霍 達,胡 磊

(東風汽車公司技術(shù)中心, 武漢 430058)

0 引 言

新能源汽車用電機在運行中會產(chǎn)生較大熱量,能否進行有效的散熱直接關系到電機及整車的正常運行。定子鐵心、定子繞組是電機內(nèi)主要發(fā)熱源,其運行溫度是影響其性能和可靠性的關鍵因素,對電機進行合理的冷卻設計是至關重要的。

油冷電機使用冷卻油作為冷卻介質(zhì),因油具有優(yōu)異的絕緣性,油液可以直接與電機定子及繞組進行接觸散熱,熱傳遞路徑短,熱阻小,冷卻面積更大。相比水冷方式,相同工況下油冷可以將電機溫度降低至更低水平,電機可以實現(xiàn)更高功率的運行。并且隨著電機向高速化、小型化發(fā)展,油冷冷卻方式是目前一個重要的發(fā)展方向。

雖然油冷電機具有更好的散熱效果,但其需要更復雜的油路結(jié)構(gòu)設計,需要增加噴油管、油底殼、油冷器、油泵、濾清器等配套零件,其中噴油管的設計決定了噴淋位置及噴淋充分程度,是油路設計的關鍵零件。并且,油液噴淋到電機后,只能通過重力效應向下流動,最終匯集到油底殼中。如果車輛在通過越野工況、上下坡或是其他復雜路面時電機出現(xiàn)傾斜,那么油流則會出現(xiàn)不同程度的偏移,導致油無法流過目標區(qū)域,出現(xiàn)局部溫升過高的風險。如果油底殼設計不當,則會出現(xiàn)油無法流進油底殼,出現(xiàn)油泵吸空現(xiàn)象。如何在油路設計階段避免這些風險,是油路設計的關鍵。

針對油冷電機的散熱研究,尤其是噴淋散熱的研究還比較少。文獻[1]對車用油冷電機的溫度場進行分析,得到了仿真結(jié)果,并通過實驗進行驗證。文獻[2]對油冷電機噴油孔流量分配特性進行研究,通過一維和三維仿真得到了影響噴淋效果的主要因素。文獻[3]提出了一種噴油環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)。文獻[4]驗證了噴油管與孔的尺寸對散熱效果的影響。

本文介紹一種高效散熱的油冷電機散熱方案,通過環(huán)形封閉油管結(jié)構(gòu)設計,實現(xiàn)對定子繞組的周向噴淋,增大噴淋面積,提升噴油壓力,增大噴出速度。應用環(huán)形的噴淋方式,即使電機出現(xiàn)姿態(tài)變化,也不會影響油液的定向噴淋;另一方面,油底殼的特殊設計,可以滿足電機大角度范圍內(nèi)的傾斜,不會出現(xiàn)油液無法匯集的現(xiàn)象。

最終通過仿真和驗證,對油冷電機方案進行油流分布和溫升效果的驗證,證明應用此方案可以對電機定子提供更加穩(wěn)定充分的噴淋,提升電機的散熱效果,可以滿足電機大功率運行和多種復雜地形的應用。

1 油冷電機方案設計

1.1 電機整體方案

本文介紹的油冷電機方案峰值功率200 kW,電機總成展示如圖1所示。油路主要包括:一個總進油管,用于將低溫冷卻油引入電機;兩個環(huán)形噴油管,用于對定子繞組外圈和定子鐵心外圈進行定向噴淋;一個轉(zhuǎn)子進油管,用于將冷卻油引入轉(zhuǎn)子軸,并且轉(zhuǎn)子軸上開有油孔,可以將油甩出至定子繞組內(nèi)圈進行冷卻;另外,在軸承附近開有油孔,用于冷卻和潤滑軸承。

圖1 油冷電機

油路示意如圖2所示。冷卻油進入電機分為三路,一路進入環(huán)形噴油管,一路進入轉(zhuǎn)子進油管,一路進入減速箱油路。內(nèi)部油路分別通過電機定子外殼和后端蓋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行貫通和分流;電機內(nèi)的油通過重力最終匯集在油底殼內(nèi),流入油泵,經(jīng)濾清、油冷器后重新進入電機。

被控對象中反應堆的建模包括反應堆壓力容器下降段、下腔室、堆芯活性區(qū)、旁流通道、上腔室等區(qū)域.反應堆建模節(jié)點劃分如圖5所示.

圖2 油路示意圖

1.2 環(huán)形噴油管方案設計

本方案噴油管采用環(huán)形設計,使用兩個環(huán)形油管分別對兩個繞組端部進行全周噴淋,如圖3所示。油管采用兩個進油口,多個出油小孔,此方式有利于管內(nèi)油壓建立,確保噴油孔處有足夠壓力,保證噴淋速度。

環(huán)形油管開孔如圖4所示。周向的多個噴油小孔對繞組外圈進行充分的定向噴淋,噴淋面積最大化,為定子繞組的各個區(qū)域提供冷卻油,電機在大功率工況下運行時可以保持較低的溫度水平,避免出現(xiàn)冷卻不均,繞組局部無油經(jīng)過導致過溫的風險;環(huán)形噴油管的另一個優(yōu)勢在于,即使電機出現(xiàn)傾角,對繞組的噴淋和油流并不會受到影響,電機在不同姿態(tài)下的冷卻效果更加穩(wěn)定,當車輛在經(jīng)過長距離坡道時不容易出現(xiàn)過溫問題。

圖4 環(huán)形噴油管開孔方式

1.3 油底殼方案設計

由于冷卻油流經(jīng)定子后,溫度升高,需要回流至油冷器進行降溫后才能繼續(xù)進行循環(huán)噴淋,此過程中需要通過油泵將冷卻油泵入油冷器,油泵油的來源即為油底殼內(nèi)的積油。為了使噴出的油能夠匯集,油底殼通常設計在電機結(jié)構(gòu)的最低處。

另一方面,油泵正常工作需要油液液面高于油泵入口,否則無法保證噴油管內(nèi)流量要求,并且油泵吸空也會增大油泵電機燒毀風險。當電機出現(xiàn)傾斜時,如何保證油底殼始終保持在電機結(jié)構(gòu)的最低位置是油底殼設計的關鍵。

本方案油底殼設計采用大角度扇形設計,圖5展示了電機在不同傾角下油底殼的積油情況。可以看出,電機在±60°的傾角范圍內(nèi),都能夠?qū)⒂鸵杭性谟偷讱?nèi),這就保證了電機在車輛上下坡道過程中都能保證油冷系統(tǒng)正常工作,油泵正常泵油。

圖5 不同傾角下油底殼積油情況

2 仿真計算

本方案油路主要分為兩部分,一部分為冷卻油在噴出前,由殼體和噴油管構(gòu)成的內(nèi)部流道,另一部分為噴出后的外部流道。由于兩種流道所用的仿真方法不同,所以分別進行仿真。

2.1 內(nèi)流道仿真

內(nèi)部流道仿真,主要考察油路流量分配情況、管路內(nèi)油壓建立情況、噴油孔噴油速度。判斷各油路流量分配是否達到各路流量目標的需求,同時判斷所有噴油孔是否都能夠均勻地噴出油。

噴油管上噴油孔的特征結(jié)構(gòu)為T形管,結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 T形管噴管結(jié)構(gòu)

流過T形管的壓力計算如下式[6]:

(1)

(2)

式中:Δpλ為沿程壓力損失;v為管內(nèi)油液的平均流動速度;Da為入口的管道直徑;Db為噴油口的直徑;min為入口的質(zhì)量流量;mout為噴油口的質(zhì)量流量;Re為雷諾數(shù)。

影響噴油壓力的關鍵因素是噴管的直經(jīng)和噴孔的直徑,為保證噴油管內(nèi)部壓力建立,需保證噴油管總截面積大于所有噴油孔的總面積,從而得到油管與油孔的直徑。

內(nèi)流道仿真模型采用完整模型,一個總進口,出口分為兩路定子噴油管、一路轉(zhuǎn)子進油、一路減速箱進油。兩個環(huán)形噴油管分別噴淋前后端繞組,每個環(huán)形油管上均開有23孔。仿真輸入保持和實際工況一致,冷卻油入口溫度80 ℃,流量13 L/min。內(nèi)流道模型建立如圖7所示。

圖7 內(nèi)流道模型

通過內(nèi)流道仿真計算,進液口總壓力16.3 kPa,該流阻在合理范圍內(nèi)。

由于減速箱和轉(zhuǎn)子軸的分流,所以定子冷卻油路流量最終能夠達到7.61 L/min,噴油管單孔流速均能達到3.46 m/s以上,靠近進油口的噴油孔流速較大,能夠達到3.92 m/s,各孔的流量和流速基本處于相同水平。計算結(jié)果表明,各油路流量分配達到了設計目標,環(huán)形噴油管可以實現(xiàn)各孔都能均勻、穩(wěn)定地出油;環(huán)形噴油管噴淋的流量分配結(jié)果如表1所示。單油孔流量比例及流速如圖8所示。

表1 油路流量分配結(jié)果

表2 各區(qū)域噴淋面積占比

圖8 環(huán)形噴油管單油孔流量比例、流速

2.2 外部流道仿真

外部流道仿真主要考察對電機定子的噴淋效果,計算油液在定子上的覆蓋面積,最后對定子做出溫升計算。

油流分布和油流速分布如圖9所示?？梢钥闯?環(huán)形噴油管對定子的噴油位置與設計相符,繞組外圈油液覆蓋較充分,繞組內(nèi)圈因為轉(zhuǎn)軸油孔甩出的油液,也能夠充分覆蓋。由于噴油孔并未對準繞組側(cè)面,繞組側(cè)面的油液僅能通過繞組上部靠重力流下,所以繞組的散熱主要還是依靠繞組外圈和內(nèi)圈進行散熱,側(cè)面散熱效果稍差。

圖9 噴淋仿真結(jié)果

為計算油液覆蓋面積相對繞組總面積的占比,將定子繞組根據(jù)角度平分為6個區(qū)域,油液覆蓋區(qū)域如圖10所示。

圖10 噴淋面積結(jié)果

根據(jù)結(jié)果,6個區(qū)域的定子繞組噴淋面積占比基本處在相同水平,都能達到大于50%的占比,考慮區(qū)域2、區(qū)域3偏小可能是仿真精準度的原因。由結(jié)果可以看出,噴淋效果較充分且均勻,各個區(qū)域的噴淋充分程度并不會因為繞組位置的不同而產(chǎn)生較大的區(qū)別。

額定工況下的溫升計算結(jié)果如圖11所示。由于繞組上部的油溫始終是最低油溫,隨著向下流動,自由油流的油溫逐漸升高,流經(jīng)下部繞組的自由油流油溫高于繞組上部,所以繞組靠上位置溫度較下部溫度低。最終電機最高溫度達到105 ℃。

圖11 電機溫升仿真結(jié)果

3 實驗驗證

本方案通過制作透明殼體樣機,如圖12所示,觀察噴淋情況及油流分布,通過實驗臺架進行額定工況溫升實驗,驗證油冷電機散熱效果。

圖12 透明殼體樣機

3.1 油流分布驗證

通過透明殼體觀察,環(huán)形噴油管所有油孔均有穩(wěn)定、連續(xù)的油流噴出,定子噴淋較充分,變換電機姿態(tài)對噴淋及油流幾乎無影響,達到了設計預期效果。

3.2 臺架溫升驗證

如圖13所示,將實驗樣機進行臺架搭建,在額定工況下進行溫升實驗,由于只考慮單電機運行,所以將減速箱油路封堵,僅保留電機部分油路。實驗工況:電機額定工況運行,冷卻油進油流量10 L/min,進油溫度80 ℃。

圖13 臺架實驗驗證

最終電機溫度穩(wěn)定在98 ℃,該電機溫度屬于較低水平。相比于相同功率水平的水冷電機,溫度降低了40 ℃,散熱效果提升了28%。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種實現(xiàn)高效散熱的油冷電機,針對油冷電機存在的噴淋不均勻、傾角影響油流的問題,提出了解決方案,旨在提升油冷電機散熱能力,減小電機局部溫升過高帶來的失效風險。

環(huán)形噴油管的設計可以實現(xiàn)對定子充分、穩(wěn)定的定點噴淋,噴淋效果不會因電機姿態(tài)變化而改變,并且該設計有效地提升了電機散熱能力,進一步降低了電機運行時的溫度水平。配套的油底殼設計也可以使電機適應更大范圍的姿態(tài)角度變化,提高車輛在復雜環(huán)境下運行的可靠性。

經(jīng)過仿真計算,定子繞組的理論噴淋面積不低于50%,溫度分布較均勻,未出現(xiàn)局部溫升過高的現(xiàn)象。最后通過透明殼體驗證了油流的充分程度,溫升實驗結(jié)果顯示,相比水冷電機,油冷電機散熱效果提升了28%。本方案可有效實現(xiàn)電機高效散熱,能夠進一步挖掘、提升電機的性能潛力。