王海龍

(中國石油大慶石化公司,黑龍江大慶 163714)

0 引言

氣候問題極端出現(xiàn),“碳中和”越來越重要,我國到2035年新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)到達(dá)國際先進(jìn)水平。輪轂電機(jī)作為關(guān)鍵部件,已成為研究熱點(diǎn)。因安裝空間狹小,隨著電機(jī)功率密度提高和電動(dòng)車工作環(huán)境惡劣,對(duì)電機(jī)防塵防水要求較高,常見風(fēng)冷、外殼水冷效果受限,油冷作為一種較好冷卻方式,可以有效帶走電機(jī)發(fā)熱部件熱量。電機(jī)溫升準(zhǔn)確計(jì)算關(guān)系到電機(jī)可靠運(yùn)行,溫度過高會(huì)引起電機(jī)繞組燒損以及永磁體退磁,引發(fā)故障。侵油冷卻能很好提高冷卻效果,但電機(jī)內(nèi)部為封閉結(jié)構(gòu),存在油與空氣混合,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),氣液兩相在電機(jī)內(nèi)部相互作用,情況復(fù)雜,因此,需要建立計(jì)算模型,分析電機(jī)溫升結(jié)果,研究不同油量電機(jī)溫升情況和不同運(yùn)行工況下電機(jī)性能。

1 輪轂永磁電機(jī)研究現(xiàn)狀

永磁同步輪轂電機(jī)多部分溫升計(jì)算是采用熱網(wǎng)絡(luò)方法和有限元方法,而等效熱網(wǎng)絡(luò)方法是參考電路思維,引入熱阻等等效概念,利用基爾霍夫定律,建立理論熱阻模型,從而計(jì)算各部件溫升,優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量少,物理概念清晰,計(jì)算速度較快,因此適合電磁場耦合優(yōu)化計(jì)算。文獻(xiàn)[1]是針對(duì)3kW電機(jī)采用有限元方法計(jì)算繞組短路時(shí)內(nèi)部各部件溫升情況;文獻(xiàn)[2]是針對(duì)牽引電機(jī),使用有限元方法計(jì)算繞組最外層不同導(dǎo)熱系數(shù)情況下,通過建立質(zhì)量、能量守恒以及動(dòng)量關(guān)系式,采用微分方程組,分析電機(jī)內(nèi)各部件溫升情況。兩種方法分析電機(jī)溫升共同特點(diǎn)是都需要建立邊界條件,包括壁溫、熱流密度和對(duì)流交換熱系數(shù)。這些系數(shù)往往是經(jīng)驗(yàn)系數(shù),當(dāng)電機(jī)溫升較高,冷卻方法變得不再簡單時(shí),系數(shù)往往不再合適,無法給出。且在電機(jī)內(nèi)部不是單一流體時(shí),方法也不再適用。因此,以上常用方法無法適合本文侵油冷卻電機(jī)溫升分析。

浸油方式是指電機(jī)內(nèi)部含有油和空氣的液相和氣相兩種相,這樣雙相結(jié)構(gòu)體導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)的對(duì)流換熱系數(shù)不再適用,同時(shí)油在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)電機(jī)有油磨損耗和空氣摩擦損耗。對(duì)于這部分損耗因電機(jī)形式不同,咱比也各不同。目前,針對(duì)這些問題主要采用CFD流場分析和公式法分析。CFD流場分析計(jì)算精度高,但花費(fèi)成本最高,需要大量網(wǎng)格化,成本高達(dá)數(shù)百萬;公式法計(jì)算開始與1960年,成本忽略不計(jì),只能反應(yīng)尺寸參數(shù)對(duì)求解量影響,后期出現(xiàn)過很多修正公式,因此適用范圍有限,只能應(yīng)用于簡單結(jié)構(gòu)計(jì)算。

因此,本文先對(duì)電機(jī)油摩損耗進(jìn)行分析,然后再初步設(shè)計(jì)電機(jī)方案,并通過有限元軟件,對(duì)電機(jī)不同油量電機(jī)溫升情況和不同運(yùn)行工況下電機(jī)性能進(jìn)行評(píng)估。

2 油摩損耗分析

本文采用CFD流場仿真需要建立三維模型,求解電機(jī)內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)對(duì)油摩損耗,因三維網(wǎng)格后,數(shù)量巨大,求解過程運(yùn)算量大,計(jì)算結(jié)果緩慢,因此,先進(jìn)行解析方程計(jì)算,然后再將結(jié)果代入CFD流場進(jìn)行仿真,分析槽口尺寸、氣隙長度對(duì)電機(jī)油摩損耗影響,為后邊電機(jī)初步設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 解析方程分析

因電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),油摩損耗主要集中在定子齒槽和轉(zhuǎn)子端面損耗。如圖1、圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子端面損耗

圖1為定子槽氣隙流體所在處產(chǎn)生油摩損耗,因轉(zhuǎn)子表面為碳纖維結(jié)構(gòu),表面光滑,故將轉(zhuǎn)子側(cè)簡化成圓柱面,為簡化計(jì)算量,也將定子側(cè)看成圓柱面,整個(gè)接觸位置示意圖如圖3所示。

圖3 整體接觸位置示意圖

根據(jù)流體力學(xué)解析公式,流體狀態(tài)包括層流和湍流,在封閉電機(jī)內(nèi)腔內(nèi),狹小氣隙處,雷諾值約為500,且沿著圓柱體周向不變,因此,可以只考慮齒部和槽口部位,流體流動(dòng)由齒部到槽口會(huì)形成渦流,同樣,流體由槽口流向齒部也會(huì)形成渦流,這些都會(huì)形成油摩損失。根據(jù)動(dòng)量守恒、能量守恒方程,則進(jìn)口位置能量損失為Pin,其中V1為進(jìn)口處流體平均速度。A1為氣隙橫截面積,δ為間距,bs0、hs0為槽口寬和高,見式(1)。

(1)

槽口區(qū)域、齒部區(qū)域也滿足動(dòng)量和能量守恒方程,結(jié)果相同?？紤]到部分部分浸油,引入浸油系數(shù)K,則實(shí)際氣隙油摩損耗見式(2),其中Pin、Pgs、Pgt分別為進(jìn)口處、槽口區(qū)域、齒部區(qū)域油摩損耗。

Pgh=NKg(2Pin+Pgs+Pgt)

(2)

圖2轉(zhuǎn)子端面軛部內(nèi)凹部分,因結(jié)構(gòu)復(fù)雜,計(jì)算時(shí)簡化成圓盤面,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生端面油摩損耗,整體油摩損耗包括盤面油摩損耗和柱面油摩損耗,盤面油摩損耗計(jì)算見式(3),柱面油摩損耗見式(4),總端面油摩損耗見式(5)。

(3)

(4)

Ps=Pdisk+Pc

(5)

2.2 流體場仿真

轉(zhuǎn)子外徑316mm,氣隙長度2mm,建立電機(jī)幾何結(jié)構(gòu),如圖4所示,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化,建立邊界條件,設(shè)定入口流速為0,軸向沒有流動(dòng),出口為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氣隙處轉(zhuǎn)子外表面交界為動(dòng)界面,其余表面為靜界面。模擬浸油情況與油摩損耗關(guān)系,結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖可以看出油位越高,損耗越多,同時(shí),油位減少,冷卻效果會(huì)減低,因此,考慮到溫升,應(yīng)該選擇合適的油位。

圖4 電機(jī)幾何結(jié)構(gòu)

圖5 浸油情況與油摩損耗關(guān)系

圖6 整體情況

圖7 剖視圖情況

3 不同浸油情況下電機(jī)溫升仿真

3.1 內(nèi)部不浸油時(shí)的溫度計(jì)算與分析

當(dāng)冷卻油系數(shù)為0時(shí),(即電機(jī)內(nèi)部為無油狀態(tài),其內(nèi)部為空氣,外部電機(jī)為機(jī)殼水冷),進(jìn)行溫度模擬實(shí)驗(yàn)后,對(duì)電機(jī)溫度分布進(jìn)行比較與分析。

從整體溫度分布圖中可以看出,電機(jī)的表殼溫度較內(nèi)部溫度低很多,殼體溫度相當(dāng)于冷卻水入口的溫度,從溫度剖面圖中可以看出,其內(nèi)部溫度較高,其中電機(jī)定子的心齒部分溫度較高,但是機(jī)殼接近的定子槽底與定子鐵心之間的溫度則較低,通氣間隙一側(cè)的永磁和保護(hù)套的溫度較高,而轉(zhuǎn)子軛部的溫度則比較低,電機(jī)的內(nèi)部溫度要比電機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵部件的溫度低,但是比電機(jī)的殼體溫度要高,這就說明熱量在溫度的影響下,是由發(fā)熱部件通過定轉(zhuǎn)子鐵心以及其周圍的空氣向外殼體傳導(dǎo),最后經(jīng)由外空氣和冷卻水帶走。

圖8、圖9對(duì)電機(jī)的定子繞組與電機(jī)的永磁體這兩個(gè)重要部件溫度分布進(jìn)行分析,可以看出在僅使用機(jī)殼水冷的時(shí)侯,定子繞組端部的溫度十分均勻,大部分區(qū)域溫度位于196.3℃這個(gè)區(qū)域內(nèi),槽內(nèi)的繞組溫度則相對(duì)較低,而且在174.2到187.4這個(gè)區(qū)域的溫度分布跨度比較大,槽口處的溫度比底部繞組的溫度要高很多。 另一邊永磁體的最高溫度位于永磁體的中間部分,兩側(cè)則溫度較中間部分低。

圖8 定子繞組溫度

圖9 永磁體溫度

電機(jī)內(nèi)冷卻油為0時(shí),繞組的最高溫度都是發(fā)生在端部,其最高溫度為196.3℃,電機(jī)幾乎不能發(fā)生過載,另一邊永磁體出現(xiàn)的最高溫度為194.4℃,平均溫度也高達(dá)為189.1℃,永磁體的最低極限溫度為180℃,189.1℃已經(jīng)超過了永磁體的最低極限溫度,會(huì)引起高溫失磁現(xiàn)象。由此可見,僅僅依靠機(jī)殼水冷是不能滿足電機(jī)的冷卻要求的。

3.2 內(nèi)部全浸油時(shí)的溫度計(jì)算與分析

通過調(diào)節(jié)冷卻油油位系數(shù),使電機(jī)內(nèi)部充滿冷卻油,保持其損耗熱密不變。圖10為全浸油,與前面的情況相比相同的是,定子繞組中仍然是端部溫度分布最高,底部繞組的溫度依舊比槽口的繞組溫度要低。差別在于定子繞組在縱向的溫度分布,由于冷卻油在電機(jī)內(nèi)部的不均勻分布,減速器側(cè)的溫度分布較高,非減速器側(cè)的溫度分布較低,但溫度差異不大,上下浮動(dòng)為5℃左右。

圖10 全浸油定子繞組兩端溫升

圖11為永磁體溫度分布,永磁體的中間部位依舊是其最高溫度所在,溫度從中間向橫向與縱向開始逐漸降低,這就致使永磁體的兩側(cè)表面溫度是最低的,而由于兩邊空間存有大量的冷卻油,通氣間隙一側(cè)空間狹小,使其能存放的冷卻油變少,冷卻的效果就相應(yīng)變差,所以靠近通氣間隙一側(cè)的溫度則相比較高一些。

圖11 永磁體情況

如圖12所示,電機(jī)內(nèi)部的最高溫度不再分布于繞組端部,永磁體的平均溫度和最高溫度都是最高的,由圖可知,端部繞組最高溫度是127.9℃,材料中絕緣最高溫度可耐受200℃,永磁體的最高溫度130.5℃,低于材料耐受最高溫度180℃,這表明電機(jī)具備過載能力,但是當(dāng)內(nèi)部全部浸油時(shí)的油耗會(huì)變很大,與整個(gè)電磁損耗數(shù)值非常相近,這將影響電機(jī)的效率和輸出,降低其效率,這將對(duì)動(dòng)力性能等方面非常不利。

圖12 整機(jī)剖視圖

3.3 部分浸油時(shí)的溫度計(jì)算與分析

仿真不同油位下的電機(jī)溫升結(jié)果經(jīng)研究分析后,顯示在電機(jī)底部冷卻油較多,當(dāng)油量在1/3時(shí),電機(jī)最高溫度顯示最低,表面電機(jī)冷卻效果最好。

4 結(jié)語

對(duì)永磁輪轂同步輪轂電機(jī),分析油摩損耗與油位關(guān)系,同時(shí)結(jié)合仿真軟件,仿真不同油位下溫度場分布情況,最終得出1/3浸油為最佳的油位參數(shù),冷卻效果最好,油摩損耗較低。