張 琪, 雷良育,2, 靳家寶, 胡 峰, 孫崇昆

(1.浙江農(nóng)林大學 工程學院，臨安311300；2.浙江兆豐機電股份有限公司，杭州 311232)

電動汽車用輪轂電機安裝于空間狹小的電動汽車車輪內(nèi)部，并且汽車正常行駛的道路路況復雜，這樣直接使得輪轂電機的散熱能力較差[1].高功率密度使得電機溫升較高[2],不利于輪轂電機的長期使用[3].所以，較高溫升和較差的散熱條件，使得對輪轂電機溫升的準確計算顯得愈發(fā)的重要.

目前，國內(nèi)外學者對電機溫升的計算方法主要有3種：①參數(shù)計算法；②等效熱路法；③有限元分析法.其中，國外的Christian Kral等[4]采用了參數(shù)計算法，建立了輪轂電機溫度場計算數(shù)學模型，雖然計算速度較快，但是不能真實的反應出電機內(nèi)部的溫度分布情況，存在一定誤差.國內(nèi)賈珍珍等[5]運用有限元方法，分析了輪轂電機的溫度場分布和溫升情況，但是，僅采用了二維平面有限元分析方法，沒有考慮電機軸向溫度散熱能力對電機整體溫度的影響；高曉林等[6]運用Fluent流體分析軟件對電機的散熱進行了分析，但是，F(xiàn)luent網(wǎng)格劃分要求較高，且處理時間較長，對于復雜的電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于實際工程計算中的效率要求.

為了使溫升計算結(jié)果較為準確，并且計算效率較高，文中以一臺4 kW輪轂電機樣機為研究對象，在ANSYS Transient Thermal模塊中，以磁熱耦合的方式，分析了額定工況下的輪轂電機的整體溫度場.為了方便有限元模型的建立，文中提出將輪轂電機內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)的求解模型進行簡化和等效處理，并通過相關流體力學和傳熱學的公式，計算出散熱邊界條件來模擬輪轂電機的散熱情況，最后,將得出的溫度場的仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了所提出的磁熱耦合仿真計算方法的正確性，為輪轂電機的冷卻結(jié)構(gòu)設計提供重要的參考依據(jù).

1 輪轂電機熱性能參數(shù)的確定

1.1輪轂電機的基本參數(shù)

輪轂電機的基本參數(shù)如表1所示.

表1 電機基本參數(shù)

電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，結(jié)構(gòu)較為緊湊，散熱條件較差.在自然風冷條件下，輪轂電機的主要熱交換方式如圖1所示，主要由電機內(nèi)部各部件的傳熱、電機外部殼體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對流換熱等組成.

圖1 電機內(nèi)熱交換

1.2 熱源計算

電磁損耗主要包括定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗、銅耗和永磁體渦流損耗，電磁損耗是輪轂電機的主要熱源，所以，需要準確的計算出電磁損耗的具體數(shù)值.通過Maxwell電磁分析軟件準確地分析出額定工況下輪轂電機各部件的電磁損耗分布云圖.如圖2所示，在齒頂處的定子鐵芯損耗較大，這是因為此處的磁密較為集中.如圖3所示，在齒槽開口處的永磁體渦流損耗較大，這是由于定子槽口的齒槽效應會產(chǎn)生磁場高次諧波，會引起較大的渦流損耗[7].

圖2 額定工況定子鐵芯損耗分布云圖

圖3 額定工況永磁體渦流損耗分布云圖

經(jīng)過Maxwell后處理計算模塊，得到輪轂電機定、轉(zhuǎn)子鐵芯損耗和永磁體渦流損耗具體數(shù)值大小，如表2所示.其中，轉(zhuǎn)子的鐵耗較小，僅為定子鐵耗的0.89%，可以忽略不計，銅耗的數(shù)值最大，占總體電磁損耗的一半.

表2 額定工況下電機內(nèi)各部件的電磁損耗分布

2 輪轂電機溫度場分析

2.1 復雜部件的簡化與等效

2.1.1 定子槽繞組模型的簡化與等效

在建立溫度場分析模型時，定子槽中的繞組和絕緣體結(jié)構(gòu)復雜，很難精確的建立有限元模型.可以將繞組等效為一整塊導體，絕緣體按體積等效成等體積的包圍層，并平行緊貼于槽壁，簡化模型如圖4所示.

根據(jù)傳熱學定理[8]，通過下列公式計算等效后的絕緣層和導體的物性參數(shù).

圖4 定子槽繞組模型等效簡化

(1)

ds=d1+d2+d3，

(2)

(3)

(4)

式中：d1為定子槽絕緣材料的厚度；d2為槽絕緣材料與定子之間氣隙厚度；d3為繞組銅線的絕緣漆厚度；ρ1、ρ2和ρ3為對應的絕緣體密度；c1、c2、c3分別為絕緣體的比熱容；v1、v2、v3分別為對應的絕緣體的體積.

結(jié)合上述公式，計算得到等效絕緣體的等效結(jié)構(gòu)尺寸和等效物性參數(shù)，如下表3所示.

表3 定子槽繞組等效模型的等效物性參數(shù)

2.1.2 鐵芯疊片模型的等效與簡化處理

定子鐵芯是由多層硅鋼片經(jīng)過疊壓而成，結(jié)構(gòu)比較復雜.可以將鐵芯疊片等效成具有軸向、徑向和切向不同導熱性能的結(jié)合體，導熱等效示意圖如圖5所示.

圖5 定子鐵芯疊片傳熱等效示意圖

可以通過下列公式計算得到定子鐵芯在各個方向上的導熱系數(shù).

(5)

(6)

通過計算得到等效模型物理屬性參數(shù)如表4所示.

表4 定子鐵芯簡化模型物理屬性參數(shù)

為了使溫度場分析時的有限元模型更加簡單，需要對輪轂電機中溫度場分析影響較小的次要部件進行一定的省略和簡化，如螺栓、墊片等，并假設保留的主要部件之間是緊密接觸無空隙的，最后得到的簡化模型如圖6所示.

圖6 輪轂電機簡化模型圖

2.2 對流換熱系數(shù)的等效與計算

輪轂電機主要的對流換熱邊界面如圖7所示，散熱邊界的數(shù)值大小表示輪轂電機各個表面散熱能力的強弱，需要精確計算.

2.2.1 氣隙散熱系數(shù)的計算

隨著電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，電機氣隙中的空氣會流動，但氣隙的尺寸較小，很難在溫度場計算時模擬氣隙的旋轉(zhuǎn)和運動，因此，對定轉(zhuǎn)子間的氣隙做靜止處理，通過公式(7)計算氣隙散熱系數(shù)來模擬氣流運動時的散熱能力[9].

(7)

式中：hairgap和λair分別為氣隙的等效傳熱系數(shù)和空氣導熱系數(shù)；δ為氣隙長度；T?和Pr分別為氣隙雷諾數(shù)和普朗特數(shù).

2.2.2 輪轂電機外殼表面散熱系數(shù)的計算

電機殼在旋轉(zhuǎn)時通過對流的形式與外界環(huán)境發(fā)生熱交換，同時旋轉(zhuǎn)外殼會加速周圍空氣的流動從而增強散熱效果[10]，機殼的對流散熱系數(shù)計算公式如下.

(8)

式中：hca為機殼外表面的對流散熱系數(shù)；vair為電機殼外表面空氣的運動速度，按照電機殼旋轉(zhuǎn)速度的70%取值[11].

根據(jù)以上公式計算得到了電機對流散熱邊界面的散熱系數(shù)，具體數(shù)值如下表所示.

表5 輪轂電機各邊界面對流散熱系數(shù)

3 額定工況下輪轂電機溫度場仿真結(jié)果分析

進行瞬態(tài)溫度場求解后，得到額定工況下的輪轂電機運行3 600 s后的溫度場分布云圖，如圖8所示.從溫度場仿真結(jié)果可知繞組部分的溫度最高，因為繞組銅耗最大，繞組最高溫度為122.23 ℃，最低溫度為121.45 ℃，由于槽絕緣的隔熱作用，繞組的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在繞組中間位置，最低溫度區(qū)域出現(xiàn)在兩端，但是,繞組的溫度差異較小，整體溫度分布較為均勻.

定子的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在槽底部與定子軛內(nèi)圓之間的位置，因為定子的位置與繞組位置最接近，并且定子本身也是發(fā)熱源，所以，定子的最高溫度僅次于繞組，最高溫度為120.78 ℃.

永磁體的溫差較大，最高溫度為118.22 ℃，最低溫度為113.24 ℃，由于磁極內(nèi)圓處接近溫度較高的定子，外圓接近散熱較好的轉(zhuǎn)子與外殼，所以，磁極內(nèi)圓與外圓形成了一個4.98 ℃的溫差范圍.

圖8 電機整體和各部件溫度分布云圖

4 試驗驗證

為了驗證文中所述輪轂電機溫度場仿真方法的正確性，需要對輪轂電機進行溫升試驗.試驗所用的檢測平臺為輪轂電機綜合性能試驗臺，如圖9所示，該試驗臺由測功儀、控制器、試驗架、溫度傳感器等部件組成.運用溫度傳感器埋入繞組端部，以檢測繞組端部溫度變化，并運用紅外溫度計測量電機外殼溫度.

為了減小試驗值和仿真值的誤差，需要使試驗條件和仿真條件基本相同，控制實驗室初始環(huán)境溫度為22 ℃，在試驗過程中運用測功儀和控制器配合，使得輪轂電機在額定負載工況下,連續(xù)平穩(wěn)運行1 h，并以1 min為時間段記錄溫度數(shù)據(jù).將得到的溫升試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，對比曲線如圖10所示.

由圖10輪轂電機溫升試驗與仿真的對比曲線可知，轉(zhuǎn)子外殼的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果幾乎一致，誤差在2%以內(nèi).繞組端部的仿真誤差較大，最終穩(wěn)定時的誤差相差約2.2 ℃，但最大誤差在5%以下，該結(jié)果在工程計算誤差的允許范圍內(nèi).通過與試驗結(jié)果的比對，驗證了文中采用的磁-熱耦合仿真計算輪轂電機溫度場的方法的正確性，該方法能夠運用于輪轂電機初期設計中，并且能為輪轂電機散熱結(jié)構(gòu)的設計提供重要的參考依據(jù).

圖9 輪轂電機綜合性能試驗臺

圖10 輪轂電機溫度試驗與仿真對比曲線

5 結(jié) 論

通過磁熱耦合的方法，對一臺4 kW電動汽車用輪轂電機的電磁損耗和溫度場進行了研究，得出以下結(jié)論：

1)電磁損耗是輪轂電機的主要熱源.定子鐵芯損耗主要集中在齒頂部位，轉(zhuǎn)子鐵芯損耗很小，可以忽略不計，永磁體渦流損耗由于齒槽效應主要集中在定子槽口對應區(qū)域.繞組銅耗在總體電磁損耗中所占比例最大，達到了50%，溫升最大，所以，在設計散熱結(jié)構(gòu)時必須重點考慮繞組區(qū)域的冷卻效果.

2)在溫度場分析模型建立時，繞組部分可以簡化成文中提出的導條加絕緣層的模型，硅鋼片部分可以簡化成一個定子整體，再經(jīng)過文中給出的傳熱學相關公式的計算，能夠精確的等效計算出簡化模型的尺寸和導熱系數(shù)等參數(shù)，等效模型和散熱系數(shù)的計算是文中提出的磁熱耦合分析的關鍵.

3)從溫度場分析結(jié)果可知，輪轂電機繞組部位的溫度最高，繞組端部溫度較繞組中間部位的溫度有所降低.由于定子與繞組接觸，并且定子部位本身也是熱源，所以，定子部位的溫度接近繞組部位的溫度.永磁體由于靠近轉(zhuǎn)子與外殼，冷卻效果較好，永磁體的內(nèi)層和外層會形成一定溫度差.

通過試驗分析，驗證了結(jié)合文中所述的輪轂電機磁熱耦合仿真分析方法能夠準確的分析出輪轂電機溫度場的分布情況，能夠為輪轂電機冷卻結(jié)構(gòu)的設計提供重要的參考依據(jù).