周琦 張宇翔 李丹雯
摘 要:針對(duì)增程器磁電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的定子線圈短時(shí)溫升過高現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了一種新的電機(jī)散熱裝置。通過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,以及由于無法及時(shí)為電池充電而影響續(xù)航里程等問題而設(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)致溫升過高的現(xiàn)象[2]。電機(jī)運(yùn)行過程中出現(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。
國內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)電機(jī)內(nèi)部的溫升問題展開了研究。賀文凱等人通過有限元仿真,分析了不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)散熱性能的影響,提出可以通過選擇合適的通風(fēng)方式來提高效能[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)針方向?yàn)檎D(zhuǎn),逆時(shí)針方向?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)仍存在溫升過高的問題。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)針方向?yàn)檎D(zhuǎn),順時(shí)針方向?yàn)榉崔D(zhuǎn)。新冷卻風(fēng)扇主要從進(jìn)風(fēng)流量的角度來設(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,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
本文針對(duì)增程器磁電機(jī)短時(shí)溫升過高的現(xiàn)象,通過對(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),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。
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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。