吳先坤， 黃 靖， 程 義， 高 海

(安徽安凱汽車股份有限公司 新能源汽車研究所， 合肥 230051)

驅動電機是電動汽車的核心部件之一。目前純電動汽車大多采用永磁同步電機，其具有功率密度大、效率高、體積重量小、便于控制等諸多優(yōu)點，但也會在單位時間和單位體積內產生較大熱量，容易帶來嚴重的溫升問題。因此，在車用永磁同步電機的設計過程中，如何使電機在工作期間的溫升始終保持在合理的范圍內，是電動汽車研制過程中需要重點考慮的問題之一[1-2]。

1 幾何模型簡化及修正

電機的原始結構如圖1(a)所示，包含了機殼、定子和轉子鐵芯、繞組、端蓋、轉軸、水接頭、吊環(huán)等。由于流場及溫度場的計算相較于靜力學分析還需消耗更多的計算機資源，所以需對電機模型進行簡化處理。本文使用UG8.0三維建模軟件進行模型的簡化及修正工作。在保留結構的主要發(fā)熱源和傳熱路徑，不改變結構熱容以及散熱方式的前提下，保留機殼、定子鐵芯和繞組等主要部件以及內部流道等特征，忽略倒角、凸臺、螺紋孔等不影響傳熱的幾何特征以及額外零部件(螺釘、吊環(huán)、轉接板、水接頭等)[3]。另外，為了方便賦值與計算，還將定子繞組的銅導線部分簡化成一個整體，繞組和鐵芯之間則填充絕緣材料。簡化后的結構模型如圖1(b)所示。

(a)簡化前

(b)簡化后

圖1 電機結構模型簡化前后對比圖

圖1(b)中簡化后的繞組兩端是封閉的，與實際狀態(tài)差異較大。為了提高最終結果的準確性，需要將簡化后的模型圖1(b)中的繞組部分進行結構修正，即將繞組封閉的兩端部修正為沿繞組溝槽打開的開放狀態(tài)，如圖2所示[4]。在UG中將圖1(b)中的繞組模型更換為圖2(b)所示的修正后的繞組模型。

(a)修正前 (b)修正后

圖2 繞組結構修正前后對比圖

模型中原始電機的水道結構為軸向串聯(lián)型，截面積較大，如圖3(a)所示。圖3(b)和圖3(c)為其他兩種常見的水道結構，分別為軸向并聯(lián)型和螺旋型。本文將對比這3種結構的冷卻性能。

(a)軸向串聯(lián)型

(b)軸向并聯(lián)型

(c)螺旋型

圖3 不同水道結構示意圖

2 仿真計算及分析

2.1 仿真模型建立

采用ICEPAK軟件進行仿真分析，它能夠對模型的傳熱、流動進行模擬，縮短研發(fā)周期。ICEPAK采用FLUENT計算流體力學求解器，可以靈活完成網格劃分，其多點離散求解算法也能夠縮短計算時間。

將修正繞組后的電機簡化模型整體導入到ICEPAK中，進行“Check model”和“Summary”處理，目的是檢查模型的正確性，避免在計算時發(fā)生因模型問題導致的錯誤。確認無誤后采用Mesher-HD方式進行網格劃分。網格劃分時若一次性自動劃分，網格單元太大，數量較少，結果不準確；若直接使用細分網格，會使得網格數太多，導致計算時間大大加長，也可能導致計算機系統(tǒng)因配置不夠而崩潰，所以在此分兩步來完成[5-6]：首先進行“Generate Mesh”粗分網格，然后通過“Per-object meshing parameters”對水道進行局部細化設置，使流固之間發(fā)生充分的熱交換[7-8]。最終形成1 429 470個節(jié)點、400 513個網格單元的有限元模型，如圖4所示。

網格劃分完成后需在“Basic parameters”中設置流動方程為湍流模型并激活。最后在確定了冷卻介質、入口水溫、水流量、定子鐵芯和繞組的損耗值等邊界條件后，再進行仿真計算。

圖4 模型的網格劃分結果

2.2 邊界條件的確定

1)材料屬性設置。本仿真計算中，需在ICEPAK中設置材料屬性的部件包括電機外殼、定子鐵芯、定子繞組、絕緣材料和冷卻介質，各部件材料參數見表1。

表1 電機各部件材料參數

2)損耗計算。根據電機試驗報告可知，額定工況下電機的整體熱耗值為3.15 kW[9-10]。參考相關文獻可知，永磁同步電機在工作過程中的電磁損耗可分為鐵芯損耗、繞組損耗和機械損耗等，其中機械損耗較小，可忽略。根據文獻，最終按照7∶3的比例對繞組損耗和鐵芯損耗進行熱耗分配[11]，即繞組損耗2.23 kW、鐵芯損耗0.92 kW。

3)其他邊界條件。將冷卻介質(水)的流量設置為15 L/min，入口溫度和環(huán)境溫度均設為25 ℃，流體的流動狀態(tài)設置為湍流[12]。

2.3 仿真結果及分析

通過仿真，可獲得圖3所示的3種不同水道結構對應的電機溫度場和流場云圖，如圖5和圖6所示。

(a)軸向串聯(lián)型水道

(b)軸向并聯(lián)型水道

(c)螺旋型水道

圖5 電機溫度場圖

(a)軸向串聯(lián)型水道

(b)軸向并聯(lián)型水道

(c)螺旋型水道

圖6 電機流場圖

從圖中可看出，在額定功況下電機溫度最高的為原始軸向串聯(lián)型水道，其值為72.31 ℃，最低為螺旋型水道，其值為68.8 ℃；螺旋型水道的流阻僅為原始串聯(lián)型水道的2/5。較低的水道流阻，可以降低對供液泵的供液壓力要求，還可減小泵的功率消耗和工作噪聲，同時降低高壓工作時的泄漏風險，提高系統(tǒng)的可靠性。

3 結束語

本文對不同冷卻水道結構的電機散熱效果及流阻進行了仿真分析，由仿真結果可以看出，采用螺旋型水道結構不僅能有效降低溫升，且流阻也可大幅降低，其性能明顯優(yōu)于現有的軸向串聯(lián)型水道結構。