永磁同步轮毂电机冷却系统研究.pdf
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1、永磁同步轮毂电机冷却系统研究迟恩岩(大庆炼化公司黑龙江大庆)摘 要 轮毂电机具有传动效率高、体积小、重量轻等优点在电动车领域应用越来越广但随着对汽车起步性能、加速性能和爬坡性能要求提高电机功率逐渐提高而电机安装空间并没有增加反而对电机结构紧凑性和轻量化要求增加这样使得电机温升控制尤为重要因此现以.轮毂电机为例通过电机损耗计算电磁场理论分析并通过有限元软件对水冷结构温度场进行分析得出最佳的冷却参数和水冷管路结构 关键词 轮毂电机温度场有限元软件水冷管路结构:./.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()().引言空间狭小和高功率密度必然导致轮毂电机产热量增加而散热更加困难温度升高会引起电机永磁体
2、永久退磁导致绝缘材料使用寿命下降同时对电机内部焊接接头强度起到不利影响目前越来越多学者开始研究轮毂电机温升问题在计算电机损耗方面目前运用较多是 年意大利学者创立的三项式分离模型该模型将磁场完全正弦化因此与实际有一定误差 后期其他学者在此基础上对模型进行修正得到更加精确计算随着计算机技术发展有限元分析软件逐步分析电机各部位损耗变化结果更加直观 本文先对永磁同步轮毂电机铁心损耗、绕组铜耗、永磁体涡流损耗进行计算然后对电机不同运行条件下的温度场进行分析最后模拟不同冷却结构参数对电机温升影响得出改善电机温升措施 电机损耗分析永磁同步轮毂电机主要包括定子铁心、绕组、轴、机壳以及冷却系统等电机在进行电能转
3、化为机械能时有一部分能量损耗这部分损耗能量最后转变为热量导致电机温度升高根据路况和行驶状态不同本文以.轮毂电机为例对正常运行、爬坡运行、加速行驶情况下损耗进行计算图 轮毂电机.电机铁耗铁耗在电机运行过程中占比最大包括磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗 其中前两项损耗是由于主磁场在定子铁心和转子铁心中较变引起的 附加损耗是空载时气隙中磁场引起的和负载运行电流增加引起的损耗 这三种损耗在工程上主要采用 的三项分离理论计算 .()由于磁场不是严格的正弦波因此需要进行修正具体计算公式如下 ()()()计算出不同情况下铁耗变化曲线见图 从图中可以看出汽车在爬坡时铁耗最小在高速运行时铁耗最大这是因为转速增加铁心
4、中涡流损耗急速增加导致高速时损耗迅速加大 同时可以看出电机过载时铁耗不会有大的增加铁耗只与转速有直接关系?/W24020016012080400图 铁耗变化曲线.绕组铜耗铜耗又叫电气损耗是绕组中电流引起的电阻发热损耗永磁同步轮毂电机因转子无绕组只有定子铁心有绕组因此焦耳热主要在定子绕组产生计算见式()其中电流值为相电流的有效值 为绕组相数电阻 因与温度有关电机在运行时温升增加阻值变大因此按式()进行计算()()()绕组铜耗计算结果见图 随着转矩增加即爬坡过程电机中电流增加较多焦耳热产生最多而额定运行和高速运行时损耗最小?/W8007006005004003002001000图 铜耗变化曲线.永
5、磁体涡流损耗永磁体涡流损耗是电机通电后产生谐波而且定子因开槽原因存在非正弦波的磁动势这些变化磁场在永磁内产生损耗 这部分损耗包括内部涡流损耗和外部集肤损耗 建立三维模型见图 通过 计算结果见图 图 三维模型?/W490420350280210140700图 涡流损耗曲线 温度场分析利用三维软件建立电机模型见图 因在电机传热过程中辐射传热较少可以忽略重点计算对流和热传导 通过有限元分析软件模拟温度场结果见图 从图中可以看出机壳表面温度最低为 转子温度最高为 图 三维模型Temperature107.83100.4793.1185.7578.3971.0263.6656.3048.9441.573
6、4.2126.85c图 三维温度场 冷却结构设计轮毂电机功率密度提高导致有较高的温升按照实际的冷却方式需求选择水冷结构 选择了两种水道结构进行建立分别是轴向 型和周向螺旋型并分析其冷却效果进而找到更为优化的水道为其下面的分析作为参考 其水道横截面积都是 水道的隔水台设计的宽度均为.内径为 外径为 条周向螺旋型水 条轴向“”字型水道根据/.要求电机的低温工作极限数值为零下在高温工作中的极限数值为零上拟定温度环境为 电机的冷却水路采用了速度入口与压力出口相结合入水口的流动速度设定为./出水口压力设置为标准大气压 为了设计方便使电机的入水口和出水口尽可能保持在同一侧水平线上具体结构如图、图 所示其中
7、冷却液的流动状态与电机的温度分布和其散热的情况也有关联图 轴向 型图 周向螺旋型.冷却水道宽度的影响可以通过改变对流的散热系数与散热面积来改善冷却效果通过改变水道宽度来改变水冷结构的散热面积水道数目为 条入水口的温度设置为冷却液的流动速度确定为./选取了宽度为 的水道来了解水道宽度对电机的温升以及对水道流阻的影响采用 软件进行仿真结果见图 从图中可以看出水道横截面积的增大明显对电机整体的温升有一定的改善从 增到 的过程中绕组的最高温度整体降低了 左右永磁体的温度也降低了左右在 期间温度降低比较快之后的温度则逐渐趋于平稳在 时绕组的最高温度为达到了 永磁体的最高温度达到转子的温度最高为 定子铁心
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