永磁同步電機機殼串并聯混合流道液冷分析

劉顯茜,李文輝,曾 樸,曹軍磊

(昆明理工大學 機電工程學院, 昆明 650500)

0 引言

永磁同步電機作為電動汽車的動力核心,其小型化和高功率密度引發內部工作溫度過高,導致永磁體磁通密度降低甚至出現永久性退磁、繞組絕緣層損壞,影響電機運行性能、效率和壽命[1-5]。因此,合理選擇散熱方式和散熱結構,使電機溫升控制在安全范圍,具有重要的意義。

機殼水冷是車用永磁同步電機應用較廣的冷卻方式。王小飛等[6]設計了螺旋型、徑向Z型、軸向Z型等3種不同串聯流道,有效改善了電機散熱,但流道冷卻水壓降較大;Ye等[7]在螺旋型流道基礎上提出了一種半螺旋串聯流道結構,與螺旋型流道相比,雖然半螺旋流道冷卻性能得以提高,但流道流動阻力增大會導致冷卻水壓降增大;龔京風等[8]提出了一種錯位布置雙螺旋流道液冷散熱結構,仿真結果表明,雙流道水冷結構比單流道水冷結構電機溫度分布更均勻,但雙螺旋水套總壓降增大;為了降低冷卻水壓力損失,沈超等[9]提出了一種周向多螺旋并聯流道,發現與軸向Z型串聯流道對比,周向多螺旋并聯流道壓阻更小,但冷卻效果較差;郝嘉欣[10]對比了軸向串聯結構、平行串聯結構、螺旋串聯結構、冷卻水進出口同側并聯結構以及冷卻水進出口異側并聯結構散熱,結果表明:并聯流道冷卻水壓降遠小于串聯流道,但并聯流道冷卻效果比串聯流道差。

為了減小流道冷卻水壓力損失,同時維持串聯流道優良冷卻散熱性能,本文中提出機殼串并聯混合流道結構,對額定功率42 kW的某型號車用永磁同步電機冷卻散熱進行了計算,以電機最高溫度與流道冷卻水進出口壓降2個指標,對機殼串并聯混合流道與串聯流道結構電機冷卻散熱進行了對比,分析了流道數量、槽深、冷卻水流量等對機殼串并聯混合流道結構冷卻電機散熱影響,以期為永磁同步電機機殼流道散熱結構設計優化提供參考。

1 機殼串并聯混合流道

永磁同步電機主要由機殼、定子、繞組、轉子、永磁體及轉軸等組成。電機工作過程中,定子鐵心、繞組、轉子及永磁體等生熱部件產生大量的熱并以熱傳導方式傳遞給機殼,機殼與機殼串并聯混合流道內冷卻水和外部環境空氣對流換熱冷卻散熱,遏制電機溫升。機殼串并聯混合流道如圖1所示,由入口2個并聯環形流道與若干個由3個環形流道組成的子單元串聯而成。其中,每個子單元由1個環形流道與2個并聯的環形流道串聯組成。

圖1 機殼串并聯混合流道

2 數學模型

為簡化計算,對永磁同步電機作如下假設[11-12]:

1) 忽略溫度變化對電機組成部件物性參數影響。

2) 定子槽內浸漬漆填充均勻,且銅線絕緣漆分布均勻。

3) 繞組端部平直化處理。

4) 流道內冷卻水視為不可壓縮流體。

2.1 電機熱傳導控制方程

電機穩態熱傳導控制方程為[13]:

(1)

式(1)中:λr、λθ、λz分別為電機沿徑向、周向及軸向導熱系數;T為溫度;q為熱源。

(2)

式(2)中:Ploss為電機相應部件損耗;V為相應部件體積。

2.2 電機損耗

永磁同步電機損耗包括繞組銅損、鐵芯損耗、永磁體渦流損耗、機械損耗和雜散損耗[14]。為簡化計算,忽略生熱占比小的機械損耗和雜散損耗。

2.2.1繞組銅損

不考慮趨膚效應,永磁同步電機繞組銅損為:

PCu=mI2R

(3)

式(3)中:PCu為電機繞組銅損;m為永磁同步電機相數;I為繞組相電流有效值;R為每相繞組電阻有效值。

2.2.2鐵芯損耗

鐵芯損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗,有:

(4)

式(4)中:Ph、Pe、Pa分別為磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗;kh為磁滯損耗系數;ke為渦流損耗系數;ka為異常損耗系數;f為電機供電頻率;Bm為電磁密度峰值;i=1.6～2.2。

2.2.3永磁體渦流損耗

永磁體渦流損耗為:

(5)

式(5)中:J為電流密度;σ為電導率;V為空間積分區域。

2.3 冷卻水控制方程

電機機殼流道內冷卻水流動傳輸遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒。穩定狀態下,冷卻水可由以下方程控制[15]:

質量守恒方程

(6)

動量守恒方程

(7)

(8)

(9)

能量守恒方程

(10)

式(6)—式(10)中:ρ為冷卻水密度;Tf為冷卻水溫度;vr、vθ、vz分別為冷卻水在徑向、周向和軸向速度分量;λf為冷卻水導熱系數;μ為冷卻水動力粘度;p為壓力。

2.4 邊界條件

1) 考慮純電動汽車冷卻系統散熱水箱容積有限,隨冷卻水的循環流動,冷卻水的溫度會逐漸升高,且電動汽車內通常沒有針對水箱設計的冷卻系統,因此水箱內冷卻水的溫度也會逐漸升高。為使仿真結果更貼近于實際,參考Luo、唐琳、安治國等相關研究[16-18],電機機殼流道進口冷卻水溫度取60 ℃;出口為標準壓力。

2) 電機機殼流道內冷卻水與流道壁面間無滑移。

3) 冷卻水與機殼流道壁面間對流換熱[19]:

(11)

式(11)中:λ為電機機殼導熱系數;T為機殼流道壁面溫度;α為冷卻水與機殼流道壁面間對流換熱系數。

4) 電機與空氣間對流散熱:

(12)

式(12)中:Tair為空氣溫度;hi為電機不同部件壁面與空氣間對流散熱系數,當i=1時,hi為機殼與空氣間散熱對流散熱系數,當i=2時,hi為定子端部與空氣間對流散熱系數,當i=3時,hi為轉子端部與空氣間對流散熱系數[20-22]。對流換熱系數hi可由式(13)計算得到。

(13)

式(13)中:ω為機殼外部空氣流速;v為轉子外徑線速度。

電機各部件熱物性參數及生熱部件生熱速率如表1所示。

表1 電機各部件熱物性及生熱部件生熱速率

2.5 網格劃分及無關性驗證

采用多面體網格對電機計算區域進行離散,為提高計算精度,對絕緣介質、繞組、冷卻水與流道對流傳熱區域進行加密,網格劃分結果如圖2所示。數值分析過程中,網格數量和網格質量對后續仿真時間和結果影響較大,所以需要對網格進行獨立性驗證,本文中選取電機中繞組的最高溫度隨網格數量變化的方法對網格獨立性進行驗證。分別以640萬、740萬、850萬、960萬、1 040萬、1 150萬及1 350萬等7種不同網格數量劃分的模型進行數值仿真,計算結果如圖3所示。從圖3中可以看到,當網格單元數達到960萬時,隨著網格數量進一步增大,電機繞組最高溫度指標值變化較小。因此,從節約計算時間成本的角度出發,采用網格單元數為960萬的網格模型進行下一步計算工作。

圖2 電機離散網格

圖3 網格無關性驗證

3 結果分析

為了對機殼串并聯混合流道水冷永磁同步電機散熱進行計算,采用有限體積法對機殼串并聯混合流道水冷電機散熱控制方程(式(1)及式(6)-式(10))及邊界條件控制方程(式(11)與式(12))進行離散,通過對動量方程方程(式 (7)—式(9))中壓力梯度項隱式離散和流體面質量通量隱式離散實現冷卻水壓力-速度完全耦合。采用Coupled算法[23]對機殼串并聯混合流道水冷電機散熱控制方程進行計算。質量方程和動量方程計算殘差小于10-3,能量方程計算殘差小于10-6。

3.1 模型驗證

為了驗證所建立冷卻散熱模型(式(1)及式(6)—式(10))可靠性,對芯片微通道冷卻散熱進行了計算并與Ansarid和Kim[24]計算結果進行了比較,計算結果如圖4所示。從圖4中可以看出,本文中計算芯片熱點溫度53.3 ℃, Ansarid和Kim計算熱點溫度54.9 ℃,兩者相差2.9%,說明本文中所建冷卻散熱模型穩定可靠,可以用來對包括機殼串并聯混合流道水冷同步電機在內的冷卻散熱進行計算。

圖4 數值計算模型驗證

3.2 流道結構對電機冷卻影響

為進一步對比機殼串并聯混合流道和串聯流道結構對電機冷卻散熱影響,對2種不同流道結構電機在額定運行工況條件下冷卻散熱進行了計算。其中,為了規避不同流道與機殼對流換熱面積的不同可能對冷卻效果的影響,在流道結構三維模型構建的過程中,保持2種流道結構與機殼換熱面積近似等于2 940 mm2,計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 電機溫度云圖對比

圖6 流道冷卻水壓降對比

圖5為2種不同冷卻流道結構冷卻散熱電機溫度分布云圖。從圖5中可以看出,2種流道結構冷卻散熱電機溫度分布相近,機殼串并聯混合冷卻流道結構冷卻電機最高溫度為87.9 ℃,串聯流道結構冷卻電機最高溫度為87.3 ℃,機殼串并聯混合流道結構冷卻電機最高溫度相比串聯流道結構升高了0.6 ℃,增大0.68%。圖6為2種不同流道結構冷卻水壓降對比。從圖6中可知,2種不同流道結構冷卻水壓力分布差別明顯,機殼串并聯混合流道結構冷卻水壓力分布均勻,冷卻水進出口壓降較小,而串聯流道結構冷卻水進出口壓降很大。串聯流道結構冷卻水進出口壓降39 631 Pa,機殼串并聯混合流道結構冷卻水進出口壓降12 938 Pa,機殼串并聯混合流道結構冷卻水進出口壓降相比串聯流道減小了26 693 Pa,降低67%。

因此,機殼串并聯混合流道可以在基本不提高串聯流道冷卻電機最高溫度的情況下,大幅降低流道冷卻水進出口壓降。

3.3 環形流道數量對電機冷卻影響

為了進一步分析串并聯混合流道環形流道數量對電機冷卻散熱影響,對機殼串并聯混合流道槽深8 mm,流道對流換熱總面積2 943 mm2,流量10 L/min冷卻水,計算分析了機殼串并聯混合流道環形流道數量分別為N=5、8、11電機冷卻散熱,計算結果如圖7所示。

圖7 電機最高溫度及冷卻水壓降隨環形流道 數量變化曲線

從圖7可以看出,電機最高溫度隨著環形流道數量增加而減小,而冷卻水進出口壓降卻隨著環形流道數目增加而增大。隨著環形流道數量從5增大到11,電機最高溫度從88.8 ℃降低到87.3 ℃,溫度降低了1.5 ℃;冷卻水進出口壓降從10 178 Pa增大到18 389 Pa。電機最高溫度減小的原因可由管內湍流強迫對流傳熱理論解釋,管內冷卻水對流傳熱系數為[25]:

(14)

式(14)中:f(T)為與冷卻水平均溫度相關的函數?？梢钥闯?當流道軸向長度固定,隨著環形流道數量增加,流道當量直徑d減小,冷卻水平均流速v增大。因此,冷卻水對流換熱系數增大,流道的冷卻能力增強,電機最高溫度逐漸減小。

冷卻水總壓力損失可表示為:

(15)

式(15)中:λ為沿程阻力系數;l為流道長度;ζ為局部阻力系數。隨環形流道數量的增加,流道長度變長,流道當量直徑減小,注入冷卻水流量一定,冷卻水流速v增大,流道折彎增多,冷卻水壓力沿程和局部損失均增大,從而導致了進出口壓降也隨之增大。綜合環形流道數量對電機最高溫度及冷卻水壓降影響,環形流道數量為8時,機殼串并聯混合流道綜合冷卻性能較優。

3.4 流道槽深對電機冷卻影響

為了進一步分析機殼串并聯混合流道槽深對電機冷卻散熱影響,對冷卻水進口流量10 L/min,環形流道數量8,串并聯混合流道槽深分別為4、5、6、7、8 mm時,電機冷卻散熱進行了計算,結果如圖8所示。

圖8 電機最高溫度及冷卻水壓降隨流道 槽深變化曲線

圖8為電機最高溫度及冷卻水進出口壓降隨機殼串并聯混合流道槽深變化曲線。從圖8中不難看出,電機最高溫度隨流道槽深增加緩慢升高,而冷卻水進出口壓降卻隨著流道槽深增加顯著降低。流道槽深4 mm時,電機最高溫度87.5 ℃,冷卻水進出口壓降30 840 Pa;流道槽深8 mm時,電機最高溫度87.9 ℃,冷卻水進出口壓降12 938 Pa。由于冷卻水流量不變,隨著流道槽深增加,當量直徑增大,冷卻水平均流速減小,由式(14)可知,流道對流換熱系數減小,流道的冷卻能力減弱。同時,隨著流道槽深增加,流道截面積變大,冷卻水平均流速減小致使壓力損失減小,從而減小了冷卻水進出口壓降,降低了水泵功耗。相比于流道槽深4 mm,流道槽深8 mm,電機溫度僅升高了0.4 ℃,增大0.5%,但冷卻水進出口壓降減小了17 902 Pa,降低58%?？梢钥闯?增大流道槽深對電機最高溫度影響較小,卻可顯著降低冷卻水壓力損失,綜合流道槽深對電機最高溫度及冷卻水壓降影響,流道槽深8 mm,混合流道綜合冷卻性能較優。

3.5 冷卻水流量對電機冷卻影響

為了進一步分析冷卻水流量對電機冷卻散熱影響,分別對冷卻水流量0.5～22 L/min、環形流道數量8、流道槽深8 mm的機殼串并聯混合流道電機冷卻散熱進行了計算,計算結果如圖9、圖10及圖11所示。

圖9 電機最高溫度隨冷卻水流量變化曲線

圖9為電機最高溫度隨冷卻水流量變化曲線。從圖9可以看出,電機最高溫度隨冷卻水流量增大而減小。冷卻水流量從0.5 L/min增至10 L/min,電機最高溫度從95.8 ℃降到87.9 ℃,電機最高溫度下降了7.9 ℃;而冷卻水流量從10 L/min增至22 L/min,電機最高溫度從87.9 ℃降到86.9 ℃,電機最高溫度下降1 ℃。

圖10為電機關鍵部件繞組和永磁體在3種不同冷卻水流量0.5 L/min、10 L/min與22 L/min冷卻的溫度分布云圖。從圖10中可以看出,在冷卻水流量從0.5 L/min 增至10 L/min,繞組最高溫度從95.8 ℃下降到87.9 ℃,永磁體最高溫度從78.1 ℃下降到了70.8 ℃;而在冷卻水流量從10 L/min增至22 L/min,繞組最高溫度從87.9 ℃降到86.9 ℃,永磁體最高溫度從70.8 ℃降到69.9 ℃。綜合圖9和圖10來看,隨冷卻水流量的增大,電機最高溫度降低,電機關鍵部件溫度分布也更加均勻。在冷卻水流量小于10 L/min,隨著冷卻水流量增大,電機及其各關鍵部件最高溫度快速降低,但在冷卻水流量大于10 L/min,電機及其各關鍵部件溫降隨著冷卻水流量增大變緩。

圖10 不同流量下電機關鍵部件溫度云圖

從圖11可以看出,冷卻水進出口壓降隨冷卻水流量的增加而增大。在冷卻水流量0.5～10 L/min,冷卻水進出口壓降從63.4 Pa增大到了12 938 Pa;在冷卻水流量10～22 L/min,冷卻水進出口壓降急劇增大,從12 938 Pa增大到了67 190 Pa。由式(15)可知,冷卻水在流道內流動時,冷卻水壓力損失與冷卻水平均流速v的2次方成正比,冷卻水流量增大,冷卻水流速增大,冷卻水壓力損失快速增大,冷卻系統功耗也隨之陡增。綜合電機最高溫度和機殼串并聯混合流道冷卻水進出口壓降隨冷卻水流量變化,冷卻水進口流量取10 L/min為宜。

圖11 冷卻水壓降隨冷卻水流量變化曲線

4 結論

1) 電機以額定工況運行時,在相同對流換熱面積及冷卻液流量條件下,機殼串并聯混合流道結構冷卻水進出口壓降相比串聯流道結構減小26 693 Pa,降低67%,而機殼串并聯混合流道結構冷卻電機最高溫度升高0.6 ℃,增大0.68%。機殼串并聯混合流道基本保持串聯流道電機高效冷卻散熱的同時,冷卻水進出口壓降得到大幅度降低。

2) 機殼串并聯混合流道環形流道數量增多或者冷卻水流量增大均可以強化電機冷卻散熱,但冷卻水壓力損失有所增大;增大流道槽深可顯著降低冷卻水壓力損失,但對電機最高溫度影響較小;混合流道環形流道的數量8、流道槽深8 mm,流量10 L/min時,機殼串并聯混合流道冷卻電機性價比最優。