王升平，郭美華，何佳兵

(中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528404)

0 引言

純電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力汽車及燃料電池電動(dòng)汽車，作為新能源汽車的三大主體，各自有其優(yōu)缺點(diǎn)。近幾年，一種新的純電動(dòng)汽車的概念“增程式電動(dòng)汽車”被推廣，其技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。通過配置由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的增程器，在動(dòng)力電池荷電狀態(tài)下降至一定限度時(shí)及時(shí)給車輛提供能量，既能發(fā)揮純電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，又能有效彌補(bǔ)續(xù)駛里程短的不足。它只有電動(dòng)機(jī)一種動(dòng)力源，主要是在行駛中通過發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，多余的電能給動(dòng)力電池充電，本質(zhì)上仍然屬于純電驅(qū)動(dòng)[1]。增程式電動(dòng)汽車技術(shù)如今已被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可，并將成為新能源汽車技術(shù)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向[2]?！吨袊?guó)制造2025》明確提出了要開發(fā)增程器發(fā)電機(jī)技術(shù)，重點(diǎn)進(jìn)行高效、高密度發(fā)電機(jī)的開發(fā)，研究高效發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的集成核心關(guān)鍵技術(shù)。能否開發(fā)出性能優(yōu)越、油耗低、排放好的增程式電動(dòng)汽車，主要依賴于增程器技術(shù)。增程器用發(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)中重要的供能設(shè)備，是增程式電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展中亟需解決和完善的關(guān)鍵技術(shù)之一，開發(fā)用于增程器的高效緊湊型發(fā)電機(jī)勢(shì)在必行。有廠家開發(fā)試制了試驗(yàn)樣機(jī)，初步實(shí)驗(yàn)表明：增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)，性能良好、高效率工作區(qū)域占比高[3]。

圖1 增程式電動(dòng)汽車技術(shù)架構(gòu)

1 増程器內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特征

國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已在開發(fā)公交車、輕型商務(wù)車上應(yīng)用增程器發(fā)電機(jī)，但大多數(shù)是采用傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子式發(fā)電機(jī)。內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)與外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)在工作原理上是一樣的，不同之處在于定子和轉(zhuǎn)子的位置結(jié)構(gòu)改變了。內(nèi)轉(zhuǎn)子式是定子在外側(cè)，轉(zhuǎn)子在內(nèi)部旋轉(zhuǎn),如圖2;而外轉(zhuǎn)子式是轉(zhuǎn)子在外側(cè)，定子在內(nèi)部，轉(zhuǎn)子繞著定子轉(zhuǎn),如圖3。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖3 外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4為永磁外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)爆炸圖，內(nèi)定子由硅鋼片疊成，其線圈槽開在鐵芯圓周的外側(cè)，與常見的外定子相反。外轉(zhuǎn)子如同一個(gè)桶套在定子外側(cè)，由導(dǎo)磁良好的鐵質(zhì)材料制成，在“桶”的內(nèi)壁固定有永久磁鐵做成的磁極，使永磁體貼于轉(zhuǎn)子內(nèi)表面，“桶”就是轉(zhuǎn)子的磁軛。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一是磁極固定較容易，不會(huì)因?yàn)殡x心力而脫落，外轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子支架上的中間轉(zhuǎn)軸安裝在定子內(nèi)機(jī)殼的大小兩個(gè)軸承上，軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子軸配合，外圈與內(nèi)機(jī)殼配合，軸承之間用軸套實(shí)施軸向定位，外轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過軸承實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)爆炸圖

傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)具有內(nèi)部空間小、不易實(shí)現(xiàn)多極、運(yùn)行時(shí)熱量聚集在電機(jī)內(nèi)部難以快速散出、從而影響永磁體性能等缺點(diǎn)，難以達(dá)到增程器技術(shù)緊湊、高功率密度、高效率的要求。而外轉(zhuǎn)子電機(jī)則具有軸向尺寸緊湊、可靠性高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、運(yùn)行平穩(wěn)、散熱性能好、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 増程器外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)冷卻水道設(shè)計(jì)

2.1 水道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高效冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是增程式電動(dòng)汽車外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高功率密度、高可靠性等功能的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著電機(jī)功率密度增高、體積減小，電機(jī)單位體積的熱負(fù)荷越來(lái)越大，過高的溫升嚴(yán)重影響到電機(jī)的性能及可靠性。因此，對(duì)發(fā)電機(jī)溫升的控制成為了該電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。強(qiáng)制水冷的散熱系統(tǒng)因散熱效果好成為了散熱的主要解決方案，圖5為其結(jié)構(gòu)原理圖。

圖5 増程器外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)內(nèi)機(jī)殼外表面與定子鐵芯通過過盈配合裝配在一起，可減小熱阻，內(nèi)機(jī)殼內(nèi)部的冷卻水道與基體后端蓋處的冷卻水出入口連接，因而內(nèi)置的冷卻系統(tǒng)能夠有效地將發(fā)電機(jī)內(nèi)部的熱量帶走，使電機(jī)處于低溫升的工作狀態(tài)。

目前，電機(jī)冷卻系統(tǒng)的水道結(jié)構(gòu)主要有折返型和螺旋型兩種。折返型水道壓降大，水泵的效率低；螺旋型水道則較為平順、壓降小。但由于電機(jī)兩端分別布置冷卻水的入口和出口，使得入口處溫升低、出口處溫升高，不利于控制電機(jī)的均溫性能。同時(shí)，螺旋型水道結(jié)構(gòu)對(duì)水?dāng)_動(dòng)能力有限，水流的湍流強(qiáng)度不足，導(dǎo)致冷卻介質(zhì)的強(qiáng)化散熱性能不佳，達(dá)不到好的散熱效果。

鑒于此，設(shè)計(jì)了一種具有擾流作用的變截面電機(jī)內(nèi)機(jī)殼水道，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。電機(jī)水冷內(nèi)機(jī)殼由鋁合金制成，通過內(nèi)機(jī)殼內(nèi)表面與外表面裝配焊接而成。內(nèi)機(jī)殼內(nèi)、外表面之間形成的空腔即為水冷機(jī)殼的水道。與內(nèi)機(jī)殼內(nèi)表面一體成型的隔水板將水道分隔為螺旋型結(jié)構(gòu)。水道底部設(shè)計(jì)有“Y”形擾流物，入水口處的槽寬最大，隨后槽寬逐漸變小，出水口處槽寬最小。

圖6 電機(jī)內(nèi)機(jī)殼結(jié)構(gòu)示意(機(jī)殼局部剖開)

其工作原理為：冷卻介質(zhì)從水道的入水口流入，經(jīng)過螺旋型水道與機(jī)殼發(fā)生充分的強(qiáng)制對(duì)流換熱，后冷卻介質(zhì)從水道的出水口流出并流回冷卻裝置。冷卻系統(tǒng)通過冷卻介質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)來(lái)帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，達(dá)到降低電機(jī)溫升的作用。

2.2 水道尺寸參數(shù)確定

內(nèi)機(jī)殼內(nèi)表面的凹槽結(jié)構(gòu)為水冷電機(jī)機(jī)殼的主體。如圖7所示，水道為螺旋型，水道隔板的高度h、寬度d保持不變。隔板的存在將水道分層，并使冷卻介質(zhì)順著隔板流動(dòng)。靠近入水口處的槽寬最大為l1，隨后槽寬逐漸減小，到出水口處達(dá)到最小槽寬l6。水道參數(shù)不僅影響冷卻性能，而且影響壓力損失。有研究表明：螺旋圈數(shù)對(duì)電機(jī)溫升和水道壓降的影響都很大，而水道寬度和高度對(duì)電機(jī)溫升的影響較小，對(duì)壓降影響卻很大[4]。在進(jìn)行水道尺寸確定時(shí)必須考慮和優(yōu)化螺旋圈數(shù)、高度和寬度這幾個(gè)參數(shù)。在后續(xù)樣機(jī)試制和實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)計(jì)算和仿真分析，選定了螺旋圈數(shù)為4圈、寬度為50 mm、高度為10 mm的一款電機(jī)水道進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)。

圖7 電機(jī)水道結(jié)構(gòu)示意

特別地，在水道底部同時(shí)設(shè)計(jì)有“Y”形擾流物，如圖8所示，冷卻介質(zhì)在水道中流動(dòng)，當(dāng)遇到擾流物時(shí)擾流物的三叉部分干擾了液體的向前流動(dòng)，液體向兩側(cè)散開，增大了流動(dòng)速度并擾亂了原有的流動(dòng)軌跡，大大增強(qiáng)了冷卻介質(zhì)的湍流強(qiáng)度。為降低制造成本，設(shè)計(jì)隔水板和擾流物與內(nèi)機(jī)殼為一體，一次鑄造成型。

圖8 電機(jī)水道冷卻液流動(dòng)示意

3 樣機(jī)溫升試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，制作了一臺(tái)外轉(zhuǎn)子內(nèi)置水道試驗(yàn)樣機(jī)，如圖9所示，與某專業(yè)電機(jī)公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在電機(jī)溫升試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，該平臺(tái)主要由測(cè)功機(jī)、待測(cè)發(fā)電機(jī)、控制器、恒溫水池、水泵、熱電偶、溫度采集卡、控制操作臺(tái)、電腦及軟件系統(tǒng)等組成，如圖10。設(shè)置電機(jī)功率為 60 kW，轉(zhuǎn)速 3 000 r/min，冷卻介質(zhì)在水道中流速為 13.6 L/min，保持60 ℃恒溫狀態(tài)。樣機(jī)制作時(shí)，電機(jī)水道出入口兩端處定子繞組分別預(yù)埋熱電偶，試驗(yàn)時(shí)作為兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，電機(jī)的溫度通過熱電偶來(lái)采集，每隔 5 min溫度采集儀自動(dòng)記錄一次熱電偶傳來(lái)的溫度數(shù)據(jù)。

圖9 發(fā)電機(jī)樣機(jī)

圖10 電機(jī)溫升試驗(yàn)臺(tái)

兩種發(fā)電機(jī)分別在同等工況下運(yùn)行，約60～70 min后繞組溫度趨向平穩(wěn)，直到1.5 h后溫度保持穩(wěn)定，此時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)整理后，匯集于表1。通過對(duì)比，可看出樣機(jī)溫升最高點(diǎn)下降了15.41 ℃，出入口處溫差僅1.52 ℃，說明采用變截面具有Y形擾流物的水道結(jié)構(gòu)，可有效降低溫升和保障均溫性能。

表1 溫升試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 ℃

基于此種設(shè)計(jì)，電機(jī)水道呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)特征如下：

(1)采用內(nèi)外機(jī)殼焊接的結(jié)構(gòu)，大大降低了機(jī)殼內(nèi)置水道的制造難度，實(shí)現(xiàn)了水道的擾流物與內(nèi)機(jī)殼一體成型，降低了機(jī)殼的制造成本。

(2)水道底部的“Y”形擾流物能有效地?cái)_動(dòng)冷卻介質(zhì)，增大冷卻介質(zhì)的湍流強(qiáng)度，從而增大水道的對(duì)流換熱能力，降低電機(jī)溫升。

(3)水道主體為螺旋型結(jié)構(gòu)，降低了水道壓降。設(shè)計(jì)水道截面大小為漸變形式，入口處水道寬，出口處水道窄。增大了水道出口處冷卻介質(zhì)的對(duì)流換熱能力，保證了電機(jī)的均溫性。

4 結(jié)論

為滿足增程式電動(dòng)汽車高效緊湊型發(fā)電機(jī)輕量化、高功率密度的發(fā)展要求，本文作者提出了一種具有擾流作用的變截面電機(jī)水道結(jié)構(gòu)，為發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的思路。通過水道內(nèi)的擾流物增強(qiáng)了冷卻介質(zhì)的湍流強(qiáng)度，有效地提高了水冷電機(jī)機(jī)殼的散熱性能，同時(shí)變截面的水道結(jié)構(gòu)保證了電機(jī)具有良好的均溫性能。