增程器风冷电机散热方案仿真分析及测试验证_毛正松.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n增程器风冷电机散热方案仿真分析及测试验证毛正松,陆永卷,欧阳石坤,叶遥立(玉柴芯蓝新能源动力科技有限公司,广西 南宁 5 3 0 0 0 0)摘 要:风冷电机在小功率增程器市场有广泛的应用,特别是工程机械方面,但由于风冷方式的冷却能力相对较弱,需进行充分的散热验证。本文以一台额定功率2 5 kW增程器用风冷电机为研究对象,首先采用流-热-固耦合模拟方法对电机壳外流场及电机各部件的温度分布和温升进行稳态仿真分析、对绕组温升进行动态仿真分析,再通过台架温升测试验证了风冷电机散热结构设计的合理性。分析结果表明该电机风冷散热方案满足散热需求,电机温升约为7 5,环境温度4 5的线圈最高温度为1 2 0,满足电机绝缘耐热等级为F级的要求。电机的仿真温升和实测温升基本一致,验证该风冷散热设计方案设计的可行性和仿真方法的可靠性。关键词:风冷电机;散热;增程器 中图分类号:TM 3 3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 2 7-0 3S i m u l a t i o nA n a l y s i sa n dT e s tV e r i f i c a t i o no fa nA i rC o o l e dE-M o t o rH e a tD i s s i p a t i o nD e s i g nf o rR a n g eE x t e n d e rM a oZ h e n g-s o n g,L uY o n g-j u a n,O u-y a n gS h i-k u n,Y eY a o-l i(Y u c h a iS y n L a n dT e c h n o l o g yC o m p a n yL i m i t e d,G u a n g x iN a n n i n g5 3 0 0 0 0)A b s t r a c t:A i r c o o l e d e-m o t o r i sw i d e l y a p p l i e d i n l o w-p o w e r r a n g e e x t e n d e r,e s p e c i a l l y i n e n g i n e e rm a c h i n e r y.H o w-e v e r,h e a t d i s s i p a t i o nv e r i f i c a t i o n i s r e q u i r e dd u e t o t h ew e a ka i r c o o l i n g c a p a c i t y.I n t h i s p a p e r,a na i r c o o l e d e-m o t o r f o rr a n g e e x t e n d e rw i t ha r a t e dp o w e r o f 2 5k Wi s s t u d i e d.F i r s t,t h e s t e a d y-s t a t e s i m u l a t i o no f t h e f l o wf i e l do u t s i d e t h e e-m o t o r s h e l l,t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a n d t e m p e r a t u r e r i s e o f t h e t h e e-m o t o r p a r t s a r e p e r f o r m e du s i n g t h e f l u i d-t h e r-m a l-s o l i d c o u p l i n g s i m u l a t i o nm e t h o d.S e c o n d,t h ew i n d i n g t e m p e r a t u r e r i s e i s e v a l u a t e dv i ad y n a m i c s i m u l a t i o nm e t h o d.L a s t,t h ed e s i g nv e r i f i c a t i o no f c o o l i n gs t r u c t u r eo f t h ea i rc o o l e de-m o t o r i sc a r r i e do u t t h r o u g ht h eb e n c ht e m p e r a t u r er i s e t e s t.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t e-m o t o r d i s s i p a t i o np e r f o r m a n c em e e t s t h e r e q u i r e m e n t s.T h e t e m p e r a t u r e r i s e o f t h e e-m o t o rw a s 7 5.T h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo f t h e c o i lw a s 1 2 0 w i t ha na m b i e n t t e m p e r a t u r eo f 4 5.T h i sm e e t st h e r e q u i r e m e n t so f e-m o t o r h e a t-p r o o f c l a s s o f F.T h e s i m u l a t e d t e m p e r a t u r e r i s ew a s c o n s i s t e n tw i t hm e a s u r e d t e m p e r a-t u r e r i s e,w h i c hv a l i d a t e s t h eh e a t d i s s i p a t i o nd e s i g na n d t h e s i m u l a t i o nm e t h o d.K e yw o r d s:A i r-c o o l e de-m o t o r;H e a td i s s i p a t i o n;R a n g ee x t e n d e r作者简介:毛正松(1 9 8 3),性别:男,籍贯:贵州安顺,职称:副高级工程师,学历:硕士研究生,研究方向:新能源汽车电机、电控、变速箱、动力电池、动力系统等方向。风冷电机散热系统结构简单,无需增加复杂的水道结构,其造价低于水冷电机,且维护难度较小1,在工程机械领域具有重要的应用。但随着风冷电机功率密度的增大,电机的散热问题成为制约电机发挥性能的重要因素。胡勇峰1等研究了一款乘用车用风冷永磁驱动电机的散热情况,并通过仿真分析和试验对该冷却风冷电机进行分析,发现电机的迎风面和背风面存在较大温差,背风面和迎风面电机绕组温差达1 0;其仿真参数和测试结果参数相近,验证了仿真方法的可靠性。杨帆2等研究了自然冷却和强制风冷两种冷却方式对电机温度分布特征的影响,发现运用强制风冷的方式,提高了机壳表面散热效率,使得端部绕组的热量能够快速地传递到机壳上,从而有效地降低端部绕组的最高温升。赵飞3研究了一台1 8 k W风冷永磁同步电机的瞬态温度场,按汽车工况给出边界条件,得到电机达到热稳态的时间约为4小时,证明了风冷方案的可靠性。陈薇薇4研究了电动汽车用8 k W风冷永磁同步电机的温度场,其简化模型方法为:将定子绕组、绝缘层、定子铁芯叠片简化,并引入等效导热系数的概念,将电机运行时气隙内的空气进行准静止处理,解决了气隙内温度场和流体场相互耦合的问题,给出了不同工作条件下电机的动态温升曲线。D.F o d o r e a n等5分别采用有限元法和等效热路法计算了三种不同护套材料转子的温度场,实验证明有限元法计算结果更接近真实值。以上文献反映了风冷电机方案的可行性,同时3 D仿真的方法应用于电机温升具有很好的预测作用,为本文的仿真分析方法提供依据。本文以一台额定功率2 5 k W增程器用风冷电机为研究对象,分析其在额定功率时的散热情况,首先采用数值模拟方法对电机壳外流场及电机各部件的温度分布进行仿真分析,再通过台架温升测试验证了风冷电机散热结构设计的合理性,也为后续风冷电机的冷却结构设计提供参考。1 电机结构及性能参数本文研究的风冷电机如图1所示,电机的主要发热点为线圈的铜损和定子的铁损,随着线圈和定子温度的升高,热量被导到电机壳体及散热翅片上,通过风扇的吹扫作用,热量在冷却流道中被空气带走。由于电机散热量较72DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0302 0 2 3年第5期大,设计了两组对称的流道(图1中的上半部分和下半部分),各自配置一个风扇进行吹扫,每组流道有5个通道。图1 2 5 k W增程器用风冷电机电机的性能参数如表1所示。表1 电机性能参数表项目电机参数电压平台(V d c)8 0额定/峰值 功率(k W)2 5/4 0额定/峰值 转矩(Nm)1 0 8/1 7 3额定/峰值 转速(r p m)2 2 0 0/3 0 0 0最高效率(%)9 4电机绝缘耐热等级F级(最高温度1 5 5,最高温升1 0 0)2 仿真模型的搭建2.1 数学模型由于电机的热辐射相对于空气冷却要小得多,本文不考虑电机的辐射散热,只考虑机壳与流体之间的对流换热与零件之间的导热作用6。热传导遵循傅立叶定律:Q=-Sd Td n式中,Q为热流量(W),d T/d n为温度梯度(/m);S为导热面积(m2);为材料的导热系数(W/(m)。流体与机壳之间存在对流换热作用,即在壁面边界处热传导的能量等于流体与机壳的对流换热量,其流固耦合面上有热平衡方程1-i TS n=f s i(Ts-Tf)式中,n为壁面的法向方向,f s i为流固耦合面的对流换热系 数,Ts为 固 体 表 面 温 度(),Tf为 流 体 介 质 的 温度()。2.2 仿真模型建立2.2.1 模型处理由于电机具有对称性,只需对其半边做散热分析即可,原机壳存在的一些安装孔、加强筋等结构不会对电机内部温度场造成影响,均需进行简化处理;定子铁芯的简化操作较为简单,只需要删除键槽和焊口等特征,圆整外圆表面即可;将线圈进行一体化简化处理;还建立了电机流道中的空气域,不考虑转子的散热影响2.2.2 网格划分流体域带有边界层的四面体网格,固体域全局网格尺寸4 mm,流体域网格尺寸2.5 mm,线圈与定子接触面网格尺寸2 mm。2.2.3 仿真模型参数设置2.2.3.1 仿真模型设置a、湍流模型:r e a l i z a b l ek-模型;b、定子与壳体接触面等效于0.1 mm厚度绝缘漆;c、定子与线圈绝缘漆厚度设定为0.3 5 mm;d、热源只考虑线圈和定子的发热量;e、数值精度:二阶精度;收敛精度:0.0 0 0 1。2.2.3.2 仿真模型边界条件空气入口温度按增程器工作时的环境的最高温度给出,设定为4 5。仿真的边界条件如表2所示。表2 边界条件参数值风扇入口空气温度()4 5风扇入口空气流量C FM)4 9线圈额定发热功率(k W)0.4 2定子额定发热功率(k W)0.5 72.2.3.3 材料物性参数仿真模型的物性参数如表3。表3 材料物性参数参数名称值定子铁心导热系数(W/(mK)轴向4.4 3,径向3 9绕组导热系数(W/(mK)轴向3 8 7,径向1.5 6绝缘纸导热系数(W/(mK)0.2 1灌封胶导热系数(W/(mK)23 仿真结果分析3.1 外流场仿真结果如图2,流体域入口的压力约为5 6 0 P a,在入口区域流通面积突然变小