郝嘉欣，唐志國，李薈卿，李曉藝，周 嘉

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

永磁同步電機水道肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

郝嘉欣，唐志國，李薈卿，李曉藝，周 嘉

(合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

為提高永磁同步電機的散熱效率以保證電動汽車的安全行駛，以水冷永磁同步電機為對象展開研究，對加入水道中的直肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行細(xì)化的優(yōu)化分析，從直肋的厚度、高度、側(cè)面傾斜角度3方面展開研究。在對不同參數(shù)方案的電機定子進(jìn)行三維建模與計算流體力學(xué)(CFD)熱仿真計算后，通過對比分析仿真所得到的電機定子流場與溫度場，得到最為優(yōu)化的肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)值。并進(jìn)一步使用Simulink軟件對CFD仿真結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗證。

電動汽車；永磁同步電機；冷卻水道；肋片；熱仿真

0 引 言

對于電動汽車來說，永磁同步電機是為其提供動力的核心部件之一，保證其工作性能的優(yōu)良至關(guān)重要。永磁同步電機運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的大量熱量會嚴(yán)重影響電機的工作性能及壽命。所以，為保證電機的正常運行，必須選擇合適的冷卻方式。

根據(jù)電動汽車用永磁同步電機的小型化，大功率化，空間密閉化的工作特性，選擇冷卻效果更強，更適應(yīng)電機工作環(huán)境的水冷散熱方式對永磁同步電機進(jìn)行散熱[1-4]。常見的冷卻水道結(jié)構(gòu)包括平行水道道、軸向水道、螺旋流道等。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對不同水道結(jié)構(gòu)的散熱性能、冷卻水流通性、結(jié)構(gòu)工藝性等展開了詳細(xì)的研究[5-8]。

對常規(guī)水道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而增強其冷卻性能，對電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重大意義。目前，在冷卻水道中加入肋片[9]是應(yīng)用較為廣泛的優(yōu)化方式，加入肋片的優(yōu)化原理為增大了流固熱交換的接觸面積，從而使得熱量被更加充分得帶走。

文章針對直肋展開細(xì)化研究，使用計算流體力學(xué)三維仿真軟件，對其厚度、高度、側(cè)面傾斜角度的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化分析，選出冷卻效果最佳的參數(shù)值，并使用Simulink軟件驗證優(yōu)化結(jié)果。

1 電機的散熱模型

1.1 物理模型

本文所研究的永磁同步電機定子冷卻水道采用平行結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

電機定子總裝圖

圖1 電機定子結(jié)構(gòu)圖

電機的主要基本參數(shù)如表1所示。定子主要由3部分組成：繞組、鐵心和水道機殼。繞組嵌繞于鐵心周向均布的閉口槽內(nèi)，水道機殼則包圍在鐵心外圍。

表1 電機基本參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文所研究的是電機定子的三維溫度場，在三維直角坐標(biāo)系下，電機的熱傳導(dǎo)方程[10]：

(1)

式中：T為電機的溫度；Kx，Ky，Kz為電機各介質(zhì)三維方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；q為熱源密度；c為比熱容；ρ為密度；S1為電機絕緣邊界面；S2為電機散熱邊界面；Te為散熱邊界面周圍介質(zhì)的溫度；α為散熱邊界面的散熱系數(shù)；K為絕緣邊界面和散熱邊界面法向熱傳導(dǎo)系數(shù)。

如圖2所示，熱量主要由3條途徑傳遞到電機外部：由鐵心傳遞到冷卻水道，再通過冷卻水將熱量帶走；通過繞組兩側(cè)端部與所接觸的空氣進(jìn)行對流換熱；通過電機外殼與外部空氣的對流換熱。然而，由于電機的工作環(huán)境狹小而相對密閉，電機周圍空氣的流通性很差，所以后兩種途徑的散熱效果非常微弱。所以，電機在運行時所產(chǎn)生的熱量主要由冷卻水帶出電機外部，所以電機冷卻水道的冷卻效率就變得十分重要。而對電機冷卻水道進(jìn)行散熱效果的優(yōu)化就會得到較大的收益。

圖2 電機定子散熱示意圖

當(dāng)永磁同步電機運行時，定子的熱量來源主要由繞組中的銅損耗及鐵心中的鐵損耗組成[11-12]。

(2)

式中：pCu為銅損耗；pFe為鐵損耗；I為繞組中的電流；R為繞組的電阻；K為經(jīng)驗系數(shù)；G為鐵心質(zhì)量；p1.0/50為當(dāng)B=1.0T，f=50Hz時，單位質(zhì)量鐵心的損耗；B為電機定子磁感應(yīng)強度；f為電磁場的交變頻率。

2 肋片的參數(shù)優(yōu)化

肋片的不同尺寸參數(shù)對其散熱效果具有不同的影響，如肋片的高度，厚度及肋片側(cè)面角度等，如圖3所示。針對肋片這3方面的尺寸參數(shù)，分別進(jìn)行熱仿真計算，通過對計算結(jié)果的比較與分析，得出冷卻效果較為理想的散熱肋片的尺寸。

為了方便對各尺寸參數(shù)進(jìn)行獨立分析，本文采用控制變量法，當(dāng)對某一尺寸參數(shù)進(jìn)行計算分析時，其余各參數(shù)保持不變。單水道截面長40mm，寬5mm。

圖3 水道截面示意圖

2.1 肋片側(cè)面傾斜角度的優(yōu)化

肋片側(cè)面的傾斜角度對其冷卻效果是具有影響的。選取0°，3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°這8個逐漸增大的傾斜角度進(jìn)行熱仿真計算，通過對計算結(jié)果中電機繞組的最高溫度及冷卻水進(jìn)出口壓降的考察，對比分析肋片側(cè)面的不同傾斜角對其冷卻性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 肋片側(cè)面傾斜角度角度對繞組最高溫度及冷卻水進(jìn)出口壓降的影響

從圖4可以看出：隨著肋片側(cè)面傾斜角度的增大，繞組最高溫度在3°的位置出現(xiàn)了最低值，且當(dāng)傾斜角度逐漸增大超過6°時繞組溫度出現(xiàn)了較為陡峭的上升，從3°到6°僅有著0.5 ℃的溫差，而從6°到9°繞組溫度卻上升了2.5 ℃之多。在冷卻水壓降方面，隨著傾斜角度的增大，壓降在逐漸降低，但是由于肋片側(cè)面傾斜角度對冷卻水壓降的影響是相對微小的，所以著重考慮其對溫度方面的影響，最終肋片側(cè)面的傾斜角度選擇為冷卻效果較為理想的3°。

2.2 肋片高度的優(yōu)化

肋片高度的不同對其散熱性能也具有一定的影響。選取3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm5個從低到高的尺寸分別進(jìn)行熱仿真計算，其中5.0mm高度的肋片即是與水道上表面相連通的。所得到的電機繞組最高溫度與冷卻水進(jìn)出口壓降的計算結(jié)果示于圖5中。

從圖5可以看出，隨著肋片高度的增加，繞組溫度在逐漸降低，當(dāng)高度增加到4.5mm后溫度的降低趨勢減緩，降幅僅有0.7 ℃。冷卻水壓降隨著肋片高度的增加逐漸增大，但在4.5mm處不再上升，而是發(fā)生了小幅的下降，這是因為當(dāng)肋片高度增加到4.5mm后，肋片的上表面與水道內(nèi)表面之間的距離僅為0.5mm，這樣的小縫隙處容易產(chǎn)生水的滯留，不利于冷卻水的流動，從而增大了壓降。綜合考慮冷卻性能及冷卻水流通性后，最終將肋片高度確定為5mm，即與水道相連通的肋片高度。

圖5 肋片高度對繞組最高溫度及冷卻水進(jìn)出口壓降的影響

2.3 肋片厚度的優(yōu)化

不同的厚度對肋片的散熱性能也有著重要的影響。從薄到厚得選取1.5mm，2.5mm，3.5mm，4.5mm，5.5mm，6.5mm，7.5mm7個不同厚度進(jìn)行熱仿真計算，將所得到的電機繞組最高溫度與冷卻水進(jìn)出口壓降的計算結(jié)果對比示于圖6中。

圖6 肋片厚度對繞組最高溫度及冷卻水進(jìn)出口壓降的影響

從圖6可以看出：隨著肋片厚度的增加，繞組的最高溫度在逐漸下降，到達(dá)5.5mm處出現(xiàn)最低值，其后開始升高。冷卻水進(jìn)出口的壓降則隨著厚度的增加而增大，且厚度超過3.5mm后，壓降的增幅大大提高，增幅由30Pa增大到125Pa。由于肋片厚度的增加，帶來兩方面的變化，即水道的截面積減小了，但是作為熱的良導(dǎo)體的金屬的體積卻增大了，在厚度5.5mm之前，后者的增益是大于前者的減損的，而厚度大于5.5mm后，情況相反。綜合考慮，肋片的厚度最終確定為5.5mm。

2.4 肋片優(yōu)化結(jié)果分析

在對肋片上述3個方面尺寸參數(shù)的對比計算及研究后，得出了各參數(shù)的最優(yōu)值：側(cè)面傾斜角度3°，高度5mm，厚度5.5mm。圖7～圖9列出了加入肋片前后的水道結(jié)構(gòu)、冷卻水流場、定子溫度場的對比圖。

在冷卻水流場對比圖中，未加肋片的水道中出現(xiàn)了一些流速過高的區(qū)域，表明其中水流不均勻，這樣是不利于冷卻水與機殼進(jìn)行流固傳熱的，從而降低了水道冷卻效率。而在加入肋片的水道流場圖中，未出現(xiàn)高速區(qū)，水流較為平穩(wěn)，這是因為加入肋片，細(xì)化了水流分支，增加了傳熱接觸面積，使得熱量交換更加充分。從溫度場對比圖可以看出，在水道中加入肋片后，繞組的最高溫升由54.9 ℃降低到53.2 ℃，降低了1.7 ℃，冷卻效果提升顯著，此優(yōu)化方案較為理想。

(a)無肋片(b)有肋片

圖7 水道結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 冷卻水流場示意圖

(a)無肋片(b)有肋片

圖9 電機定子溫度場示意圖

3 優(yōu)化結(jié)果的驗證

使用Simulink軟件對熱仿真計算結(jié)果的可靠性進(jìn)行驗證。繞組溫升的經(jīng)驗公式[13]：

(3)

式中：tq為熱時間常數(shù)；Rq為電機熱阻；Cq為定子的熱容量；k是采樣時間；Pq是電機總的發(fā)熱功率。

加入肋片的冷卻水道，其固液換熱接觸面積與對流換熱系數(shù)增大了，從而減小了電機熱阻值，達(dá)到強化傳熱的效果。從以上公式可以看出，電機熱阻值對電機整體的熱量傳遞是具有較大影響的。優(yōu)化前后的繞組溫度經(jīng)過Simulink軟件計算后，溫升對比曲線如圖10所示。

表2列出了CFD與Simulink的計算結(jié)果對比，可以看出，CFD仿真得優(yōu)化溫度降是1.7 ℃，Simulink計算結(jié)果是1.9 ℃。兩種計算結(jié)果只相差屬于合理范圍內(nèi)的0.2 ℃，從而驗證了CFD熱仿真結(jié)果的可靠性。

圖10 Simulink仿真繞組溫升曲線圖

電機熱阻Rh/(K·W-1) 繞組最高溫度T/℃CFD仿真值Simulink計算值無肋片0．093584．988．3有肋片0．089083．286．4

4 結(jié) 語

文章對永磁同步電機水道中所加入的普通直肋的尺寸參數(shù)進(jìn)行細(xì)化研究，以達(dá)到最優(yōu)散熱效果。通過對不同結(jié)構(gòu)尺寸方案進(jìn)行三維建模和CFD熱仿真對比計算，得到了肋片的最優(yōu)尺寸，增強了冷卻水道的散熱性能。

(1) 對直肋的側(cè)面傾斜角度、高度、厚度3方面參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的對比計算與分析，得到肋片的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為側(cè)面傾斜角度為3°，高度為5mm，厚度為5.5mm。

(2) 經(jīng)過CFD熱仿真計算，肋片優(yōu)化方案使得定子繞組最高溫度降低了1.7 ℃，冷卻效果提升顯著。

(3) 使用Simulink軟件驗證了CFD仿真結(jié)果的可靠性。

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OptimalDesignofStraightFins′StructuralParametersinPMSM

HAO Jia-xin,TANG Zhi-guo,LI Hui-qing,LI Xiao-yi,ZHOU Jia

(HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

ForenhancingcoolingeffectivenessofPMSMtoensurethesafetyofelectricvehicles,aseriesresearcheshavebeenexpandedonstructuralparameters,sunchasthickness,heightandtiltangle,ofstraightfins.The3Dmodelsofallschemeshadbeenestablishedbymodelingsoftwareandsimulatedbythecomputationalfluiddynamics(CFD)software.Comparingtheflowfieldandtemperaturefieldofallschemes,thebeststructuralparameterscouldbeobtained.Finally,thereliabilityoffinalschemehasbeenvertifiedbySimulinksoftware.

electricvehicles;PMSM;coolingchannels;fin;thermalsimulation

2015-10-30

國家科技支撐計劃重大項目(2013BAG13B00)；國家科技支撐計劃項目(2014BAG06B02)

TM341；TM

A

1004-7018(2017)01-0038-03