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)常因為較高的溫升而損壞,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)因為溫升過高而損壞。
因為電動汽車用輪轂電動機(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,但缺乏試驗驗證,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)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗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,這是因為此處的磁密度較為集中。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,因為定子的位置與繞組位置最接近,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。
試驗驗證
為了驗證本文輪轂電動機(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。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。試驗所用的檢測平臺為輪轂電動機(jī)綜合性能試驗臺,該試驗臺由測功儀、控制器、試驗架、溫度傳感器等部件組成。
為了減小試驗值和仿真值的對比誤差,則需要使試驗條件和仿真條件基本相同,控制實驗室初始環(huán)境溫度為22℃。在試驗過程中運(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)溫度試驗與仿真對比曲線
由圖8輪轂電動機(jī)溫升試驗與仿真的對比曲線可知,轉(zhuǎn)子外殼的仿真結(jié)果與試驗結(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)。所以與通過試驗結(jié)果的比對,驗證了本文采用的磁-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)果和試驗結(jié)果進(jìn)行對比,驗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,能夠為輪轂電動機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。