特種車輛輪轂電機(jī)溫度場分析及冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

婁華語楊曉光張明鄒小俊宋偉王良模輪轂電機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，有助于提高車輛的操控性和穩(wěn)定性、減少能量損耗和提高傳動效率。同時輪轂電機(jī)可實現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動方式，提高汽車行駛安全性和穩(wěn)定性。但輪轂電機(jī)內(nèi)部空間有限、運行工況復(fù)雜，在工作中面臨著嚴(yán)重的散熱問題，同時溫度過高會對電機(jī)各部分材料性能造成影響。需要合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)，將電機(jī)溫升控制在合理范圍內(nèi)。目前對電機(jī)溫升的研究主要有兩種方法，包括等效熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)驗，通過仿真值與試驗值的對比，驗證了電機(jī)等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的解結(jié)果與實驗結(jié)果比較接近，驗證了電機(jī)溫升CFD模型合理性。影響，通過電機(jī)溫升實驗，驗證了電磁-熱雙向耦合仿真方法的合等效熱網(wǎng)絡(luò)法建模過程相對較復(fù)雜，電磁-熱雙向耦合仿真方法求另外，在高速工況下，輪轂電機(jī)需要加裝散熱翅片或采用水冷散熱方式才能滿足使用要求。水道類型及其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對進(jìn)出口在鐵芯和繞組間填充了高導(dǎo)熱材料，并且采用繞組和鐵芯直接冷卻結(jié)構(gòu)，顯著提高了電機(jī)的冷卻性能。自通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)能夠改進(jìn)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)能有效提高電機(jī)散熱能力，但會使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜或增加電機(jī)成本。針對輪轂電機(jī)散熱問題，本文采用CFD仿真方法，冷卻方式上采用機(jī)殼水冷，通過Fluent軟件對某特種車輛用15kW永磁同步輪轂電機(jī)溫度場進(jìn)行分析，通過研究水道結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)溫度和水道壓降的影響，進(jìn)一步對冷卻水道截面尺寸參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，旨在保證輪轂電機(jī)溫升合理，有效降低水道壓降，提1輪轂電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計本文以某特種車輛用15kW永磁同步輪轂電機(jī)為研究對象，電機(jī)采用8極式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外部配備減速機(jī)構(gòu)，電機(jī)主要參數(shù)見表1。為了使冷卻系統(tǒng)能滿足電機(jī)不同工況下的需求，以電機(jī)在最大爬坡度工況下的損耗為冷卻系統(tǒng)散熱需求。本文采用蛇形冷卻水道，設(shè)計的冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中水道數(shù)目28條，水道寬度a為17mm，2輪轂電機(jī)溫度場分析2.1電機(jī)熱源與邊界條件確定電機(jī)在運行過程中會產(chǎn)生各種損耗，這些損耗會導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生溫升。電機(jī)損耗主要包括定轉(zhuǎn)子鐵損、永磁體渦流損耗和繞組銅耗。電機(jī)鐵芯鐵損計算公式為：本文所研究的電機(jī)采用的鐵芯材料為DW315_50，其損耗系數(shù)參永磁鐵渦流損耗計算公式為：式中，σ為永磁鐵電導(dǎo)率，單位為S/m，Jn為永磁鐵渦流密度，2。單位為A/m2。在損耗計算時，定轉(zhuǎn)子鐵損及渦流損耗可通過有限元方法求解，為每相繞組電阻值，單位為?。通過計算單位體積損耗得到輪轂電機(jī)各部件產(chǎn)熱率見表3所示。對輪轂電機(jī)進(jìn)行溫度場仿真，需要確定各邊界面上的對流換熱系數(shù)。繞組端部和定轉(zhuǎn)子端面的對流換熱系數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)[19]中的式中，Rr為轉(zhuǎn)子外徑，單位為m；Rer為轉(zhuǎn)子端面氣隙雷諾數(shù)；導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)。式中，hsh為定子兩端面處的對流換熱系數(shù)，單位為W/(m2·K)；vr為轉(zhuǎn)子表面圓周速度，單位為m/s。繞組端部努塞爾特常數(shù)；de為繞組端部等效直徑，單位為m。2.2輪轂電機(jī)溫升試驗驗證為驗證輪轂電機(jī)溫升CFD模型的合理性，需要對輪轂電機(jī)進(jìn)行溫升試驗，對額定功率、額定轉(zhuǎn)速下輪轂電機(jī)溫升進(jìn)行試驗，試驗臺輪轂電機(jī)溫升最高處為繞組，因此在繞組端部設(shè)置溫度傳感器，從圖4可知，在額定功率及額定轉(zhuǎn)速下，輪轂電機(jī)溫度在40分鐘達(dá)到熱平衡狀態(tài)，通過試驗和仿真得到的最高溫度分別為68.54℃和67.04℃,仿真值與實驗值誤差為1.50℃,在合理范圍內(nèi)，驗2.3輪轂電機(jī)溫度場仿真分析對輪轂電機(jī)溫度場進(jìn)行仿真，仿真條件為：冷卻液為純水，冷卻從圖5中可知，在水冷條件下，隨著電機(jī)運行時間的增加，電機(jī)電機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，繞組溫度達(dá)到114.46℃,絕緣層溫度達(dá)到114.05℃,定子鐵芯溫度達(dá)到89.92℃,轉(zhuǎn)子鐵芯溫度達(dá)到70.87℃,永磁鐵溫度達(dá)到70.64℃。電機(jī)采用F級絕緣，各部件最高溫度均滿圖6、圖7分別為輪轂電機(jī)兩個對稱面上的溫度分知：電機(jī)繞組部位溫度最高，這主要是繞組損耗最大，產(chǎn)熱功率最大，同時繞組包裹絕緣層，導(dǎo)致繞組處熱量容易積累，造成較大的溫升；電機(jī)定子鐵芯溫度較高；機(jī)殼溫度最低；轉(zhuǎn)子和永磁鐵圖8為電機(jī)在對稱面上徑向溫度監(jiān)測點示意圖。從圖9可知，電機(jī)在兩側(cè)溫度出現(xiàn)突增，這主要是因為空氣熱阻較大，故接近繞組一側(cè)氣隙溫度較高，接近轉(zhuǎn)子一側(cè)氣隙溫度較低。繞組區(qū)域（點13到點溫度變化較小，主要是因為定子鐵芯與機(jī)殼導(dǎo)熱系數(shù)較大。進(jìn)水口附近幾段水道，靠近出水口壓力逐漸降低。3輪轂電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化本文采用的蛇形冷卻水道，其結(jié)構(gòu)參數(shù)中變化范圍較大的主要包括水道數(shù)目、水道寬度，水道高度受到機(jī)殼尺寸限制變化范圍較小，通過調(diào)整這些尺寸參數(shù)，可以降低水道壓降，提高冷卻系統(tǒng)散熱效3.1冷卻水道數(shù)目確定為了確定冷卻水道數(shù)目選擇多少條比較合適，需要研究水道數(shù)目對電機(jī)溫度場和冷卻液流場的影響，在前文設(shè)計的蛇形水道基礎(chǔ)上，只改變水道數(shù)目，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)，材料屬性和邊界條件與之前保持圖11為不同水道數(shù)目時電機(jī)最高溫度與壓降變化趨勢，從圖中可知，隨著水道數(shù)目的增加，電機(jī)最高溫度不斷下降，水道壓降不斷增加。這主要是因為水道數(shù)目的增加會造成水道長度，水道彎折次數(shù)和水道與機(jī)殼接觸面積的增加，導(dǎo)致機(jī)殼散熱能力增強(qiáng)，沿程損水道數(shù)目從12條增加到32條，電機(jī)最高溫度從116.14℃下降到了114.461℃,水道壓降從5844Pa增加到了9821Pa。隨著水道數(shù)目增加到24條，電機(jī)最高溫度逐漸穩(wěn)定，繼續(xù)增加水道數(shù)目會增加水道壓降，因此結(jié)合冷卻水道數(shù)目對輪轂電機(jī)溫度和水道壓降的影響，確定冷卻水道數(shù)目為24條。3.2冷卻水道寬度初步確定在冷卻液流量一定的前提下，改變水道寬度會影響水道橫截面積，使水道流速發(fā)生改變，從而影響冷卻液在水道內(nèi)的流動。為了確定冷卻水道寬度，需要研究水道寬度對電機(jī)溫度場和流場的影響。根據(jù)前文的分析，水道數(shù)目為24條，只改變水道寬度，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)，材料屬性和邊界條件保持一致，水道截面寬度分別為13mm、17mm、21mm、25mm、29mm。表4給出了不同水道寬度時電機(jī)最高溫度，從表中數(shù)據(jù)分析可知，改變水道寬度對電機(jī)最高溫度有一定影響。圖12給出了不同水道寬度下水道平均流速和進(jìn)出口壓降變化趨勢。從圖中可知，隨著水道寬度的增加，水道內(nèi)平均流速不斷降低，這主要是水道橫截面積變化引起的。壓降變化同冷卻液流速變化趨勢類似，當(dāng)水道寬度從21mm增加到25mm時，水道壓降變化出現(xiàn)了波動，這主要是因為水道寬度的變化引起了水道圖13為水道截面寬度分別為21mm和27mm時水道速度流圖13不同水道寬度時速度流線圖從圖中可知，水道截面尺寸變化時，會影響冷卻液的流動狀態(tài)，但同樣不會影響水道內(nèi)速度分布趨勢。水道寬度為21mm、27mm時，兩者最大流速分別為1.1437m/s和1.4438m/s。一般來講增加水道寬度，水道截面面積增大，在入水口流量不變的情況下可以降低冷卻液在水道內(nèi)的流速，從而減小壓降，但水道寬度增加過大后，會引起冷卻液流動狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生較多渦流，如圖12b所示，大量渦流的存在將會使流體平均速度增大，水道壓降增加，因此在設(shè)計水道寬度時需要避免大量渦流的出現(xiàn)。結(jié)合水道寬度對電機(jī)溫度場和流場的影響分析，初步確定水道寬度取21mm。3.3冷卻水道結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化研究根據(jù)前文的分析，水道數(shù)目選取24條，水道寬度初步選擇21mm，高冷卻系統(tǒng)散熱效率，對水道截面寬度a和高度b尺寸進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計變量及水平數(shù)，采用全因子試驗設(shè)計表，冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的響果，在優(yōu)化軟件Modefrontier中建立kriging代理模型，并通過NSGA-Ⅱ遺傳算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，該多目標(biāo)優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型為：通過Kriging代理模型和NSGA-Ⅱ遺傳算法，對水道寬度和高度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到該多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解集從圖14中選擇一個最優(yōu)解，并與優(yōu)化前結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見115.46℃,仍能滿足使用需求，但水道壓降降低了16.03%。為研究對象，以最大爬坡度下電機(jī)損耗為散熱要求，對電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、同時對電機(jī)溫度場進(jìn)行分析，最后對冷卻水道截面尺寸進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，主要結(jié)論如下：要是繞組損耗最大，產(chǎn)熱功率最大，同時繞組包裹絕緣層，導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)致繞組處熱量容易積累，同時絕緣層和