电机散热仿真分析

东风CAE学会专汽车科技第1期2013年1月do:10.3969/1ssn.1005-2550201301012电机散热仿真分析郭军朝,夏青松,史建鹏,章国光(东风汽车公司技术中心,武汉430058)摘要:以自主开发某款电机的散热为研究对象,运用流体仿真技术对电机的冷却水套设计方案进行了流阻和某断面的速度分析,并比较了方案的不同。运用数值传热技术对冷却液的温升进行了分析,并对电机的前后端盖、壳体以及定子进行了热态温度场分析研究。关键词:损耗;流阻;湿升;对流换热系数中图分类号:TM304文献标志码:A文章编号:1005-2550(201301-0044-04Thermal Simulated Analysis of the MotorGUO Jun-chao, XIA Qing-song, SHI Jian-peng, ZHANG Cuo-guangation Teachnical CtAbstract: Thermal analysis of the self-developed motor is researched in this paper. The flow resistance of the water-jacket and the velocity distribution of one section of the motor are simulated with the numerical nuid techniques. And the cas-es of jacket are compared. The temperature rise of coolant and temperature of the front and rear cover and stator of themotor are researched with the heat transfer techniques. The design and develop work of the motor are constructed throughall these worksKey words loss; now resistance; temperature lift; HTO电机的温升是衡量电机性能的重要指标之一。数,其值的大小与电机各部分的损耗有关系。影响电为了降低电机的温升,主要从电机的电磁设计及其机发热的损耗通常有铜耗、铁耗及杂散损耗,其中铜冷却系统设计方面进行改进。如果电机的电磁设计、耗和铁耗均可以通过运用电磁软件 ANSOF计算得结构设计与通风、热计算相互配合,则可以提高电机到。的性能。1.1铜耗电机在能量转化过程中会不可避免地产生损铜耗是由运行时的电流通过定子绕组的电阻产耗,如铁心损耗、定子绕组的铜耗和机械损耗等,这生的损耗,感应电机转子的铜耗是在端环和导条上些损耗会导致电机温度升高。电机温度过高会破坏流过电流时的损耗。铜耗的表达式如下:电机绝缘材料和稀土永磁材料,使电机负载能力减P=J2=P[1+8(7-70)/2]弱,润滑脂寿命下降,电机无法正常工作甚至烧毁。式中;p为材料在温度T时的电阻系数;T为温度,因此,对电机的冷却,尤其是新能源汽车驱动电机的β为温度系数,J为电流密度。充分冷却是电机开发过程中所必需考虑的问题。计算绕组发热时,铜耗P按其组成部件分成本论文从流体和传热技术的角度出发,分析和槽部铜耗和端部铜耗,其中两者的取值与各自的长比较了自主开发电机的冷却设计方案,并对低流阻度相关1。的设计方案开展了电机的散热分析。12铁耗铁耗在整个电机损耗中占有很重要的地位,对电机生热基本理论于 NdFeB永磁电机而言,铁耗的准确计算不但能够帮助设计出更为高效的电机,而且可以避免磁钢发电机的损耗是求解冷却水温升不可缺少的参生退磁。中国煤化工收稿日期:2012-10-27铁耗是CNMHG变化时产生的电机散热仿真分析/郭军朝,夏青松,史建鹏等东风[AE学会专涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗正比于转速的平方,磁滞损耗正比于转速。涡流损耗不但与磁通密度峰值有关,而且与磁通密度随时间的变化率有关,精确计算较为困难,通常的做法是对电磁密波形进行傅利叶分解,累加各次谐波。这种方法对电磁密波形的准确性要求高,并且很复杂。13机械损耗机械损耗分为轴承部分的摩擦损耗和伴随冷却风扇旋转产生的风损耗。准确计算电机的机械损耗不仅可以使得效率提高,同时也可以保证电机的使图3电机转子断面图用性能,而且还可以根据机械损耗的大小来合理设计样机的冷却系统,保证了样机的成功率。3电机的冷却方案分析2电机的结构因为本文所述电机的功耗是3500W,功耗比较大,冷却方式不能采用风冷,而应采取水冷的方在开展电机的散热分析前,首先观察电机的结式,冷却水套的设计方案如图4图5所示。方案1构,结构如图1所示,其由前端盖、后端盖、壳体构冷却液进入电机水套后,分成三部分流过壳体后,在成。电机内部结构为图2所示的定子、绕组,图3为电机另一端汇集,然后又分成三部分经壳体流向电电机转子的断面。机的初始端。方案2特征在于水路从水套入口到出前端盖口是一致的,没有存在分流的现象。后端盖1电机外观图4冷却水套设计方案1绕组定子电机轴YHE水套语计方索对上述中国煤化工值流体力学技图2电机内部结构术开展了流CNMHG如图6所示。东风[AE学公专彰汽车科技第1期2013年1月假设电机壳体、端盖均处于室温状态,无风条件一方案1——一方案2135.2下,开展此前提下的散热仿真分析。13042进出水口的温升1056本文从稳态角度开展了电机冷却进出水口的温79.65升分析,冷却液入囗流量为14Lmin,入口温度为54.84■46.54595℃,仿真得出水囗的温升曲线如图9所示,分析题19:3527.153601可得出口水温为645℃,进而可得电机冷却液的温1012升为5℃体积流量几·min图6水套两方案的流阻比较分析图6电机的水套设计,方案2的流阻比较低,故采用方案2对电机进行冷却。两个冷却水套设计方案某断面速度场的分部如图7图8所示。P其血长丑8760100200300400500600700流量几·min图9电机出水口的温升曲线43部件温度分布云图冷却水套温升的分析是电机散热分析的一个方图7冷却水套方案1某断面速度场面,电机壳体、定子等部件的温度分布云图是电机散热分析的另一个方面。电机前端盖、后端盖及壳体的温度的分布云图如图10所示。分析图10,电机前后端盖的最高温度分别为639℃、64.1℃,壳体表面最高温度为70℃。图8冷却水套方案2某断面速度场4电机的散热分析因为冷却水套设计方案2的流阻比较低,故采用此方案进行电机的热态仿真分析,工况是冷却液入口流量为14Lmin,温度是595℃。图10电机及其各部件的温度分布4.1电机的功耗提取电机定子和铜线绕组的温度分布如图11电机的功率为35kW,效率为90%,可得电机所示,定子高温区域分布在击麵区柚温度最大值为的功耗为3500W。假设此功耗以热传导方式均被1022℃。绕中国煤化工最高温度是电机的水套吸收,并转化成为电机的温升。104℃。CNMHG电机散热仿真分析/郭军朝,夏青松,史建鹏等东风UAE学会专热分析角度提取了水套的壁面对流换热系数吲。图14(a)中表示水套的壁面对流换热系数的宏观分布,正值表示水套在吸收来自壳体的热量,负值表示水套在向外散热。图14中的(表示壁面对流换热系数大于0所分布的水套区域和云图,分析此图也可得对流换热系数小于0的区域都在水套端部,表示水套是处于放热状态,热量被电机的前后端盖吸收。图11电机定子与铜绕组温度分布云图对电机内部温度分布进行直观切片显示,可以比较电机壳体、前后端盖、定子以及绕组的温度,如图12所示。高温区域分布在定子和绕组上,绕组端部温度最高,可达103.8℃。(b)图14水套的壁面对流换热系数分布6总结图12电机内部切片温度分布云图5冷却水套分析1)比较冷却水套设计方案1和方案2的流阻前者接近后者的两倍。为节省能耗,方案2为最佳方案51冷却水套的流阻分析2)对电机开展了入口流量为14Lmin的热态为考核冷却水套的设计方案对流阻的影响,对分析,冷却液的温升接近5℃,与设计人员提供的经本水套开展了多工况下的流阻分析如图5所示。验值基本吻合。52冷却水套近壁面流速分布3)电机功耗为3500W,水套流量为14I/min、分析水套近壁面流速的速度分布云图如图13温度为595℃时,电机壳体和前后端盖的温度在所示,在S型水套内侧近壁面流速最大值为272ms70℃左右。速度越快值越大,则有利于加速电机壳体散热的速4)电机定子高温区域分布在定子齿区域,铜绕度。图中可见涡流的存在,其不利于电机端盖的散组的高温区域分布在两端,温度最大值接近105℃。执5)分析冷却水套的壁面对流换热系数,与电机壳体接触的水套的换热系数是正的,这部分是吸热区域,而与电机前后端盖对应的水套部分是放热的。参考文献:[1]唐任远现代永磁电机理论与设计[M]北京:机械工业出版社,2008:21-23.[2]王福军计算流体动力学分析[M]北京:清华大学出版图13水套近壁面流速分布社,2004:121-1225.3水套内侧壁面对流换热系数[3]陶文铨数酒通大学出版社为分析冷却水套各部分是热还是放热,从数值传中国煤化工2001:256-4CNMHG47