電機散熱仿真分析

東風(fēng)CAE學(xué)會(huì )專(zhuān)汽車(chē)科技第1期2013年1月do:10.3969/1ssn.1005-2550201301012電機散熱仿真分析郭軍朝,夏青松,史建鵬,章國光(東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心,武漢430058)摘要:以自主開(kāi)發(fā)某款電機的散熱為研究對象,運用流體仿真技術(shù)對電機的冷卻水套設計方案進(jìn)行了流阻和某斷面的速度分析,并比較了方案的不同。運用數值傳熱技術(shù)對冷卻液的溫升進(jìn)行了分析,并對電機的前后端蓋、殼體以及定子進(jìn)行了熱態(tài)溫度場(chǎng)分析研究。關(guān)鍵詞:損耗;流阻;濕升;對流換熱系數中圖分類(lèi)號:TM304文獻標志碼:A文章編號: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電機的溫升是衡量電機性能的重要指標之一。數,其值的大小與電機各部分的損耗有關(guān)系。影響電為了降低電機的溫升,主要從電機的電磁設計及其機發(fā)熱的損耗通常有銅耗、鐵耗及雜散損耗,其中銅冷卻系統設計方面進(jìn)行改進(jìn)。如果電機的電磁設計、耗和鐵耗均可以通過(guò)運用電磁軟件 ANSOF計算得結構設計與通風(fēng)、熱計算相互配合,則可以提高電機到。的性能。1.1銅耗電機在能量轉化過(guò)程中會(huì )不可避免地產(chǎn)生損銅耗是由運行時(shí)的電流通過(guò)定子繞組的電阻產(chǎn)耗,如鐵心損耗、定子繞組的銅耗和機械損耗等,這生的損耗,感應電機轉子的銅耗是在端環(huán)和導條上些損耗會(huì )導致電機溫度升高。電機溫度過(guò)高會(huì )破壞流過(guò)電流時(shí)的損耗。銅耗的表達式如下:電機絕緣材料和稀土永磁材料,使電機負載能力減P=J2=P[1+8(7-70)/2]弱,潤滑脂壽命下降,電機無(wú)法正常工作甚至燒毀。式中;p為材料在溫度T時(shí)的電阻系數;T為溫度,因此,對電機的冷卻,尤其是新能源汽車(chē)驅動(dòng)電機的β為溫度系數,J為電流密度。充分冷卻是電機開(kāi)發(fā)過(guò)程中所必需考慮的問(wèn)題。計算繞組發(fā)熱時(shí),銅耗P按其組成部件分成本論文從流體和傳熱技術(shù)的角度出發(fā),分析和槽部銅耗和端部銅耗,其中兩者的取值與各自的長(cháng)比較了自主開(kāi)發(fā)電機的冷卻設計方案,并對低流阻度相關(guān)1。的設計方案開(kāi)展了電機的散熱分析。12鐵耗鐵耗在整個(gè)電機損耗中占有很重要的地位,對電機生熱基本理論于 NdFeB永磁電機而言,鐵耗的準確計算不但能夠幫助設計出更為高效的電機,而且可以避免磁鋼發(fā)電機的損耗是求解冷卻水溫升不可缺少的參生退磁。中國煤化工收稿日期:2012-10-27鐵耗是CNMHG變化時(shí)產(chǎn)生的電機散熱仿真分析/郭軍朝,夏青松,史建鵬等東風(fēng)[AE學(xué)會(huì )專(zhuān)渦流損耗和磁滯損耗。渦流損耗正比于轉速的平方,磁滯損耗正比于轉速。渦流損耗不但與磁通密度峰值有關(guān),而且與磁通密度隨時(shí)間的變化率有關(guān),精確計算較為困難,通常的做法是對電磁密波形進(jìn)行傅利葉分解,累加各次諧波。這種方法對電磁密波形的準確性要求高,并且很復雜。13機械損耗機械損耗分為軸承部分的摩擦損耗和伴隨冷卻風(fēng)扇旋轉產(chǎn)生的風(fēng)損耗。準確計算電機的機械損耗不僅可以使得效率提高,同時(shí)也可以保證電機的使圖3電機轉子斷面圖用性能,而且還可以根據機械損耗的大小來(lái)合理設計樣機的冷卻系統,保證了樣機的成功率。3電機的冷卻方案分析2電機的結構因為本文所述電機的功耗是3500W,功耗比較大,冷卻方式不能采用風(fēng)冷,而應采取水冷的方在開(kāi)展電機的散熱分析前,首先觀(guān)察電機的結式,冷卻水套的設計方案如圖4圖5所示。方案1構,結構如圖1所示,其由前端蓋、后端蓋、殼體構冷卻液進(jìn)入電機水套后,分成三部分流過(guò)殼體后,在成。電機內部結構為圖2所示的定子、繞組,圖3為電機另一端匯集,然后又分成三部分經(jīng)殼體流向電電機轉子的斷面。機的初始端。方案2特征在于水路從水套入口到出前端蓋口是一致的,沒(méi)有存在分流的現象。后端蓋1電機外觀(guān)圖4冷卻水套設計方案1繞組定子電機軸YHE水套語(yǔ)計方索對上述中國煤化工值流體力學(xué)技圖2電機內部結構術(shù)開(kāi)展了流CNMHG如圖6所示。東風(fēng)[AE學(xué)公專(zhuān)彰汽車(chē)科技第1期2013年1月假設電機殼體、端蓋均處于室溫狀態(tài),無(wú)風(fēng)條件一方案1——一方案2135.2下,開(kāi)展此前提下的散熱仿真分析。13042進(jìn)出水口的溫升1056本文從穩態(tài)角度開(kāi)展了電機冷卻進(jìn)出水口的溫79.65升分析,冷卻液入囗流量為14Lmin,入口溫度為54.84■46.54595℃,仿真得出水囗的溫升曲線(xiàn)如圖9所示,分析題19:3527.153601可得出口水溫為645℃,進(jìn)而可得電機冷卻液的溫1012升為5℃體積流量幾·min圖6水套兩方案的流阻比較分析圖6電機的水套設計,方案2的流阻比較低,故采用方案2對電機進(jìn)行冷卻。兩個(gè)冷卻水套設計方案某斷面速度場(chǎng)的分部如圖7圖8所示。P其血長(cháng)丑8760100200300400500600700流量幾·min圖9電機出水口的溫升曲線(xiàn)43部件溫度分布云圖冷卻水套溫升的分析是電機散熱分析的一個(gè)方圖7冷卻水套方案1某斷面速度場(chǎng)面,電機殼體、定子等部件的溫度分布云圖是電機散熱分析的另一個(gè)方面。電機前端蓋、后端蓋及殼體的溫度的分布云圖如圖10所示。分析圖10,電機前后端蓋的最高溫度分別為639℃、64.1℃,殼體表面最高溫度為70℃。圖8冷卻水套方案2某斷面速度場(chǎng)4電機的散熱分析因為冷卻水套設計方案2的流阻比較低,故采用此方案進(jìn)行電機的熱態(tài)仿真分析,工況是冷卻液入口流量為14Lmin,溫度是595℃。圖10電機及其各部件的溫度分布4.1電機的功耗提取電機定子和銅線(xiàn)繞組的溫度分布如圖11電機的功率為35kW,效率為90%,可得電機所示,定子高溫區域分布在擊麵區柚溫度最大值為的功耗為3500W。假設此功耗以熱傳導方式均被1022℃。繞中國煤化工最高溫度是電機的水套吸收,并轉化成為電機的溫升。104℃。CNMHG電機散熱仿真分析/郭軍朝,夏青松,史建鵬等東風(fēng)UAE學(xué)會(huì )專(zhuān)熱分析角度提取了水套的壁面對流換熱系數吲。圖14(a)中表示水套的壁面對流換熱系數的宏觀(guān)分布,正值表示水套在吸收來(lái)自殼體的熱量,負值表示水套在向外散熱。圖14中的(表示壁面對流換熱系數大于0所分布的水套區域和云圖,分析此圖也可得對流換熱系數小于0的區域都在水套端部,表示水套是處于放熱狀態(tài),熱量被電機的前后端蓋吸收。圖11電機定子與銅繞組溫度分布云圖對電機內部溫度分布進(jìn)行直觀(guān)切片顯示,可以比較電機殼體、前后端蓋、定子以及繞組的溫度,如圖12所示。高溫區域分布在定子和繞組上,繞組端部溫度最高,可達103.8℃。(b)圖14水套的壁面對流換熱系數分布6總結圖12電機內部切片溫度分布云圖5冷卻水套分析1)比較冷卻水套設計方案1和方案2的流阻前者接近后者的兩倍。為節省能耗,方案2為最佳方案51冷卻水套的流阻分析2)對電機開(kāi)展了入口流量為14Lmin的熱態(tài)為考核冷卻水套的設計方案對流阻的影響,對分析,冷卻液的溫升接近5℃,與設計人員提供的經(jīng)本水套開(kāi)展了多工況下的流阻分析如圖5所示。驗值基本吻合。52冷卻水套近壁面流速分布3)電機功耗為3500W,水套流量為14I/min、分析水套近壁面流速的速度分布云圖如圖13溫度為595℃時(shí),電機殼體和前后端蓋的溫度在所示,在S型水套內側近壁面流速最大值為272ms70℃左右。速度越快值越大,則有利于加速電機殼體散熱的速4)電機定子高溫區域分布在定子齒區域,銅繞度。圖中可見(jiàn)渦流的存在,其不利于電機端蓋的散組的高溫區域分布在兩端,溫度最大值接近105℃。執5)分析冷卻水套的壁面對流換熱系數,與電機殼體接觸的水套的換熱系數是正的,這部分是吸熱區域,而與電機前后端蓋對應的水套部分是放熱的。參考文獻:[1]唐任遠現代永磁電機理論與設計[M]北京:機械工業(yè)出版社,2008:21-23.[2]王福軍計算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]北京:清華大學(xué)出版圖13水套近壁面流速分布社,2004:121-1225.3水套內側壁面對流換熱系數[3]陶文銓數酒通大學(xué)出版社為分析冷卻水套各部分是熱還是放熱,從數值傳中國煤化工2001:256-4CNMHG47