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        新能源車用驅(qū)動電機水道優(yōu)化設(shè)計

        2018-07-26 01:47:12譚立真覃云萍
        機電信息 2018年21期

        喻 皓 王 配 譚立真 覃云萍

        (廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院,廣東廣州511434)

        0 引言

        為提升電機性能,新能源車用驅(qū)動電機多采用強制水冷,水道設(shè)計是否合理直接關(guān)系到電機的冷卻效果。根據(jù)水道走向的不同,驅(qū)動電機水道分為周向螺栓水道和軸向S型水道。螺旋水道流阻小,渦流少,水路平滑,冷卻效率高,但由于其進出水口布置在電機兩端部,使電機兩端部溫度不同,出水口側(cè)因熱量帶走較少,溫升壓力較大,因電機最高溫度點的冷卻效果未得到改善,電機總體設(shè)計未達到最優(yōu)。軸向水道相比螺旋水道,流阻大,容易形成渦流,但因其加工成型簡單,成品率高,成本低,使其得到了大量應(yīng)用。

        本文從流阻和渦流角度出發(fā),建立了評價電機軸向水道方法,并通過試驗進行了驗證。

        1 物理模型及仿真模型

        本文以廣汽集團開發(fā)的某款新能源汽車用驅(qū)動電機為研究對象,設(shè)計了3款均勻分布的軸向水道,分別是8流道方案、16流道方案和20流道方案。電機水道高度相等,水道周向均勻分布。電機參數(shù)如表1所示,電機水道的物理模型如圖1~圖3所示。

        表1 電機參數(shù)

        圖1 8流道方案

        圖2 16流道方案

        圖3 20流道方案

        2 仿真結(jié)果對比

        本文運用star-ccm+流體仿真軟件對3個類型的水道進行仿真分析。仿真冷卻液采用與整車相同的冷卻液:50%乙二醇溶液。水道模型采用六面體網(wǎng)格。模型做以下假定:

        (1)電機熱量全部通過水道冷卻交換;

        (2)機殼內(nèi)的冷卻液做湍流運動。

        對3種類型的水道進行仿真分析,仿真分析結(jié)果如表2和圖4~圖6所示。

        表2 流阻仿真結(jié)果

        圖4 8流道方案

        圖5 20流道方案

        圖6 16流道方案

        仿真結(jié)果表明:

        (1)8流道方案因為水道層數(shù)少,單個水道橫截面積比較大,水道流阻比較小,因此進出水口壓差也比較小,但渦流區(qū)太大,容易使部分流體內(nèi)循環(huán),降低電機散熱效率;20流道方案幾乎無渦流,但流阻較大。

        (2)16流道方案因水道層數(shù)增加,水道流阻提高,因此,進出水口的壓差也較8流道方案增加。局部有少許渦流。

        (3)20流道方案水道層數(shù)最多,幾乎沒有渦流,但因其水道最長,相對“彎折”的次數(shù)也最多,流阻最大,因此水道進出水口的壓差也最大。

        綜合流阻及渦流情況考慮,16路水道對于電機整體散熱最好。

        3 溫度場仿真

        基于star-ccm+對電機進行了三維溫升仿真,對模型做以下簡化:

        (1)忽略轉(zhuǎn)速脈動影響;

        (2)初始時刻,電機溫度與環(huán)境溫度相同;

        (3)只考慮電機冷卻水道散熱,忽略空氣、熱輻射等熱量散失;

        (4)定子鐵心端部溫度均勻;

        (5)轉(zhuǎn)子發(fā)熱對溫度場的影響轉(zhuǎn)化為定子齒、槽楔和氣隙內(nèi)空氣的溫度場變化,對流換熱系數(shù)在電機軸向是相同的。

        根據(jù)以上假設(shè)條件,建立幾何模型,并對電機定子進行三維溫升仿真分析。仿真分析工況及分析結(jié)果如表3所示。最低,為145℃,峰值扭矩296 N·m時,3種類型水道仿真溫度結(jié)果相當,均為140℃,說明16層水道冷卻效果最好;

        (2)轉(zhuǎn)速4 000 r/min,額定扭矩133 N·m時,16層水道溫度最低,為141℃,峰值扭矩293 N·m時,3種類型水道仿真溫度結(jié)果相當,均為140℃,說明16層水道冷卻效果最好;

        (3)轉(zhuǎn)速8 000 r/min,額定扭矩85 N·m時,16層水道溫度最低,為144℃,峰值扭矩150 N·m時,3種類型水道仿真溫度結(jié)果相當,均為140℃,說明16層水道冷卻效果最好;

        (4)轉(zhuǎn)速12 000 r/min,額定扭矩47 N·m時,16層水道溫度最低,為149℃,峰值扭矩90 N·m時,3種類型水道仿真溫度結(jié)果相當,均為140℃,說明16層水道冷卻效果最好。

        綜上所述,16層水道冷卻效果最好,三維溫升仿真論證了電機水道流體仿真的結(jié)論。

        4 試驗驗證

        根據(jù)水道流體仿真分析和三維溫升仿真分析結(jié)論,選擇16層水道方案作為電機冷卻水道最終方案,進行了樣機制作以及水道壓差測試。

        在電機進出水口埋入壓力傳感器,通入冷卻介質(zhì)50%乙二醇溶液,流量為0~16 L/min,每隔2 L/min作為一個流量測試點,試驗溫度為65℃。檢測在不同流量下,電機進出水口的壓力,二者差值即為進出水口壓力差,檢測結(jié)果如表4所示。

        表4 不同流量下水道壓差測試結(jié)果

        測試結(jié)果表明:16層水道方案,當流量為8 L/min時,進出水口壓差為0.129×105Pa。仿真結(jié)果為0.125×105Pa,與實測結(jié)果很接近,相差3%左右,說明建立的仿真模型比較準確,通過仿真模型可以比較準確地計算水道冷卻效果。同時也說明本文所研究的16層水道方案冷卻效果較好。

        5 結(jié)語

        電機冷卻水道的設(shè)計對電機冷卻效果有著直接的影響,

        表3 不同工況下的溫升仿真結(jié)果

        仿真分析結(jié)果表明:

        (1)轉(zhuǎn)速1 000 r/min,額定扭矩152 N·m時,16層水道溫度而電機冷卻效果又直接決定著電機輸出性能。本文通過研究,電機軸向水道設(shè)計可參考如下設(shè)計方法:為了降低流阻,盡可能減小電機水道層數(shù),然而水道層數(shù)減少,必然會帶來渦流的增加,反而于電機散熱不利,可以設(shè)計多重層數(shù)的水道,進行流阻和渦流的比較,選擇合理的水道層數(shù)。

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