者相差.说明本文中所建冷却散热模型稳定可靠可以用来对包括机壳串并联混合流道水冷同步电机在内的冷却散热进行计算图 数值计算模型验证.流道结构对电机冷却影响为进一步对比机壳串并联混合流道和串联流道结构对电机冷却散热影响对 种不同流道结构电机在额定运行工况条件下冷却散热进行了计算 其中为了规避不同流道与机壳对流换热面积的不同可能对冷却效果的影响在流道结构三维模型构建的过程中保持 种流道结构与机壳换热面积近似等于 计算结果如图、图 所示图 电机温度云图对比.图 流道冷却水压降对比.图 为 种不同冷却流道结构冷却散热电机温度分布云图 从图 中可以看出 种流道结构冷却散热电机温度分布相近机壳串并联混合冷却流道结构冷却电机最高温度为.串联流道结构冷却电机最高温度为.机壳串并联混合流道结构冷却电机最高温度相比串联流道结构升高了.增大.图 为 种不同流道结构冷却水压降对比 从图 中可知 种不同流道结构冷却水压兵 器 装 备 工 程 学 报:/./力分布差别明显机壳串并联混合流道结构冷却水压力分布均匀冷却水进出口压降较小而串联流道结构冷却水进出口压降很大 串联流道结构冷却水进出口压降 机壳串并联混合流道结构冷却水进出口压降 机壳串并联混合流道结构冷却水进出口压降相比串联流道减小了 降低 因此机壳串并联混合流道可以在基本不提高串联流道冷却电机最高温度的情况下大幅降低流道冷却水进出口压降.环形流道数量对电机冷却影响为了进一步分析串并联混合流道环形流道数量对电机冷却散热影响对机壳串并联混合流道槽深 流道对流换热总面积 流量 /冷却水计算分析了机壳串并联混合流道环形流道数量分别为 、电机冷却散热计算结果如图 所示图 电机最高温度及冷却水压降随环形流道数量变化曲线.从图 可以看出电机最高温度随着环形流道数量增加而减小而冷却水进出口压降却随着环形流道数目增加而增大 随着环形流道数量从 增大到 电机最高温度从.降低到.温度降低了.冷却水进出口压降从 增大到 电机最高温度减小的原因可由管内湍流强迫对流传热理论解释管内冷却水对流传热系数为:().()式()中:()为与冷却水平均温度相关的函数 可以看出当流道轴向长度固定随着环形流道数量增加流道当量直径 减小冷却水平均流速 增大 因此冷却水对流换热系数增大流道的冷却能力增强电机最高温度逐渐减小冷却水总压力损失可表示为:()()式()中:为沿程阻力系数 为流道长度 为局部阻力系数 随环形流道数量的增加流道长度变长流道当量直径减小注入冷却水流量一定冷却水流速 增大流道折弯增多冷却水压力沿程和局部损失均增大从而导致了进出口压降也随之增大 综合环形流道数量对电机最高温度及冷却水压降影响环形流道数量为 时机壳串并联混合流道综合冷却性能较优.流道槽深对电机冷却影响为了进一步分析机壳串并联混合流道槽深对电机冷却散热影响对冷却水进口流量 /环形流道数量 串并联混合流道槽深分别为、时电机冷却散热进行了计算结果如图 所示图 电机最高温度及冷却水压降随流道槽深变化曲线.图 为电机最高温度及冷却水进出口压降随机壳串并联混合流道槽深变化曲线 从图 中不难看出电机最高温度随流道槽深增加缓慢升高而冷却水进出口压降却随着流道槽深增加显著降低 流道槽深 时电机最高温度.冷却水进出口压降 流道槽深 时电机最高温度.冷却水进出口压降 由于冷却水流量不变随着流道槽深增加当量直径增大冷却水平均流速减小由式()可知流道对流换热系数减小流道的冷却能力减弱 同时随着流道槽深增加流道截面积变大冷却水平均流速减小致使压力损失减小从而减小了冷却水进出口压降降低了水泵功耗 相比于流道槽深 流道槽深 电机温度仅升高了.增大.但冷却水进出口压降减小了 降低 可以看出增大流道槽深对电机最高温度影响较小却可显著降低冷却水压力损失综合流道槽深对电机最高温度及冷却水压降影响流道槽深 混合流道综合冷却性能较优刘显茜等:永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析.冷却水流量对电机冷却影响为了进一步分析冷却水流量对电机冷却散热影响分别对冷却水流量./、环形流道数量、流道槽深 的机壳串并联混合流道电机冷却散热进行了计算计算结果如图、图 及图 所示图 电机最高温度随冷却水流量变化曲线.图 为电机最高温度随冷却水流量变化曲线 从图 可以看出电机最高温度随冷却水流量增大而减小 冷却水流量从./增至/电机最高温度从.降到.电机最高温度下降了.而冷却水流量从/增至 /电机最高温度从.降到.电机最高温度下降 图 为电机关键部件绕组和永磁体在 种不同冷却水流量./、/与/冷却的温度分布云图从图 中可以看出在冷却水流量从./增至/绕组最高温度从.下降到.永磁体最高温度从.下降到了.而在冷却水流量从/增至 /绕组最高温度从.降到.永磁体最高温度从.降到.综合图 和图 来看随冷却水流量的增大电机最高温度降低电机关键部件温度分布也更加均匀 在冷却水流量小于/随着冷却水流量增大电机及其各关键部件最高温度快速降低但在冷却水流量大于 /电机及其各关键部件温降随着冷却水流量增大变缓图 不同流量下电机关键部件温度云图.从图 可以看出冷却水进出口压降随冷却水流量的增加而增大 在冷却水流量./冷却水进出口压降从.增大到了 在冷却水流量 /冷却水进出口压降急剧增大从 增大到了 由式()可知冷却水在流道内流动时冷却水压力损失与冷却水平均流速 的 次方成正比冷却水流兵 器 装 备 工 程 学 报:/./量增大冷却水流速增大冷却水压力损失快速增大冷却系统功耗也随之陡增 综合电机最高温度和机壳串并联混合流道冷却水进出口压降随冷却水流量变化冷却水进口流量取 /为宜图 冷却水压降随冷却水流量变化曲线.结论)电机以额定工况运行时在相同对流换热面积及冷却液流量条件下机壳串并联混合流道结构冷却水进出口压降相比串联流道结构减小 降低 而机壳串并联混合流道结构冷却电机最高温度升高.增大 机壳串并联混合流道基本保持串联流道电机高效冷却散热的同时冷却水进出口压降得到大幅度降低)机壳串并联混合流道环形流道数量增多或者冷却水流量增大均可以强化电机冷却散热但冷却水压力损失有所增大增大流道槽深可显著降低冷却水压力损失但对电机最高温度影响较小混合流道环形流道的数量、流道槽深 流量 /时机壳串并联混合流道冷却电机性价比最优参考文献:.():.():.():.():.():.():.王小飞代颖罗建.基于流固耦合的车用永磁同步电机水道设计与温度场分析.电工技术学报():.():./.:.龚京风刘帅.基于双向螺旋水套永磁同步电机散热特性研究.武汉科技大学学报():.():.沈超余鹏杨建中等.基于 的电动汽车驱动电机冷却流道对比研究.郑州大学学报(工学版)():.()():.郝嘉欣.电动汽车电机定子液冷流道结构优化分析.合肥:合肥工业大学.:.杜海明高函胡智宏等.永磁同步电机超螺旋滑模自抗扰调速系统设计.重庆理工大学学报(自然科学)():.刘显茜等:永磁同步电机机壳串并联混合流道液冷分析 .()():.曹君慈闫华李栋等.不同通风结构下高铁异步牵引电机温度场分析.电机与控制学报():.():.胡敏强黄学良.电机运行性能数值计算方法及其应用.南京:东南大学出版社.:.吴尧辉宋贺董雪等.多场耦合的电机温度场热关键参数等效.武汉大学学报(工学版)():.():.():.():.唐琳赖晨光谭礼斌.电机及控制器冷却流道散热性能分析及结构优化.重庆理工大学学报(自然科学)():.()():.安治国豆旺李亚坤等.改进型并联流道液冷开关磁阻电机散热研究.重庆交通大学学报(自然科学版)():.()():./.:.():.:.滕鸿达师蔚.永磁电机流固耦合仿真及损耗影响分析.计算机仿真():.():.():.:.李晓艺唐志国张丹阳等.双水道液冷永磁同步电机散热特性分析.合肥工业大学学报(自然科学版)():.()():.科学编辑 王进 博士(河北工业大学 教授)责任编辑 唐定国兵 器 装 备 工 程 学 报:/./