李 想，郭志平

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

0 引 言

永磁同步電機(jī)以其高效率、高響應(yīng)速度、低振動(dòng)噪聲和高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域[1-2]。與傳統(tǒng)的工業(yè)電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)用于電動(dòng)汽車的永磁同步電動(dòng)機(jī)正面臨著工作條件的頻繁變化、有限的安裝空間和惡劣的工作環(huán)境[3]。而這些因素都將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)溫度顯著升高，從而使永磁體(PM)消磁并降低電動(dòng)機(jī)效率[4]。因此，有必要為永磁同步電動(dòng)機(jī)提供有效的冷卻系統(tǒng)，以減少溫升，確保運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。

通常電動(dòng)機(jī)的冷卻方法可分為兩類：空氣冷卻和液體冷卻。Jang等[5]研究了鰭片對開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的散熱性能的影響，結(jié)果表明在自然對流條件下使用鰭片時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子的冷卻性能分別提高了26.1%和16.4%。Li等[6]對帶有離心葉輪的PM電動(dòng)機(jī)的空氣冷卻進(jìn)行了熱分析，結(jié)果表明電樞表面存在較高的速度梯度。Kral等[7]使用CFD分析了全封閉水冷式感應(yīng)電機(jī)，在模擬時(shí)間和精度之間顯示出良好的折衷。此外，由于與熱源直接接觸，使用油作為冷卻介質(zhì)比水可以實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果。另外，大功率電動(dòng)機(jī)通常采用油浴[8]和噴油[9]。但是對于空氣冷卻法而言，只能滿足低功率電機(jī)的冷卻需求，而液體冷卻法往往存在成本高、布置困難等問題。

近年來，在電子部件中已使用了導(dǎo)熱率低，價(jià)格低廉的有機(jī)硅凝膠灌封技術(shù)[10]。它可以在室溫下以液態(tài)封裝，這意味著考慮到端部繞組的不規(guī)則形狀，它可以與端部繞組保持良好的接觸。鑒于此，本文將灌封的有機(jī)硅凝膠封裝在PMSM的端部繞組與外殼之間的間隙中，以此作為增強(qiáng)的熱管理策略。系統(tǒng)研究了添加灌封材料的PMSM(P-M)和原始PMSM(O-M)的溫升性能。建立了PMSM的3維模型，并進(jìn)行了CFD分析，以獲得整個(gè)電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)溫度分布和溫升性能。在不同的工作條件下，冷卻性能的顯著提高證明了P-M在復(fù)雜的不斷變化的工作條件下具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 灌封硅凝膠PMSM模型構(gòu)建

1.1 PMSM配置

選擇液體冷卻PMSM來研究灌封硅凝膠在不同工作條件下的適應(yīng)性。系統(tǒng)地測試了O-M和P-M在不同工作條件下的溫升性能。如圖1所示為簡化的液冷P-M的剖視圖，該結(jié)構(gòu)主要由帶有軸向水道的主圓柱狀鋁合金外殼、定子、轉(zhuǎn)子、灌封的有機(jī)硅凝膠以及多個(gè)繞組等組成。在端部繞組和殼體之間的間隙中加入導(dǎo)熱率為2 W/(m·K)的灌封硅樹脂明膠。表1和表2分別給出了PMSM和灌封硅凝膠化的詳細(xì)信息。

圖1 簡化的液冷P-M模型的剖視圖

表1 原型電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)

表2 灌封硅凝膠的材料性能

1.2 測試環(huán)境

如圖2所示，對PMSM的溫升性能進(jìn)行了測試。圖2中將電動(dòng)機(jī)放在工作臺上，通過使用控制器將直流電源柜中的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電源，從而為電動(dòng)機(jī)提供了交流電。其中，控制臺用于調(diào)節(jié)扭矩和速度，恒溫水箱提供冷水循環(huán)回路以冷卻電動(dòng)機(jī)，同時(shí)采用流量計(jì)監(jiān)測水流。如圖1所示，將三個(gè)PT-1000型鉑電阻溫度計(jì)嵌入端部繞組中以記錄繞組溫度，局部溫度計(jì)沿圓周方向以120°的間隔分布，如圖1中紅色虛線所示。當(dāng)溫度計(jì)的溫度波動(dòng)在15分鐘內(nèi)小于1℃或在絕緣材料燒毀的情況下溫度達(dá)到135℃時(shí)，測試停止。以1 s的間隔進(jìn)行溫度測量，但為了體現(xiàn)溫度變化趨勢，以不同的時(shí)間間隔繪制溫度上升曲線。即為了比較額定功率，在前10分鐘以1分鐘為間隔繪制溫度，因?yàn)樵诖似陂g溫度急劇上升，然后在10-20分鐘以2分鐘為間隔，其余每5分鐘繪制一次測試時(shí)間。對于峰值負(fù)載條件，考慮到測試時(shí)間短，以10 s的間隔繪制溫度。在不同的工作條件下測試了O-M的溫升性能后，將灌封材料封裝在端部繞組和外殼之間的間隙中，以形成P-M。隨后在相同的工作條件下測試P-M的相應(yīng)性能，以確保測試的一致性。表3列出了詳細(xì)的工作條件，包括典型的轉(zhuǎn)速、扭矩、水溫和水流量。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖

表3 測試條件的詳細(xì)信息

1.3 建模與仿真

在模型構(gòu)建中，首先使用Solidworks建立被測電機(jī)的三維模型，其次通過磁分析計(jì)算出銅損和鐵損的必要熱源，然后使用Fluent進(jìn)行CFD分析以獲得電機(jī)在不同工作條件下的溫度分布和溫升性能。PMSM的傳熱過程在理論上受節(jié)能法則的約束：

(1)

式中，ρ為材料密度，Cp為恒壓下的比熱容，k為導(dǎo)熱系數(shù)，q為光源中的生熱速率，T為溫度。直角坐標(biāo)系中的熱傳導(dǎo)的非平穩(wěn)偏微分方程：

(2)

式中，kx、ky和kz分別為沿x、y和z方向的熱導(dǎo)率。在分析中，考慮到PMSM中的熱量產(chǎn)生非常復(fù)雜，模型的尺寸與實(shí)際電動(dòng)機(jī)相同，因此調(diào)用了一些簡化模型的簡化方法：

(1)繞組和定子等效于均勻的加熱元件。

(2)僅模擬PMSM出口附近的四分之一。

(3)采用等效導(dǎo)熱系數(shù)來簡化轉(zhuǎn)子附近的氣流。

(4)PMSM內(nèi)部的散熱被忽略。

通過使用有限元方法，PMSM的模型被劃分為多個(gè)子元素，其中O-M模型具有895676個(gè)節(jié)點(diǎn)和2891093個(gè)元素，P-M模型具有1474239個(gè)節(jié)點(diǎn)和4340007個(gè)元素。溫度場的有限方程：

(3)

式中，C、K和L分別代表熱容量矩陣、熱傳導(dǎo)矩陣和溫度負(fù)載矩陣。矩陣的元素為

(4)

PMSM熱模型的初始傳導(dǎo)定義為

T(x,y,x,0)=T0

(5)

式中，T0為PMSM溫度的初始值，模擬的邊界條件規(guī)定如下：

(1)將水溫和流量設(shè)定為實(shí)際情況，詳細(xì)信息如表3所示。(2)電機(jī)的初始溫度為45℃。(3)定子與殼體之間的氣隙為0.037 mm，熱導(dǎo)率為0.026 W/(m·K)。(4)槽絕緣的厚度設(shè)定為0.31 mm，熱導(dǎo)率為0.18W/(m·K)。

實(shí)驗(yàn)中使用基于壓力的求解器模擬了PMSM的溫升性能，并使用CFD-POST軟件可視化了所有溫度和速度場。

1.4 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)測得PT-1000溫度計(jì)的溫度測量不確定度為±0.45℃。冷卻水的溫度不確定度分別為±1℃，水流的相對不確定度為±1%。測得的電壓和電流的不確定度分別為±1.5%和±1%，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分析方法[11]，施加到電動(dòng)機(jī)上的功率的不確定度為±1.8%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水流比較

如圖3所示為在相同的扭矩(101 Nm)、轉(zhuǎn)速(5000 r/min)和水溫(55℃)，不同流量下O-M和P-M的溫升曲線。實(shí)驗(yàn)中所有測試均未達(dá)到保護(hù)溫度，因此當(dāng)溫度計(jì)的溫度波動(dòng)低于1℃持續(xù)15分鐘時(shí)，測試將停止。如圖3所示，對于O-M和P-M，流量從9 L/min到15 L/min的變化對穩(wěn)態(tài)溫度沒有明顯的影響。例如，在9 L/min、12 L/min和15 L/min的水流量下，P-M的穩(wěn)定溫度分別為85.8℃，85.6℃和85.1℃。這表明P-M與O-M具有很好的水流適應(yīng)性。由此可以看出，當(dāng)水的傳熱能力高于散發(fā)到機(jī)殼的熱量時(shí)，水流量的增加幾乎對穩(wěn)定溫度沒有影響。

圖3 不同流量、相同扭矩、轉(zhuǎn)速和水溫下O-M和P-M的溫升曲線

與O-M相比，P-M的穩(wěn)態(tài)溫度要低得多，O-M在不同的水流量下最大溫度差達(dá)到約20℃。例如，P-M的穩(wěn)定溫度在15 L/min時(shí)為85.1℃，比O-M(104.9℃)的穩(wěn)定溫度低約18.9%。這種改進(jìn)主要?dú)w因于端部繞組和外殼之間的灌封硅凝膠，從而大大降低了繞組和外殼之間的熱阻。如式(6)的熱阻，如果熱流保持一致且熱阻較低，則溫度差會(huì)降低：

(6)

式中，Φ和R分別代表熱流和熱阻，則溫度差ΔT為

ΔT=Tw-Tc

(7)

式中,Tw和Tc分別代表繞組和殼體的穩(wěn)定溫度。

圖4 外殼溫度和冷卻水流線分布

對于O-M，熱量主要通過定子和殼體之間的界面進(jìn)行傳遞，在CFD-POST中計(jì)算出的傳熱功率為1259.06 W。對于P-M，熱量也可以通過灌封的硅凝膠消散，對于封裝的硅凝膠，計(jì)算出的傳熱功率為173.27 W，在定子和外殼之間的界面處為1088.61 W。在此基礎(chǔ)上，由于總熱量基本相同，因此P-M的溫度差異較小。圖4為外殼溫度和冷卻水流線分布，其中圖4(a)、圖4(b)分別為O-M和P-M的外殼溫度分布情況，圖4(c)為冷卻水流線分布。計(jì)算的體積平均溫度分別為58.5℃和58.6℃。盡管平均溫度相似，但觀察到外殼的溫度分布略有不同，其原因是灌封的硅凝膠改變了流向外殼的熱流分布?？紤]到水通道中存在湍流，局部高溫區(qū)域出現(xiàn)在相應(yīng)區(qū)域中如圖4(c)所示。如圖4(b)所示，通過灌封的硅凝膠改善了流向套管的熱量，因此減少了局部高溫和低溫區(qū)域的面積，這也進(jìn)一步表明灌封的硅凝膠不僅可以有效地降低繞組溫度，而且可以使殼體的溫度分布更加均勻。

2.2 水溫比較

圖5顯示了在扭矩(127 Nm)、轉(zhuǎn)速(4000 r/min)和水流量(12 L/min)下，水溫對O-M和P-M的升溫性能的影響。對于每個(gè)水溫，P-M的穩(wěn)態(tài)溫度要比O-M的低很多，這在應(yīng)用較低的水溫時(shí)更為明顯。具體來說，當(dāng)水溫為45℃時(shí)，最高溫度降低了27.3℃，而當(dāng)水溫為55℃時(shí)，穩(wěn)定溫度下降了約22℃。需要注意的是，當(dāng)水溫為65℃時(shí)，O-M在約15分鐘內(nèi)達(dá)到135℃，而P-M在110.7℃的測試溫度下可以穩(wěn)定運(yùn)行。繞組溫度的顯著下降顯然是由于封裝的硅凝膠的封裝所致。因此如前所述，P-M的穩(wěn)定繞組溫度比O-M低得多。

圖5 在相同轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速和水流量的不同水溫下，O-M和P-M的溫升曲線

從圖6可以看出，灌封的硅凝膠不僅降低了端部繞組的溫度，而且還改變了繞組的溫度分布。如圖6(a)對于O-M，繞組的最低溫度位于繞組的中間部分，直接通過槽紙與定子接觸。另外，圖6(b)中P-M的最低溫度區(qū)域已移至端部繞組的外邊緣，這是因?yàn)樵诙瞬坷@組中產(chǎn)生的熱量可以通過灌封的硅凝膠快速傳遞到外殼。如前所述，最低溫度區(qū)域位置的變化也可以證明一部分熱量通過封裝的硅凝膠散發(fā)。

圖6 繞組溫度分布

除此之外，P-M在每種水流量和水溫下均顯示出明顯的溫度性能改善，這意味著可以降低應(yīng)用于P-M的泵的功率以降低電池消耗。此外，即使在較高的冷卻水溫度下，P-M仍可以正常工作，這意味著可能不需要額外的冷卻裝置，從而可以降低生產(chǎn)成本并提高系統(tǒng)效率。

2.3 工作條件比較

2.3.1 額定功率

如圖7所示，在相同的冷卻條件、不同扭矩和轉(zhuǎn)速下P-M和O-M的溫升性能。在測試的四個(gè)額定功率中，P-M的穩(wěn)定繞組溫度低于O-M。在轉(zhuǎn)速為4000r/min的情況下，穩(wěn)態(tài)溫度下降21.9℃時(shí)，情況更加明顯。冷卻效果隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，如圖8所示的綠線，這是由PMSM的損耗變化和內(nèi)部熱交換引起的。圖8中，在4000r/min轉(zhuǎn)速下的銅損遠(yuǎn)高于在其他轉(zhuǎn)速下的銅損，并且機(jī)械損耗增加，而其他損失則隨轉(zhuǎn)速的增加而幾乎保持恒定。如圖9所示，其中圖9(a)和圖9(b)分別為4000r/min和7700r/min下P-M和O-M的溫度分布，圖9(c)為7700r/min下P-M溫度分布，對比三個(gè)圖像可以看出電機(jī)內(nèi)部的最高溫度區(qū)域從端部繞組變?yōu)檗D(zhuǎn)子。此外，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣的等效導(dǎo)熱系數(shù)將隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，端部繞組中的大量熱量可以通過周圍的空氣釋放，因此降低了灌封硅凝膠的冷卻效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速為7700r/min的P-M中的最高溫度移至轉(zhuǎn)子并達(dá)到139.6℃，這比轉(zhuǎn)速為4000r/min時(shí)的71.5℃約高95.2%。轉(zhuǎn)子溫度升高會(huì)影響P-M的磁性能，即當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度從70℃升高至140℃時(shí)，固有矯頑力將從19.56 kOe降低至11.05 kOe，最大能量乘積將從34.02 MGOe下降到28.40 MGOe，而這也將導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的損失。灌封硅凝膠的冷卻效果在高轉(zhuǎn)速下會(huì)降低，這表明灌封材料可能對于其最高溫度區(qū)域位于轉(zhuǎn)子和P-M中的高速PMSM效果不明顯。

圖7 在相同的水溫、水流量、不同扭矩和轉(zhuǎn)速下O-M和P-M的溫升曲線

圖8 冷卻效果與損耗分布之間的關(guān)系

圖9 不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)內(nèi)部溫度分布

此外，如圖7所示P-M和O-M在最低轉(zhuǎn)速為4000 r/min時(shí)都具有最高的穩(wěn)態(tài)溫度，并且穩(wěn)態(tài)溫度隨著轉(zhuǎn)速升高先降低后升高。這種趨勢主要由相電流的變化決定，這是影響銅損并決定繞組穩(wěn)定溫度的主要因素。如圖8所示，在4000 r/min的轉(zhuǎn)速下，銅損為1040.07 W，比其他三個(gè)條件高出約58.7%，因此該額定功率具有最大的穩(wěn)定溫度。

2.3.2 峰值負(fù)載條件

如圖10所示，顯示了在峰值負(fù)載條件下P-M和O-M的測試和模擬溫度上升曲線。盡管模擬與測試之間存在誤差，但它準(zhǔn)確地預(yù)測了與實(shí)驗(yàn)測試相同的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。仿真和測試數(shù)據(jù)之間的巨大差異逐漸減小，最終隨著時(shí)間收斂到相同的值。模擬數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)之間的溫升率差異主要是由于初始條件和邊界條件的誤差，例如將電動(dòng)機(jī)的初始溫度設(shè)置為均勻分布在45℃，但是實(shí)際上在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在溫度差異。

圖10 峰值負(fù)載條件下O-M和P-M的溫升曲線

在峰值負(fù)載條件下，輸出轉(zhuǎn)矩接近PMSM的極限，并且相電流遠(yuǎn)高于額定條件。因此，峰值負(fù)載條件下的PMSM僅需幾分鐘即可達(dá)到保護(hù)溫度。如圖10所示，通過封裝硅凝膠，可以將峰值負(fù)載條件下的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間延長兩倍。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行約84 s后，O-M達(dá)到135℃，而P-M在165 s內(nèi)可以穩(wěn)定運(yùn)行，延長的時(shí)間可以有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)免受高溫的損害。具體來說，如果電機(jī)必須在振動(dòng)條件下運(yùn)行約80 s，則O-M幾乎會(huì)達(dá)到臨界溫度，甚至超過臨界溫度。在相同條件下，P-M的溫度約為90.6℃，幾乎不會(huì)影響電機(jī)壽命。如前所述，P-M穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的增長可歸因于灌封的硅凝膠，它可以迅速散發(fā)端繞組中產(chǎn)生的熱量，并避免形成局部高溫。

3 結(jié) 語

本文將灌封材料封裝在端部繞組和外殼之間的間隙中，以提高整個(gè)水通道的利用率。該設(shè)計(jì)為PMSM提供了一種簡便且經(jīng)濟(jì)高效的熱管理解決方案。測試了O-M和P-M在不同的冷卻和工作條件下的溫升性能。結(jié)果表明，與O-M相比，在所有測試條件下P-M的溫升性能都有很大提高。本文得出的主要結(jié)論包括：

(1)在扭矩：101 Nm，轉(zhuǎn)速：5000r/min的工作條件下，水流在一定范圍內(nèi)的變化對O-M和P-M的穩(wěn)態(tài)溫度有輕微的影響。在每個(gè)測試水流下，P-M的穩(wěn)態(tài)溫度比O-M低約20℃。 P-M優(yōu)異的溫升性能

主要?dú)w因于通過灌封硅明膠直接連接端部繞組和外殼。

(2)P-M在較低的水溫下具有更好的冷卻效果，在45℃的水溫下、扭矩為127 Nm、轉(zhuǎn)速為4000r/min時(shí)，最高溫度下降為27.3℃。灌封的硅凝膠還通過將一部分熱量從端部繞組直接傳遞到殼體來改變繞組和殼體的溫度分布。

(3)在峰值負(fù)載條件下，P-M可以有效地將穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間從84 s延長到165 s，所獲得的三維瞬態(tài)熱模型可以準(zhǔn)確預(yù)測電動(dòng)機(jī)在峰值負(fù)載條件下的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。