基于CFD水冷式牵引电机不同工况下温度场分析
时间：2023-01-17 08:25:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
王景妍，李秀芬，张永学，王 康
（黄河科技学院交通学院，河南 郑州 450064）
牵引电机功率大、损耗大、散热空间小，其冷却散热成为整车设计的重要环节。工程车辆载重量大，产生的热量多，同时其工作环境恶劣，通常采用水冷式冷却系统对牵引电机进行冷却，这就对冷却提出了更高的要求[1]。对牵引电机冷却系统的设计，需要综合考虑内外各种因素的影响，同时其边界条件是非常复杂的，存在耦合传热现象，因此，需要综合考虑。设计高效稳定的系统，对牵引电机及整车的高效运转具有重要意义。
学者们对此进行了一定研究：文献[2]应用标定测试法，通过改变冷却液的流速，测试电机表面温度，获取二者之间的变化规律；
文献[3]采用一维软件搭建牵引电机的热管理模型，对不同冷却方式和流量下，电机的温度场变化进行分析；
文献[4]采用三维建模软件，分析不同的冷却尺寸对整机温度场分布影响规律；
文献[5]采用试验方法测试不同的过载工况下，电机冷却系统的温度分布和流量变化。
根据水冷式牵引电机结构特点和冷却系统需要，基于CFD建立牵引电机冷却系统的流固耦合传热模型，对冷却系统内的流场耦合进行分析；
选取稳态工况进行流场分析，获取电机各部分的温度场分布；
选取瞬态极限工况的停机、过载等进行分析，获取牵引电机的过载能力，以此判断系统的可靠性。
利用牵引电机冷却平台进行温度测试，通过测功机调整负载，获取最大扭矩状态各测点温度，并与模型分析结果进行对比，验证模型的可靠性。
2.1 牵引电机建模
电机内部结构比较复杂，不同类别的电机结构差异较大，但总体来说永磁同步水冷电机由机壳、两端端盖、定子铁心、定子绕组、转子、转子上的永磁体、转轴、定子外的冷却水套及轴承等部件组成[6]。
电机的结构和几何尺寸一般由电机特性、功率、冷却要求、强度要求及装配要求等因素决定。
所研究的120kW交流驱动永磁同步水冷却电机结构，如图1所示。
图1 牵引电机结构简图Fig.1 Schematic Diagram of Traction Motor Structure
根据牵引电机的结构图，依据分析需要，对部分参数进行简化。
（1）电机内热源
根据建模需要，建立的电机传热模型将研究重点放在绕组、绝缘材料、定子铁、机壳及冷却水套模型的建立[7]。
（2）定子槽内模型
根据布置规则，设定定子槽内各种绝缘材料均匀分布；
定子槽内各导线均匀排列；
绝缘材料和导体充满了定子槽内部；
绝缘材料和导体分别看作两部分导热体[8]。
定子槽内简化模型，如图2所示。
图2 定子槽内等效导热简化模型Fig.2 Simplified Model of Equivalent Heat Conduction in the Stator Slot
等效绝缘体由不同绝缘材料等效而来，其等效导热系数由下式计算：
式中：λeq—等效导热系数；
δi—等效厚度；
λi—导热系数。
（3）绕组端部模型
绕组端部是指绕组伸出定子槽两端的部分，这部分由于没有与定子铁接触，仅与电机内空气接触，散热效果较差[9]，因此绕组温度相对于绕组中部要高，需要对该部分的温度分布加以重点分析。这里对绕组端部进行简化，如图3（a）所示。在结构图基础上，建立牵引电机三维物理简化模型，如图3（b）所示。
图3 牵引电机三维简化模型Fig.3 Three-Dimensional Simplified Model of Traction Motor
2.2 流固耦合模型
牵引电机冷却散热时，各个热源均与冷却液发生热交换，而热源之间也会因为冷却液的流动发生热交换，各个部分相互影响，边界条件复杂，单独分析时，误差较大，相互之间存在耦合，因此在分析时，需要进行整体考虑，分析流体和固体的耦合作用。因此，建立牵引电机的冷却水道三维模型，如图4（a）所示。对牵引电机冷却系统三维模型的网格划分需要分区域进行[10]。
图4 牵引电机流固耦合模型Fig.4 Traction Motor Fluid-Structure Coupling Model
区域以需要进行耦合传热计算的界面为边界进行划分，可分为：冷却水道、冷却水套、电机机壳、定子铁心、等效绝缘体、等效导体5个区域。网格划分情况，如图4（b）所示。
3.1 稳态工况分析
所研究的牵引电机稳定运转时，其总散热量为6261.7W，绕组和定子散热折算成热流密度分别为：442760.4W/m3和102837.7W/m3，设置相关参数，进行仿真计算，电机各部温度仿真结果，如图5所示。
图5 温度场分布Fig.5 Temperature Field Distribution
电机绕组温度场分布图，如图5（a）所示。可以看出，电机绕组的温度分布规律为：两端温度高，中部温度低，左侧高于右侧，主要由于左侧为冷却液入口位置，温度偏低。同时，通过电机右端面温度场分布可以看出，由于冷却液沿电机周向流动，再次方向上存在一定的温度梯度，极值点位于右端部下方、上方中部靠近进水口处，温度分别为145.66℃、122.27℃。通过图5（b）可以看出，电机定子温度场分布规律为：齿部的温度最高，依次向外温度递减；
与绕组图5（a）相似，两端温度高，中部温度低，左侧高于右侧的规律；
定子外周面温度分布规律可由图5（c）清晰的看到，冷却水道的走向对定子温度分布有较为明显的影响。电机定子最高温度点位于定子齿部，其值为74.09℃；
最低温度点位于定子外周面，其值为25.05℃。图5（d）为电机机壳温度场分布图，可以看出由于受到冷却水道分布的作用，在轴线方向温度逐渐升高。极值点位于冷却液入口、机壳内表面处，温度分别为16.57℃、30.98℃。
3.2 瞬态工况分析
瞬态工况既可呈现温度场随时间变化规律，同时可以分析过载工况，系统的承受能力。
（1）温度场变化分析
保持冷却液流量为18L/min，入口温度17.2℃，电机散热量设为6261.7W，电机各部初始温度设为17.2℃，电机在该条件下运行3600s，对整个过程进行仿真计算。
电机运行80s、320s、640s及1600s时冷却系统各部分温度场分布对比，如图6所示。电机绕组最高温度随时间变化的曲线，如图7所示。
图6 不同时间点温度场分布Fig.6 Temperature Field Distribution
图7 绕组最高温度随时间变化曲线Fig.7 Curve of Maximum Temperature of Winding with Time
图中可以看出，随着时间的变化冷却系统各部分温度一方面逐渐升高，另一方面温度梯度逐渐增大，仿真结果比较合理的反映了冷却系统温度场的动态变化过程。
由图可以看出，整体温度呈现上升趋势，变化趋势先增后稳，最后达到稳定，需要2600s。
（3）停机工况分析
此工况仿真的边界条件为：保持冷却水入口温度（17.2℃）及流量（18L/min）不变，电机总散热量为6261.7W，电机运行1h后[12]，电机停止运行，即电机散热量降为0。对整个传热过程进行分析，得到绕组最高温度随时间变化曲线，如图8所示。
图8 绕组最高温度随时间变化曲线Fig.8 Variation Curve of Maximum Winding Temperature with Time
由图可知，电机停机后，在保持冷却条件的情况下，电机温度在2000s以后逐渐达到稳态。但事实上，电机停机后不可能长时间保持冷却系统运行，一般情况下，待电机温度较低后，冷却系统便停止运行，电机其余热量自然散发到周边环境当中。
（2）短时过载工况分析
电机各部分损耗，如表1所示。将其他损耗项按各50%折算到电机绕组和定子两个热源处，计算热源分别为：绕组11549.7W和定子7189.99W。
表1 峰值功率下电机各部分损耗Tab.1 Losses of Various Parts of the Motor Under Peak Power
冷却液流量分别设为6L/min、18L/min和30L/min，入口温度均为17.2℃，仿真时间设为1200s。分析结果，如图9所示。
图9 绕组最高温度随时间变化曲线Fig.9 Curve of Maximum Winding Temperature with Time
图9（a）中可以看出，在峰值工况下，绕组温度升高迅速，在350s左右时便达到了180℃电机温度限值；
同时在电机运行300s以后，冷却流量对温升速率的影响才逐渐开始显现。
图9（b）可以看出，冷却流量为6L/min时，电机温度到180℃需要时间约为350s；
冷却流量18L/min时，电机温度到180℃需要时间约为365s；
冷却流量30L/min时，电机温度到180℃需要时间约为370s。冷却流量由6L/min提升到30L/min，仅仅使电机的过载时间延长了约10s。可以说，冷却流量在（6～30）L/min 范围内时，冷却流量对短时过载性能的影响并不明显。
利用牵引电机、测功机等设备搭建冷却系统试验平台，平台原理图，如图10（a）所示。
采用LMS 数据采集系统，利用转速扭矩传感器、流量传感器和温度传感器等；
获取各部分的冷却液的温度和流量、整个系统的转速和扭矩变化等，平台，如图10（b）所示。
图10 牵引电机温升试验平台Fig.10 Temperature Rise Test Platform of Traction Motor
初始状态为环境温度，调整牵引电机在高速低扭矩运行，速度为1280rpm，输出扭矩为5Nm，此时牵引电机冷却液入口温度为18.9℃，流量为19.11L/min；
平台可以通过调整测功机的功率，对牵引电机施加负载，通过调整，使得扭矩达到最大值1360Nm，此时获取的转速为458rpm，获取各个测点传感器的温度，达到稳定状态后，停止系统数据采集。
稳定状态各测点温度，如图11所示。
图11 测点稳定温度对比Fig.11 Comparison of Stable Temperature of Measuring Points
对比分析可以发现，各测点的温度变化趋势，试验值和模型分析结果保持一致，电机绕组的温度最高，实测结果为135.63℃，模型分析结果为146.85℃，二者之间的误差为8.28%，其他位置的误差也控制在10%以内，主要原因是模型假设和参数设置造成。模型分析与试验测试结果的一致性，表明所建模型的准确性与可靠性。
（1）采用流固耦合模型分析水冷式牵引电机温度场分布，结果更为合理；
（2）在牵引电机各组件中，绕组损耗影响更大，其温度升高的最高值与冷却液初始温度成正相关；
（3）通过瞬态仿真计算可知，在以峰值功率过载运行时，电机运行360s左右即达到温升限值，冷却流量在（6～30）L/min范围内时，冷却流量对短时过载性能的影响并不明显。
（4）各测点的温度试验值和模型分析结果变化趋势保持一致，电机绕组的温度最高，误差也控制在10%以内，表明所建模型的准确性与可靠性。
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