鼓式制動器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2022年1月25日訊 電動汽車輪轂電動機(jī)經(jīng)常要在復(fù)雜的工況和惡劣環(huán)境下運(yùn)行，狹小的安裝空間和較高的密封性要求，使得輪轂電動機(jī)經(jīng)常因?yàn)檩^高的溫升而損壞，所以在輪轂電動機(jī)設(shè)計初期就必須對其溫升性能進(jìn)行精確計算與設(shè)計，防止輪轂電動機(jī)因?yàn)闇厣^高而損壞。
因?yàn)殡妱悠囉幂嗇炿妱訖C(jī)安裝于空間狹小的電動汽車車輪內(nèi)部，并且汽車正常行駛的道路路況復(fù)雜，所以要求輪轂電動機(jī)具有較高的密封性，這樣直接使輪轂電動機(jī)的散熱能力較差。同時為了減小汽車懸架的簧下質(zhì)量，要求電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊和高功率密度的性能。但是較高的功率密度會引起較大的工作電流，這樣會使電動機(jī)的損耗和溫升較高，不利于輪轂電動機(jī)的長期使用。所以，較高溫升和較差的散熱條件，使對輪轂電動機(jī)溫升的準(zhǔn)確計算顯得愈發(fā)的重要。
目前，國內(nèi)外學(xué)者對電動機(jī)溫升的計算方法主要有三種方法，即參數(shù)計算法、等效熱路法和有限元分析法。其中，國外的Christian Kral等人采用了參數(shù)計算法建立了輪轂電動機(jī)溫度場計算數(shù)學(xué)模型，雖然計算速度較快，但是不能真實(shí)地反映出電動機(jī)內(nèi)部的溫度分布情況，存在一定誤差；Wang R.J等人采用等效熱路法，計算的結(jié)果表明該方法能夠計算出電動機(jī)內(nèi)部的溫度分布，但缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證，并且熱路法模型的建立較為復(fù)雜。
國內(nèi)賈珍珍等人運(yùn)用有限元方法分析了輪轂電動機(jī)的溫度場分布和溫升情況，但是僅采用了二維平面有限元分析方法，沒有考慮電動機(jī)軸向溫度散熱能力對電動機(jī)整體溫度的影響；高曉林等人運(yùn)用Fluent流體分析軟件對電動機(jī)的散熱進(jìn)行了分析，但是Fluent網(wǎng)格劃分要求較高，前處理時間較長，對于復(fù)雜的電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不利于實(shí)際工程計算中的效率要求。
為了使溫升計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，并且計算效率較高，本文以一臺4kW輪轂電動機(jī)為研究對象，以輪轂電動機(jī)各部件電磁損耗為熱源，在ANSYS Transient Thermal模塊中分析了額定工況下的輪轂電動機(jī)的整體溫度場。根據(jù)傳熱學(xué)原理，本文提出將輪轂電動機(jī)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的求解模型進(jìn)行簡化和等效處理，并通過相關(guān)流體力學(xué)的公式，計算出散熱邊界條件來模擬輪轂電動機(jī)的散熱情況，最后將得出的輪轂電動機(jī)溫度場的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文所提出的仿真計算方法的正確性，為輪轂電動機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。
輪轂電動機(jī)熱性能參數(shù)的確定
1. 輪轂電動機(jī)的基本參數(shù)
輪轂電動機(jī)的基本參數(shù)見表1。
表1 電動機(jī)基本參數(shù)
電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)較為緊湊，散熱條件較差。在自然風(fēng)冷條件下，輪轂電動機(jī)的主要熱交換方式如圖1所示，其中主要包括電動機(jī)內(nèi)部各部件的傳熱、電動機(jī)外部殼體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對流換熱等組成。
圖1 電動機(jī)內(nèi)熱交換
2. 熱源計算
電磁損耗主要包括定轉(zhuǎn)子鐵心損耗、銅耗和永磁體渦流損耗，其中電磁損耗是輪轂電動機(jī)的主要熱源，因此需要準(zhǔn)確地計算出電磁損耗的具體數(shù)值。通過Maxwell電磁分析軟件準(zhǔn)確地分析出額定工況下輪轂電動機(jī)各部件的電磁損耗分布云圖。如圖2a所示，在齒頂處的定子鐵心損耗較大，這是因?yàn)榇颂幍拇琶芏容^為集中。如圖3所示，在齒槽開口處的永磁體渦流損耗較大，這是由于槽口存在的齒槽效應(yīng)會產(chǎn)生磁場高次諧波，會引起較大的渦流損耗。
圖2 額定工況定子和轉(zhuǎn)子鐵心損耗分布
圖3 額定工況永磁體渦流損耗分布
經(jīng)過Maxwell后處理計算模塊，得到輪轂電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵心損耗和永磁體渦流損耗具體數(shù)值大小，見表2。其中，電動機(jī)繞組銅耗可以通過傳統(tǒng)的測電阻并用公式計算的方法得到。轉(zhuǎn)子的鐵耗較小，僅為定子鐵耗的0.89%，可以忽略不計；銅耗的數(shù)值最大，占整體電磁損耗的一半。
表2 額定工況下電動機(jī)內(nèi)各部件的電磁損耗分布（%）
輪轂電動機(jī)溫度場分析
1. 復(fù)雜部件的簡化與等效
（1）定子槽繞組模型的簡化與等效。在建立溫度場分析模型時，定子槽中的繞組和絕緣體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難對其進(jìn)行精確建模和導(dǎo)熱系數(shù)的計算，可以將繞組等效為一整快導(dǎo)體，絕緣體按體積等效成等體積的包圍層，并平行緊貼于槽壁，簡化模型如圖4所示。
圖4 定子槽繞組模型等效簡化
根據(jù)傳熱學(xué)定理，通過相關(guān)公式得到等效后的絕緣層和導(dǎo)體的物性參數(shù)，計算得到等效絕緣體的等效結(jié)構(gòu)尺寸和等效物性參數(shù)，見表3。
表3 定子槽繞組等效模型的等效物性參數(shù)
（2）鐵心疊片模型的等效與簡化處理。定子鐵心是由多層硅鋼片經(jīng)過疊壓而成的，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。根據(jù)傳熱學(xué)定理，可以將鐵心疊片等效成具有軸向、周向和切向不同導(dǎo)熱性能的結(jié)合體。
可以通過公式計算得到定子鐵心在各個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。
通過計算得到等效模型物理屬性參數(shù)見表4。
表4 定子鐵心簡化模型物理屬性參數(shù)
（3）輪轂電動機(jī)其他部件的等效與簡化。為了使溫度場分析時的有限元模型較易求解，所以對輪轂電動機(jī)中溫度場分析影響較小的次要部分進(jìn)行一定的省略和簡化，主要體現(xiàn)在幾個方面：忽略對整體模型影響較小的小尺寸零件，如螺栓、墊片等；忽略電動機(jī)外殼的兩邊端蓋，以等效散熱系數(shù)等效兩邊端蓋的散熱作用，保留與電動機(jī)轉(zhuǎn)子相接觸的頂部外殼；假設(shè)電動機(jī)內(nèi)部有裝配關(guān)系的零件是相互接觸緊密、無空隙的。
對輪轂電動機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化與等效處理后得到的簡化模型，如圖5所示。
圖5 輪轂電動機(jī)簡化模型
2. 對流換熱系數(shù)的等效與計算
輪轂電動機(jī)主要的對流換熱邊界面為機(jī)殼外表面、機(jī)殼端面、轉(zhuǎn)子端面、轉(zhuǎn)子內(nèi)表面、永磁體端面、氣隙端面、繞組端部內(nèi)表面、繞組端部外表面和定子端面。
（1）氣隙散熱系數(shù)的計算。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，電動機(jī)氣隙中的空氣會流動，由于氣隙的尺寸較小，很難在溫度場計算時模擬氣隙的旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動，因此對定轉(zhuǎn)子間的氣隙做靜止處理。
（2）輪轂電動機(jī)外殼表面散熱系數(shù)的計算。電動機(jī)殼在旋轉(zhuǎn)時通過對流的形式與外界環(huán)境發(fā)生熱交換，同時旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的外殼會加速周圍空氣的流動從而增強(qiáng)散熱效果。
通過公式計算得到電動機(jī)對流散熱邊界面的散熱系數(shù)，具體數(shù)值見表5。
表5 輪轂電動機(jī)各邊界面對流散熱系數(shù) （單位：W/m2·K）
額定工況下輪轂電動機(jī)溫度場仿真結(jié)果分析
進(jìn)行瞬態(tài)溫度場求解后，得到額定工況下的輪轂電動機(jī)運(yùn)行3 600s時的最高溫升變化曲線，如圖6所示。電動機(jī)的最高溫升隨時間成遞增趨勢，在前半段電動機(jī)的溫升速率較快，在后半段逐漸趨于穩(wěn)定，在3 600s時的最高溫度為122.23℃，最高溫升為99.747℃。樣機(jī)的絕緣材料耐溫等級為B級，即最高允許溫度為130℃，所以電動機(jī)在額定工況下連續(xù)工作1h時間是安全可靠的。
圖6 額定工況下的電動機(jī)溫升變化曲線
整體溫度分布云圖和各部件的溫度分布云圖，如圖7所示。從溫度場仿真結(jié)果可知，繞組部分的溫度最高，這和損耗分析時繞組是電動機(jī)中最大熱源的結(jié)果一致：繞組最高溫度為122.23℃，最低溫度為121.45℃。由于槽絕緣的隔熱作用，繞組的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在繞組中間位置，最低溫度區(qū)域出現(xiàn)在兩端，但是繞組的溫度差異較小，整體溫度分布較為均勻。
圖7 電動機(jī)整體溫度分布
定子的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在槽底部與定子軛內(nèi)圓之間的位置，因?yàn)槎ㄗ拥奈恢门c繞組位置最接近，并且定子本身也是發(fā)熱源，所以定子的最高溫度僅次于繞組，最高溫度為120.78℃。
永磁體的溫差較大，最高溫度為118.22℃，最低溫度為113.24℃。由于磁極內(nèi)圓處接近溫度較高的定子，外圓接近散熱較好的轉(zhuǎn)子與外殼，所以磁極內(nèi)圓與外圓形成了一個4.98℃的溫差范圍。
試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本文輪轂電動機(jī)溫度場仿真方法的正確性，需要對輪轂電動機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。運(yùn)用溫度傳感器埋入繞組端部，以檢測端部溫度變化，并運(yùn)用紅外溫度計測量電動機(jī)外殼溫度。試驗(yàn)所用的檢測平臺為輪轂電動機(jī)綜合性能試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺由測功儀、控制器、試驗(yàn)架、溫度傳感器等部件組成。
為了減小試驗(yàn)值和仿真值的對比誤差，則需要使試驗(yàn)條件和仿真條件基本相同，控制實(shí)驗(yàn)室初始環(huán)境溫度為22℃。在試驗(yàn)過程中運(yùn)用測功儀和控制器配合，使輪轂電動機(jī)在額定負(fù)載工況下連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行1h，并以5min為時間段記錄溫度數(shù)據(jù)。將得到的溫升試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對比曲線如圖8所示。
圖8 輪轂電動機(jī)溫度試驗(yàn)與仿真對比曲線
由圖8輪轂電動機(jī)溫升試驗(yàn)與仿真的對比曲線可知，轉(zhuǎn)子外殼的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果幾乎一致，誤差在2%以內(nèi)。繞組端部的仿真誤差較大，最終穩(wěn)定時的誤差相差約2.2，但整體誤差在5%以下，該結(jié)果在工程計算的誤差允許范圍內(nèi)。所以與通過試驗(yàn)結(jié)果的比對，驗(yàn)證了本文采用的磁-熱耦合仿真計算輪轂電動機(jī)溫度場的方法的正確性，同時也驗(yàn)證了該方法能夠運(yùn)用于電動機(jī)初期設(shè)計中，并且能為輪轂電動機(jī)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。
結(jié) 語
本文通過磁熱耦合的方法，對一臺4kW電動汽車用輪轂電動機(jī)的溫度場進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：
1）通過將輪轂電動機(jī)溫度場的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文用電磁損耗為熱源和散熱系數(shù)相結(jié)合的磁熱耦合分析方法的正確性。
2）仿真誤差低于5%，驗(yàn)證了本文運(yùn)用簡化模型和散熱邊界條件計算方法的正確性。該方法能夠有效增加求解速度，并保證求解精度。
3）本文采用的磁熱耦合分析的方法，能夠快速準(zhǔn)確得到輪轂電動機(jī)各部件的溫度場分布情況，能夠?yàn)檩嗇炿妱訖C(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。
