端部繞組浸沒式冷卻電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

針對(duì)高功率密度電機(jī)散熱困難的問題，設(shè)計(jì)了一種端部繞組浸沒式冷卻的油冷散熱結(jié)構(gòu)，研究了端部繞組浸沒式冷卻電機(jī)的散熱首先，基于傳熱學(xué)及電磁學(xué)理論，分析了電機(jī)內(nèi)部熱源的分布情況，通過仿真模擬分析了極限工況下油冷電機(jī)的溫度分布和流動(dòng)特性；然后，定量研究了油碗、油道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)最高溫度及利用帶精英策略的非支配排序的遺傳算法(NSGA-II)得到最優(yōu)解，并通過仿真模擬驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的有效性和可行性。結(jié)果表明：優(yōu)化后電機(jī)最高溫度為139.7℃,比優(yōu)化前的最高溫度161.3℃降低了21.6℃,降幅為13.4%。同時(shí)，油道壓降由65.6kPa下降至39.3kPa，降低了26.3kPa，降幅為40.1%。本研究對(duì)于電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定的理論指導(dǎo)和實(shí)位居世界第二，但經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了一系列環(huán)境問題，其中溫室效尤為突出[1]。為保護(hù)環(huán)境，新能源汽車得到了飛速發(fā)展。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件之一，其散熱性能直接影響而高效率的散熱系統(tǒng)能夠抑制電機(jī)溫升，提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性及國外對(duì)于油冷永磁同步電機(jī)溫度場分布與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究已Gundabattini等[2]綜述了電動(dòng)機(jī)的性能以及在熱量和溫度方面的氣隙偏心、電磁性能、溫度影響和損耗是影響效率的主要因素。Garud等[3]和Li等[4]提出了一種冷卻系統(tǒng)，通過內(nèi)部油循環(huán)和外部水循環(huán)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的散熱，有效改善了電機(jī)散熱情況。Zeng等[5]開發(fā)了一種多物理場耦合分析方法,降低了冷卻泵壓力損耗，該方法通過臺(tái)架測試驗(yàn)證了其可以有效預(yù)測電機(jī)的溫度分Xu等[6]介紹了一款油冷電機(jī)的熱管理優(yōu)化過程和設(shè)計(jì)。采用不同的冷卻策略來冷卻電機(jī)，并使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來預(yù)測和改善冷卻性能，最終取得了較理想的結(jié)果。模型及算法，設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子溫度模型的準(zhǔn)確性。韓雪巖等[8]以一臺(tái)車用7.5kW永磁同步電機(jī)為例,基于磁熱雙向針對(duì)永磁體溫度過高問題，采用永磁體軸向分段方法，有效降低丁樹業(yè)等[9]對(duì)一船用200kW永磁同步電機(jī)的額定工況進(jìn)行溫度低了電機(jī)溫升，設(shè)計(jì)試驗(yàn)證實(shí)了電機(jī)溫升分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。俞希偉等[10]、袁中正等[11]和周曉燕等[12]基于多目標(biāo)優(yōu)化算法，以在各優(yōu)化變量相互制約的情況下取得良好的電磁性能。針對(duì)上述研究，關(guān)于端部繞組浸沒式油冷電機(jī)的散熱性能研究不因此，本文中主要針對(duì)端部繞組浸沒式冷卻電機(jī)進(jìn)行散熱性能分析，研究不同油道結(jié)構(gòu)參數(shù)下電機(jī)的溫度及壓降分布情況，為端部繞組浸沒式冷卻電機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。1.1幾何模型電機(jī)幾何模型如圖1，主要包括電機(jī)殼體、定子、槽內(nèi)繞組、端部繞組、入口油碗及出口油碗。在電機(jī)殼體內(nèi)表面開螺旋槽，使其與定子配合部分形成油道結(jié)構(gòu)；冷卻油由入口流入電機(jī)，經(jīng)入口油碗冷卻端部繞組后，進(jìn)入螺旋油道冷卻定子，再流入出口油碗冷卻出口處的端部繞組后經(jīng)出口流出電機(jī)，完成電機(jī)各部件的冷卻。1.2流動(dòng)傳熱模型冷卻油在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，滿足流體力學(xué)基本方程，包括：質(zhì)量控制方程、動(dòng)量控制方程及能量控制方程[13]。呈現(xiàn)明顯的湍流流動(dòng)狀態(tài)，因此還需引入描述湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的k-1)質(zhì)量控制方程質(zhì)量控制方程可以描述為：單位時(shí)間內(nèi)流入控制體的質(zhì)量-單位時(shí)間內(nèi)流出控制體的質(zhì)量+控制體因密度隨時(shí)間變化引起的質(zhì)量增量=質(zhì)量源項(xiàng)增加量2)動(dòng)量控制方程動(dòng)量控制方程可以描述為：控制體動(dòng)量的增加量=進(jìn)入控制體的動(dòng)量-離開控制體的動(dòng)量+沖量3)能量控制方程能量控制方程可以描述為：進(jìn)入控制體的凈熱量+表面力與體積力對(duì)控制體做的功=控制體內(nèi)能增加量被轉(zhuǎn)換為內(nèi)熱源的熱能總和。k-ε方程用于描述湍流流動(dòng)中的剪切應(yīng)力和湍動(dòng)粘度，由兩個(gè)偏微jj1.3電磁損耗模型電機(jī)熱量來源于電磁損耗，不同工況下電磁損耗大小不同，本文中采用電機(jī)極限工況(低速爬坡)下的損耗作為電機(jī)的發(fā)熱量。將電機(jī)損耗分為端部繞組銅耗、槽內(nèi)繞組銅耗、定子鐵耗。1)繞組銅耗計(jì)算對(duì)m相電機(jī)的繞組銅耗可用式(6)計(jì)算另一部分繞組幾乎不受磁場影響，二者表面集膚效應(yīng)不盡相同[14]。受繞組本身趨膚效應(yīng)的影響；二者渦流損耗不同導(dǎo)致槽內(nèi)繞組與2)定子損耗計(jì)算定子損耗主要由渦流損耗、磁滯損耗及異常損耗組成。當(dāng)電機(jī)通入交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生交變的磁場，交變的磁場在定子以及轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出交變的電流，稱之為渦流，會(huì)造成渦流損耗。同時(shí)，由于存在磁滯現(xiàn)象產(chǎn)生磁滯損耗。另外，根據(jù)Berttotti的鐵耗分離模型[15]，電機(jī)運(yùn)行過程中還存e為異利用上述方法，計(jì)算得到電機(jī)極限工況下的損耗如表1。值轉(zhuǎn)速/（rad˙m-1）1.4邊界條件在仿真計(jì)算開始前，需要正確設(shè)置計(jì)算的邊界條件，包括材料屬性定義、體積熱源添加、仿真基本假設(shè)等。電機(jī)各部件由不同材料組成，需正確定義材料屬性。電機(jī)各部件材料及其屬性如表2所示。密度/(kg˙m-3)導(dǎo)熱系數(shù)/(W˙m-1˙K-1)油銅2)體積熱源極限工況下電機(jī)各部件生熱已由表1給出。在計(jì)算時(shí)，將熱量等效為由各部件均勻產(chǎn)生，因此需要計(jì)算各部體積發(fā)熱功率/(W˙m-3)3)仿真假設(shè)利用ANSYS-FLUENT進(jìn)行仿真計(jì)算，為在不影響精度的前提下氣隙的傳熱，整個(gè)電機(jī)熱量全部由冷卻油帶走；b）冷卻油從入口處均勻流入，設(shè)計(jì)流量為8L/min，初始油溫為80℃;c）將冷卻油視為不可壓縮流體，不考慮電機(jī)外部油路循環(huán)，設(shè)置出口邊界條件為壓力出口；d）計(jì)算穩(wěn)態(tài)結(jié)果，不考慮瞬態(tài)溫度影響；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電機(jī)冷卻油入口直徑為8mm，設(shè)計(jì)冷卻流量為8L/min，計(jì)算得到電機(jī)入口冷卻油速度為2.7m/s；冷卻油入口溫度80℃。2.1網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證數(shù)值模擬精度受網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格質(zhì)量的影響，網(wǎng)格質(zhì)量不好可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂甚至計(jì)算錯(cuò)誤，而網(wǎng)格數(shù)量及質(zhì)量又直接格無關(guān)性驗(yàn)證，保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量及數(shù)量能滿足要求。且網(wǎng)格數(shù)量為150萬時(shí)，模型的誤差降至0.5%以下，滿足了工程計(jì)算對(duì)網(wǎng)格既要求精度高，又盡可能計(jì)算迅速的要求。因此后續(xù)仿真中，劃分網(wǎng)格數(shù)量保持在150萬。2.2冷卻油流動(dòng)特性分析當(dāng)冷卻油道流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，由圖4(a)電機(jī)冷卻油道速度分布云圖可圖4(b)為冷卻油道壓力分布云圖，油道入油口處壓力最大為2.3電機(jī)溫度場分布分析電機(jī)繞組及定子溫度分布如圖5所示，槽內(nèi)繞組與定子接觸產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，定子表面與冷卻油直接接觸帶走熱量。因此，槽內(nèi)繞組為間接冷卻，冷卻條件較差，溫度較高。流效應(yīng)，局部對(duì)流換熱系數(shù)增強(qiáng)，端部繞組平均溫度低于槽內(nèi)繞過電機(jī)冷卻油出口中心點(diǎn)做x-y平面，觀察該平面上的冷卻油流動(dòng)情況及端部繞組溫度分布情況如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，油液經(jīng)過螺旋油道進(jìn)入出口油碗后，其沿y軸正方向速度較大，導(dǎo)致沿y軸負(fù)方向進(jìn)入出口油碗的流量較??；同時(shí)，油液靠近電機(jī)殼體側(cè)的流量大于靠近定子側(cè)流量。基于以上分析，端部繞組處流量的不均勻分布導(dǎo)致電機(jī)端部繞組溫度的不均勻分布甚至出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。電機(jī)各部件最高溫度如表4所示。端部繞組因浸沒在油中冷卻具有較高的對(duì)流換熱系數(shù)，其平均溫度較低為133.1℃;但因油碗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，端部繞組處的流量分布不均出現(xiàn)了局部熱點(diǎn)，最高溫度為161.3℃,見圖6(b)，超過了電機(jī)絕緣等級(jí)要求的最高溫度155℃,因此需要對(duì)油碗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以期度相差不大，槽內(nèi)繞組最高溫度為159.0℃,定子鐵心最高溫度為159.2℃,溫差僅為0.2℃,但同樣超過了電機(jī)絕緣等級(jí)要求的最因此，需要對(duì)冷卻定子鐵心的螺旋油道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以保證3.1電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)溫度出現(xiàn)在端部繞組處，為161.3℃,高于F級(jí)絕緣材料的耐受溫度，可能會(huì)燒穿絕緣層引起繞組短路，嚴(yán)重影響電機(jī)使用壽命；分析過程中，均以端部繞組最高溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來反應(yīng)電機(jī)溫冷卻油經(jīng)油泵泵入電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)完成對(duì)電機(jī)的冷卻，此過程中需要克服冷卻系統(tǒng)阻力完成完整的循環(huán)過程?？捎美鋮s油流動(dòng)的壓降來反應(yīng)冷卻油道阻力的大小。因此，冷卻結(jié)構(gòu)的壓降也作為電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖7為油冷電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。為研究各參數(shù)對(duì)電機(jī)最高溫度與壓降的影響，需控制變量，研究單因子變化對(duì)溫度與壓降的影響。843.2端部繞組端面到油碗距離對(duì)電機(jī)溫度的影響端部繞組端面到油碗距離對(duì)電機(jī)溫度的影響如圖8所示。隨著h的增大，端部繞組處油液的流動(dòng)速度減小，湍流效應(yīng)降低，對(duì)流換熱系數(shù)減小，帶走的熱量減少，引起端部繞組最高溫度升最高溫度為161.3℃,升溫溫差為3.2℃。冷卻油經(jīng)入口流入入口油碗時(shí)，隨著繞組端面到油碗距離h的增大，流動(dòng)突擴(kuò)現(xiàn)象加強(qiáng)，其局部損失增大；同時(shí)，冷卻油經(jīng)出口油碗流出電機(jī)時(shí)，流動(dòng)突縮現(xiàn)象增強(qiáng)，局部沿程損失幾乎不變，因此整個(gè)流動(dòng)的損失增大，壓降略有升高。最大壓降為61.3kPa。3.3端部繞組外表面到油碗距離對(duì)電機(jī)溫度的影響端部繞組外表面到油碗距離對(duì)電機(jī)溫度的影響如圖9所示。增大x2的值，端部繞組最高溫度增大，同時(shí)冷卻油道壓降降低。這是因?yàn)殡S著x2增大，流過繞組外表面冷卻油流速降低，對(duì)流換熱系數(shù)降低，導(dǎo)致端部繞組溫度升高。電機(jī)最高溫度為176.2℃,可見，x2對(duì)電機(jī)最高溫度影響較大。隨著x2的增大，冷卻系統(tǒng)的壓降略有降低，壓降最大值為這是因?yàn)閤2增大，冷卻油的過流面積增大，相同流量下流動(dòng)速度3.4油道截面長度對(duì)電機(jī)溫度的影響油道截面長度a對(duì)電機(jī)溫度影響如圖10所示。隨著油道截面長a的增加，雷諾數(shù)降低，努塞爾數(shù)減小，對(duì)流換熱系數(shù)降低；同時(shí)a增大，增加了對(duì)流換熱面積，換熱面積增加的速度大于換熱系數(shù)減小的速度，因此油液帶走的熱量仍然增加,定子及槽內(nèi)繞組溫度均降低，端部繞組與其傳熱增加，端部繞組溫度降低，最高溫度為161.4℃?？梢姡偷澜孛骈La對(duì)端部繞組最高溫度影響較小。壓降最大值為101.1kPa?？梢?，油道截面長度a對(duì)冷卻系統(tǒng)壓降具有較大影響。3.5油道截面寬度對(duì)電機(jī)溫度的影響努塞爾數(shù)降低，導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)下降，油帶走的熱量減少，定子及槽內(nèi)繞組溫度逐漸升高；端部繞組與槽內(nèi)繞組熱傳導(dǎo)降低，端部繞組溫度略微升高，最高溫度為161.5℃。油道截面寬b對(duì)端部繞組溫度影響不大。壓降最大值為303.9kPa?？梢?，油道截面寬度b對(duì)冷卻系統(tǒng)壓降影響極大。3.6端部繞組內(nèi)表面到油碗距離對(duì)電機(jī)溫度的影響端部繞組內(nèi)表面到油碗距離x1對(duì)電機(jī)溫度影響如圖12所示。增大x1的值，端部繞組最高溫度降低，同時(shí)冷卻油道壓降幾乎不這是因?yàn)殡S著x1增大，流過繞組內(nèi)表面冷卻油流量更大，內(nèi)外表隨著x1的增大，冷卻系統(tǒng)的壓降幾乎不變。這是因?yàn)閤1增大,流過端部繞組內(nèi)表面冷卻油的流速略有降低，沿程阻力損失可以幾乎不計(jì)?？梢妜1對(duì)壓降的影響極小，可以忽略不計(jì)。綜合上述分析，可定量描述各參數(shù)對(duì)溫度及壓降的影響如表6所示，表中，“+、-”表示結(jié)構(gòu)參數(shù)的增大對(duì)響應(yīng)的影響情況，在對(duì)端部繞組最高溫度的影響因素中，h，x1，x2對(duì)溫度的影響hab上述分析分別考察了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)電機(jī)溫度及壓降的影響，但對(duì)變量之間的交互作用研究不足；同時(shí)，每個(gè)參數(shù)對(duì)響應(yīng)的影響程度不同，需要進(jìn)行靈敏度分析來明確每個(gè)參數(shù)對(duì)響應(yīng)的靈敏度，用以篩選對(duì)響應(yīng)影響較大的參數(shù)，減少優(yōu)化過程中的試驗(yàn)計(jì)算次數(shù)，提高優(yōu)化效率。4.1參數(shù)靈敏度分析為了減少試驗(yàn)次數(shù)與減輕計(jì)算復(fù)雜程度，基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，建立五因素兩水平正交試驗(yàn)表，總共進(jìn)行8次試驗(yàn)[13]。根據(jù)電機(jī)熱仿真模型獲取每次試驗(yàn)的響應(yīng)值。基于方差的靈敏度分析方法，測量每個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)響應(yīng)值的靈敏度指數(shù)，第i個(gè)優(yōu)化變量對(duì)第j個(gè)優(yōu)化目標(biāo)靈敏度Sj(Xi)計(jì)算方法如下[16]：j為第j個(gè)優(yōu)化目標(biāo)；本文中涉及兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，每個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)不同的優(yōu)化目標(biāo)表現(xiàn)用綜合靈敏度指標(biāo)來定量表示設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的綜合影響程度，綜合靈敏度計(jì)算如下[17]：1(xi)，S2(xi)分別代表設(shè)計(jì)變量對(duì)溫度和壓降的靈敏度，ω1和ω2為設(shè)計(jì)目標(biāo)權(quán)重，權(quán)重滿足ω1+ω2=1。設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度如表7所示。i)/%i)/%hab在后續(xù)分析中，將固定x1值保持不變，認(rèn)為響應(yīng)與x1無關(guān)。優(yōu)化過程的結(jié)構(gòu)組合大大減小，提高了優(yōu)化效率。4.2響應(yīng)面建模代替真實(shí)響應(yīng)面，建立輸入變量對(duì)輸出變量的關(guān)系模型。本文中采用二階多項(xiàng)式構(gòu)建代理模型，其表達(dá)式為[18]響應(yīng)面建模過程中常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，采用不完全因子設(shè)計(jì)，具有試驗(yàn)次數(shù)少與試驗(yàn)效率高的優(yōu)點(diǎn)；其中試驗(yàn)效率定義為變量數(shù)除以試驗(yàn)次數(shù)。其試驗(yàn)次數(shù)N與試驗(yàn)因素?cái)?shù)量的關(guān)系為[19]。N=2(k-1)+co（11）電機(jī)端部繞組最高溫度Tmax、冷卻系統(tǒng)壓降ΔP作為輸出響應(yīng)；根據(jù)BBD方法設(shè)計(jì)27次試驗(yàn)進(jìn)行仿真計(jì)算，可得到各待定系數(shù)0011444.3NSGA-II算法帶精英策略的非支配排序的遺傳算法(non-dominatedsortinggeneticalgorithmII)是一種經(jīng)典的多目標(biāo)優(yōu)化算法，是對(duì)遺傳算法的一種拓展，通過非支配排序和擁擠距離的機(jī)制，能夠同時(shí)保持個(gè)體多樣性和分區(qū)優(yōu)化，增加搜索空間的覆蓋率，從而避免使用NSGA-II算法，對(duì)表8中擬合出的響應(yīng)面模型求最優(yōu)化。優(yōu)化模型參數(shù)設(shè)置如下：種群大小400，交叉因子0.6，變異概通過NSGA-II算法求得滿足條件的可以看出，最高溫度與壓降之間成相互制約的關(guān)系，一個(gè)目標(biāo)得到優(yōu)化就會(huì)犧牲另一個(gè)目標(biāo)的性能。道壓降過大，冷卻液油泵需要的功率越大，不利于經(jīng)濟(jì)性；因此，權(quán)衡溫度與壓降后所選取的最優(yōu)解。4.4優(yōu)化結(jié)果分析優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比見表9。目標(biāo)多因素優(yōu)化可以充分考慮各參數(shù)間交互作用的影響。h84x1x2ab4選取最優(yōu)點(diǎn)B的設(shè)計(jì)變量組合進(jìn)行仿真計(jì)算，與優(yōu)化前模型進(jìn)行電機(jī)最高溫度由161.3℃下降至139.7℃,降幅為13.4%，且降同時(shí)，可以看出優(yōu)化后繞組及定子溫度分布比較均勻，繞組前側(cè)降幅為40.1%，冷卻結(jié)構(gòu)壓降的降低，有利于減小油泵功率，提1)建立油冷電機(jī)流固耦