周琦 張宇翔 李丹雯

摘 要：針對(duì)增程器磁電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的定子線圈短時(shí)溫升過(guò)高現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種新的電機(jī)散熱裝置。通過(guò)CFD流體力學(xué)仿真分析，對(duì)比了改進(jìn)前后散熱裝置對(duì)線圈短時(shí)溫升現(xiàn)象的影響，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的散熱裝置的散熱性能有了明顯改善，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，說(shuō)明該研究結(jié)果能夠?yàn)榇烹姍C(jī)散熱裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：增程器磁電機(jī);冷卻風(fēng)扇;散熱性能;CFD流體分析

0 引言

增程器是為了解決電動(dòng)汽車電池壽命短，以及由于無(wú)法及時(shí)為電池充電而影響續(xù)航里程等問(wèn)題而設(shè)計(jì)的一種新型電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航裝置[1]。增程式電動(dòng)車以電動(dòng)機(jī)為主，發(fā)電機(jī)為輔，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力發(fā)電，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。增程器磁電機(jī)內(nèi)部多為定子結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)易發(fā)熱，且熱量聚集在電機(jī)內(nèi)部，容易導(dǎo)致溫升過(guò)高的現(xiàn)象[2]。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的溫升是衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，因此電機(jī)中的散熱裝置，如散熱風(fēng)扇，是其必不可少的組成部件。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)電機(jī)內(nèi)部的溫升問(wèn)題展開(kāi)了研究。賀文凱等人通過(guò)有限元仿真，分析了不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)散熱性能的影響，提出可以通過(guò)選擇合適的通風(fēng)方式來(lái)提高效能[3];溫嘉斌等對(duì)高壓電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，分析了單個(gè)通風(fēng)槽對(duì)電機(jī)散熱的影響[4]。然而，現(xiàn)有研究缺乏對(duì)散熱裝置運(yùn)行過(guò)程中的流體力學(xué)特征的深入分析，導(dǎo)致其散熱性能難以得到顯著提升。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，以增程器內(nèi)散熱風(fēng)扇為研究對(duì)象，以其結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，開(kāi)展仿真與實(shí)驗(yàn)研究，以期為散熱裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一種可行的參考方案。

1 模型建立

本文以EH6000增程器為例，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)其散熱性能的提升。

1.1 ? ?原冷卻風(fēng)扇建模

圖1為增程器磁電機(jī)內(nèi)部電機(jī)模型，從左到右分別為冷卻風(fēng)扇、風(fēng)扇安裝位置、電機(jī)進(jìn)風(fēng)口。其基本工作原理：通過(guò)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)氣體流動(dòng)，使外部冷卻空氣由進(jìn)風(fēng)口流入，內(nèi)部線圈散熱后空氣流出，進(jìn)而借助氣體的循環(huán)實(shí)現(xiàn)冷卻。

為排除外界環(huán)境干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在仿真驗(yàn)證前，邊界及工況設(shè)置如下：入口采用停滯進(jìn)口，設(shè)置冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 800 r/min;出口采用壓力出口，相對(duì)壓力為0 Pa，參考?jí)毫?01 325 Pa。本文約定，按照從圖1（a）中垂直紙面向里的方向看，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎D(zhuǎn)，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)榉崔D(zhuǎn)。

風(fēng)扇正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)出口速度矢量圖分別如圖2（a）（b）所示。從圖2（a）可知，定子安裝座上方的風(fēng)口為出風(fēng)口，風(fēng)罩上的風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口，提取分析結(jié)果得到風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量為0.030 55 kg/s;而從圖2（b）可知，定子安裝座上方的風(fēng)口，一部分是進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，另一部分為出風(fēng)狀態(tài)，提取分析結(jié)果得到風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量為0.014 62 kg/s。

經(jīng)過(guò)上述分析得知，風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)風(fēng)量是反轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)風(fēng)量的2倍，說(shuō)明磁電機(jī)風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時(shí)的散熱效果更好。改變風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)方向雖然可以改善散熱效果，但在同狀態(tài)下對(duì)比EH6000與其他型號(hào)增程器磁電機(jī)的溫度，發(fā)現(xiàn)EH6000增程器磁電機(jī)仍存在溫升過(guò)高的問(wèn)題。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型冷卻風(fēng)扇，將進(jìn)風(fēng)量與氣壓梯度力提高后，再次進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。

1.2 ? ?新風(fēng)扇模型與進(jìn)風(fēng)量仿真分析

新風(fēng)扇模型如圖3所示，本文約定從圖3垂直紙面向里的方向看，逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎D(zhuǎn)，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)榉崔D(zhuǎn)。新冷卻風(fēng)扇主要從進(jìn)風(fēng)流量的角度來(lái)設(shè)計(jì)，邊界條件與原風(fēng)扇的設(shè)置相同。

圖4為新冷卻風(fēng)扇進(jìn)出口速度矢量圖。從圖4可知，定子安裝座上方的風(fēng)口為出風(fēng)口，風(fēng)扇罩上的風(fēng)口為進(jìn)風(fēng)口，提取分析結(jié)果得到新風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)量為0.037 5 kg/s。綜合以上結(jié)果可知，新風(fēng)扇正轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)風(fēng)量比舊風(fēng)扇正、反轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)風(fēng)量都大，由此得出改進(jìn)設(shè)計(jì)后的新風(fēng)扇為最佳冷卻風(fēng)扇。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)仿真分析，得出不同結(jié)構(gòu)的模型對(duì)風(fēng)扇散熱性能有一定的影響這一結(jié)論。為進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)論，本次實(shí)驗(yàn)采用PLA材料，通過(guò)3D打印制作出兩種風(fēng)扇的實(shí)物，裝機(jī)拖動(dòng)磁電機(jī)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)，對(duì)比新舊風(fēng)扇的散熱性能，并檢測(cè)改進(jìn)后的風(fēng)扇能否滿足磁電機(jī)的冷卻要求。

2.1 ? ?實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)

固定增程器，在接線正確的情況下，發(fā)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，每隔5 min對(duì)各參數(shù)進(jìn)行采集，主要包括時(shí)間、轉(zhuǎn)速、定子溫度1（定子靠近缸體側(cè)）、定子溫度2（定子遠(yuǎn)離缸體側(cè)）、發(fā)電電流、發(fā)電電壓、驅(qū)動(dòng)電流等。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 ? ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，分析不同參數(shù)下新冷卻風(fēng)扇的性能，如圖5所示。

圖5（a）為新、舊冷卻風(fēng)扇兩個(gè)定子溫度隨時(shí)間變化的點(diǎn)線圖，圖5（b）（c）（d）分別為新舊冷卻風(fēng)扇機(jī)頭溫度、缸頭溫度、控制器溫度隨時(shí)間變化的點(diǎn)線圖。新舊冷卻風(fēng)扇這3處的溫度并無(wú)較大差距。由圖5（a）可以看出，使用舊冷卻風(fēng)扇時(shí)，定子最高溫度達(dá)到188 ℃，使用新冷卻風(fēng)扇時(shí)，定子最高溫度為94 ℃。20 min以內(nèi)，舊冷卻風(fēng)扇定子溫度1比新冷卻風(fēng)扇平均高76.2 ℃，定子溫度2比新冷卻風(fēng)扇平均高出62.6 ℃，即舊冷卻風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)磁電機(jī)定子溫度較高。由此可見(jiàn)，新冷卻風(fēng)扇的冷卻效果明顯好于舊冷卻風(fēng)扇。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的正確性，得出了在其他條件不改變的情況下，新冷卻風(fēng)扇散熱性能有所提升的結(jié)論，證明新冷卻風(fēng)扇的模型可以優(yōu)化磁電機(jī)散熱性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)增程器磁電機(jī)短時(shí)溫升過(guò)高的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)定子區(qū)域溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)進(jìn)行分析，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)方向改進(jìn)為正轉(zhuǎn)。通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)相較于舊冷卻風(fēng)扇，新冷卻風(fēng)扇的散熱效果更好。由此將舊風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 姚丙雷，劉朋鵬，王建輝，等.高壓高速電機(jī)通風(fēng)與散熱分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2019，46（8）：70-75.

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[4] 溫嘉斌，鄭軍，于喜偉.YKK中型高壓異步電動(dòng)機(jī)換熱分析與冷卻器優(yōu)化[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，19（9）：33-39.

收稿日期：2020-11-26

作者簡(jiǎn)介：周琦（1982—），男，陜西丹鳳人，工程師，研究方向：航空電氣。