冷却水流速对汽车水冷电机温升影响研究.docx

1、电机与控制学报ELECTRICMACHINESANDCONTROL冷却水流速对汽车水冷电机温升影响研究李翠萍，柴凤，程树康(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：为获得水冷电机的最佳流速，基于传热学及流体力学理论推导了水冷电机的冷却水流速与电机内部温度的关系。冷却水层流时，电机温度随着流速的增大下降明显；冷却水素流后，对电机冷却效果进一步增强，但随流速继续增大，电机温度降低程度随冷却水流量增加将出现热饱和；建立了水冷感应电机热网络模型，基于此模型计算了电机额定负栽运行稳态温升及不同流速时电机绕组及定子艇部的温度分布；实验测试了样机额定运行及不同冷却水流速时的电机温

2、升。仿真及实验结果与理论分析结果相一致，验证了理论推导的正确性，为水冷电机选择合理的冷却水流速提供参考依据。关键词：电动车；水冷电机；冷却水流速；温升；热网络法中图分类号:TM301.4文献标志码：A文童编号：1007-449X(2012)09-0001-08Researchontheeffectsofcoolingwatervelocityontemperatureriseofthewater-cooledmotorinelectricvehiclesLICui-ping,CHAIFeng,CHENGShu-kang(SchoolofElectricalEngineeringandAutom

3、ation,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Inordertoattaintheoptimalvelocityofwater-cooledmotorscoolingwater,therelationshipbetweenvelocityofwater-cooledmotor'scoolingwaterandmotortemperaturewasderivedbasedontheheattransferandhydrodynamictheory.Motortemperaturedecreasedmorewit

4、htheincreaseofvelocity,whencoolingwaterwasinlaminarflow.Wheninturbulentflow,thecoolingeffectonthemotorwasfurtherenhanced,however,withthevelocityincreasing,motortemperaturedroppedtoheatsaturationwithincreasingcoolingwaterflow.Inthispaperamodelofwater-cooledinductionmotorbasedonthethermalnetworkwasest

5、ablished.Thesteady-statetemperatureriseofmotorunderratedloadwasobtainedandthetemperaturedistributionofthewindingandthestatoryokewasalsocalculatedwhenindifferentvelocityofcoolingwater.Experimentswereconductedonaninductionmotorprototypetomeasurethetemperatureofthemotorunderratedloadandinvariousflowrat

6、esofcoolingwater.Thenumericalsimulationresultsandexperimentalresultsareconsistentwiththetheoreticalanalysisresults,whichprovesthecorrectnessoftheoreticalderivation.Thestudyinthispaperprovidesareferenceforthewater-cooledmotorselectingtherationalvelocityofcoolingwater.Keywords：electricvehicles；water-c

7、ooledmotors;velocityofcoolingwater；temperaturerise；thermalnetwork收稿日期：2012-04-04基金项目：国家自然科学基金（51077023）；中央高校基本科研业务着寺项资金（HIT.1CRST.2010013）作者简介：李草萍（1982），女，博士研充生，研究方向为M324-用电机电砧场及温度场的做值分析计算；柴风（1973）,女，落士，教授，研究方向为永磁电机设计研完；程树康（I946-）,男，段授，博士生导师，研究方向为楹稔电机及其型功控制、电动车电整动系统。通讯作者：李掌萍0引言微型电动车因其众多优点近年来发展迅速。驱动电

8、机是微型电动车的核心。微型车用电机供电电压较低,为满足功率要求,电机将连续运行于较高电流的条件下，这将导致电机损耗及温升增加，电机效率下降，甚至引起电机过热故障。因而,为保证电机运行的可靠性,对电机的有效冷却至关重要C近年对电动车用电机冷却结构的相关研究已有一些，文献2对电动车用开放式风冷电机单向通风冷却结构进行研究,分析近肋壁处将有气流分离,并提出定子铁心内部及外部双冷却通路的改进方案。文献3-5提出电动车用定子匏部埋有冷却管道的定子膂片直接冷却的电机结构，并进行了相关热分析。但微型车用电机体积小、结构紧凑，内部冷却结构的设计将大大增加机械加工难度，因而，希望通过电机机壳冷却结构获得最大的冷

9、却效果。文献6对混合动力车用水冷感应电机进行了热场分析，得到电机稳态及瞬态温度分布；文献7J分析了不同机壳冷却结构对电机的冷却效果，得出圆周型机壳冷却结构冷却效率更高。文献8对进、出水曰及水路结构的设计对水流量的影响进行研究，并指出随水流量的增加，电机绕组温度降低存在热饱和区，但并没有给出定星分析。近年对电机机壳冷却结构的研究已有一些，但对于流速对电机温度影响的相关研究还很少，然而，当机壳结构一定时，冷却水流速及流体温度是影响冷却效果的直接因素。流速对电机温升影响的定量分析可避免过小流速对电机冷却不充分，或过大流速带来的能量损失。本文基于传热学及流体力学理论推导了全封闭水冷电机内部温度与冷却水

10、流速间关系式;建立了微型车用全封闭水冷感应电机热网络模型，计算了额定状态下电机各部分的温度分布及电机额定运行，不同冷却水流速时电机定子绕组及定子貌部温度，并对相应样机进行实验测试。1冷却水流速对电机温度影响本文所研究电机为全封闭水冷感应电机,冷却水路结构为轴向直槽水路，电机结构如图1所示。电机主要参数为:Pn=4kW,“N=34V,定子30槽,转子26槽，气隙0.45mm,铁心长90mm。电机机壳水道尺寸为：水道壁直径183mm,水道高5mm,沿周向共24条水道，相邻水道间隔5mm。在水道结构一定情况下，影响电机内部温降的直接因素为冷却水的流动形态、流速及冷却水温度。流体流动有层流和紊流两种形

11、态，以临界雷诺数Rec=2320作为判别标准，当Re<Re<时,流动为层流；Re>Re,时,流动为紊流。层流流体质点互不混杂，层次分明；紊流流体质点互相混杂，形成紊乱的流动形态。流体的流动形态与流速有关，通常以冷却水吸收功率与流体温度的增加及水的热容址比值作为流速的选取标准,冷却水流速为式中:P为水吸收的功率（电机的总损耗功率），W；p为水密度,kg/m3；cp为冷却水的定压比热容J/（kg为水道截面积，m。兀、网分别为进水及出水温度,丁。3）水冷感应电机横截面图图1水冷电机结构图Fig.1Structureofthewater-cooledmotor以式（1）为选择标准存在

12、以下两个缺点，一是需要实验测钺进出水温度其次是所得流速为将电机损耗产生热量:全部带走所需的最小流速,并非为最合理的值。流速选择过小，不能对电机进行充分冷却;流速过大，将需要更大的泵功率驱动，造成能童损失。为选择合理的流速，本文结合传热学理论及流体相似性理论推导出水道中冷却水流速与电机内部温度间关系式，为推导此关系式.对电机进行如F简化:不考虑转子影响，并将由定子铁心、定子绕组、绝缘及槽楔等组成的复杂的定子结构等效为一导热系数为丸的均匀发热体，等效定子单位体积产生的热量为q.'W/m*采用如下等效方法计算，即qPeulKul+4ej+R'etv=LlK/上，(2)q-Qqvi_v

13、°式中：Q为平均等效损耗;p项为定子绕组铜耗，吃i为绕组体积为定子齿部损耗(杂散损耗的1/2计入定子齿部损耗)，Vj为齿部体积；P胸为定于扼部损耗,*ej为貌部体积;气为定子等效体体积。Ae按式(3)求取为IIAe=(3)式中:入j(i=l,2,3,)为定子各部分的平均导热系数,W/(mK)；0(i=l,2,3，)各部分的径向等效厚度,m。通过以上假设，可将'电机热分析等效为带有内热源的一维稳态导热问题。取电机一条水道宽为研究对象，由导热微分方程推得定子等效体径向中心的温度为式中：7为定子外圆温度,入，为等效定子体的径向导热系数，叫为定子外径,R”为定子内径。设水道底部的温度

14、为4,内机壳即水道壁中热流密度为常量们0=队(R-%)/2,可得TT们如牝I2的,2=77=A；(5)(5)式中:幻为内机壳水道底壁厚,m；Ah为水冷机壳径向导热系数，W/(m-K)。根据对流换热系数定义有aa(6)式中：7；为冷却水温度,为冷却水与水道底对流换热系数,W/(m2-K)o由式(4)式(6)得定子等效体径向中心温度为+粕号)(寸)(土勺。(7)又对流换热系数a与流体物性、流动形态及换热面的表面状况等因素有关。根据流体的相似性准则0-"1，有NuAfa=O，我=令,(8)人fRe理*式中:Nu为流体的努赛尔特数;Pr.为流体的普朗特数;名为流体导热系数,W/(m-K)中为

15、流体的动力粘度，Pas凹为流体运动粘度,m2/so勺恒压热容J/(kg-K)；Re为流体雷诺数;p为流体密度，kg/m3；v为流速,m/s；Z)为特征尺寸，m。本电机机壳水路为轴向直槽水路结构，水道近似为长方形体结构，因而，式(8)中，特征尺寸D采用当最直径de求取，即式中:S为湿周，m。Re和Nu与流体的流动形态有关，当Re<2320时,流体的流动为层流。本电机水路截面近似为矩形,Nu的计算式为:Nu=7.49-17.02+22.43(-mmJL30.0655斜】+0.04(RePff牛)(10)式中:、m分别为流体过流水路截面高及宽,m;/,为水道长度,m。当Re>2320时，

16、流体的流动为紊流.Nu采用Gnielinski公式计算，有Nu=0.012(Re087-280)Pr?(11) 式中：Pr”为由壁面温度L确定的流体普朗特数工为管道长度。将式(8)中流体雷诺数Re表达式代入式(10)或式(11)，并将式(1。)或式(11)代入式(8)中对流换热系数a表达式，将所得的对流换热系数a表达式代入式(7),从而得出定子等效体径向中心温度与冷却水流速间关系。冷却水达到紊流后，定子等效体径向中心温度与流速间关系为5嗷捋)"(号)估斜.。学如(令厂一濒时叫钠(颖二冷却水流动为层流时，定子等效体径向中心温度与流速间关系为(12) 由本电机水路结构尺寸求得，冷却水的临

17、界流速为0.295m/so由式(12)和式(13)分别得出冷却水流动为紊流及层流时，电机内部温度随流速的变化曲线如图2所示，水温261。(«)层流时电机内部温度随流速的变化曲线(b)紊流时电机内部温度随流速的变化曲线图2电机内部温度随流速的变化曲线F岫.2Internaltemperatureofthemotorversusvelocityofcoolingwater对比图2(a)、图2(b)可见，水道中冷却水为素流时对电机内部冷却效果明显，此时电机内部温度明显低于冷却水层流时电机内温度；由图2(a)可见，电机内部温度随着流速的增大明显下降，此时，流速越大，冷却效果越好；由图2(b)

18、可见，电机内部温度随着流速的增大，开始阶段迅速下降，但随着流速的继续越大，出现了热饱和区，此时为使电机内温度进一步降低，将需要极大提高冷却水流速,带来更多的能量损失。因而,对于冷却水路结构一定的情况下，并不是流速越大,冷却效果越好，实际应用中应选择合理的流速C2等效热网络法的电机温度计算为验证以上理论分析，建立电机等效热网络模型，分析电机内部温度随机壳冷却水流速及水温的变化。2.1电机等效热网络模型建立等效热网络法是以热路为基础通过网络拓扑计算电机整体及局部温度分布的方法。为建立电机集中参数热网络求解模型,对电机做如下假设：1) 电机各部分材料为各向同性介质；2) 全部损耗均转化为热最,被冷却

19、水带走；3) 气隙及机内端部空气均为等温体；4) 忽略集肤效应的影响。根据传热学理论，对于各向同性介质，三维稳态热传导微分方程为(14)式中：r为物体的温度,£；人为物体的导热系数，w/(m.K)s为单位体积产生的热揪,W/m'c热网络法”65)的基本思想是将电机求解区域进行剖分，以各剖分单元中心为节点，热源集中分布于节点，各节点通过热导联系起来。采用热网络法对方程式(14)求解，将物体温度7离散为各节点温度,Q由各部分热源损耗计算。热网络模型的节点反映了电机关键部件的温升；图3为所建立的稳态热网络模型。图3中，7。为环境温度节点，n为轴承温度节点，&为机内端部空气温

20、度节点，八为机壳温度节点,兀为定子扼部温度节点，乌为定子绕组温度节点为定子齿部温度节点，7；为转子铁心温度节点,孔为转轴温度节点为导条温度节点，八。为端环温度节点，儿为定子绕组端部温度节点；K为轴承与外部环境间热阻2为轴承与机内端部空气间热阻，冬为机壳与机内端部空气间热阻，出为机壳与外部对流热阻,田为机壳与定子貌部间热阻,R6为机内端部空气与定子貌间热阻，&为定子辘与绕组间热阻，&为定子貌与定子齿间热阻,&为机内端部空气与定子齿间热阻,Ko为定子绕组与定子齿间热阻,怡|为气隙热阻为机内端部空气与转子铁心间热阻,足3为转子铁心与导条间热阻，&4为转子铁心与转轴间热

21、阻,Rs为机内端部空气与转轴间热阻，足6为端部空气与端环间热阻,R”为端环与导条间热阻,足8为机内端部空气与定子端部绕组间热阻，用9为定子绕组与定子绕组端部间热阻;R为轴承摩擦损耗,为内部风耗,入为定子辄部铁耗,R为定子齿部铁耗,入为定子有效绕组铜耗,P6为转子导条损耗,P7为转子端环损耗,R为定子端部绕组铜耗。图3电机稿态热网络求解模型Fig.3Solvingmodelofmotorsteady-statethernudnetwork2.2热源及费敷计算2.2.1热源计算热源为电机运转过程中产生的各种损耗，本文电机的热源主要分布于定子有效绕组、定子端部绕组、定子粗部及齿部、转子导条及端环中。

22、各部分损耗计算如下：1) 欧姆损耗:欧姆损耗包括定子有效绕组、端部绕组损耗,转子导条及端环损耗,其损耗与流过定子、转子绕组电流的平方及电阻成正比。绕组电阻与导体的电阻率及导体长度成正比，与导体截面积成反比。导体的电阻率随温度的变化而改变，温度为：时的电阻率©为p,=Pi,l+0.004(15)。(15)式中0,为15Y时铜的电阻率。2) 铁心损耗:铁心损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗，其值与频率/和磁通密度B有关。铁心损耗的计算式为(16)TooJ100式中:P*为铁心损耗Wh为磁滞损耗系数;C为涡流损耗系数;m为质最酒为硅钢片的厚度。根据电机极数,本文电机为2极,取定子匏部铁耗为P胸

23、=0.8P%,齿部铁耗为牝-Ppeio3) 机械损耗:机械损耗主要由轴承摩擦损耗、通风损耗等组成。机械损耗参见文献9计算。杂散损耗按定、转子齿部各占1/2施加热源。2.2.2参数计算电机为外部机壳冷却结构，电机内部热量主要以热传导方式将热量传递到机壳表面，被机壳表面的冷却水带走，因而电机热阻主要包括电机内部传导热阻及机壳水道壁面与冷却水间的对流换热热阻。传导热阻r的计算式为(17)式中:佐为传导热阻,K/W；Z为热传导所经路径长度,为导热面积,m：对流换热热阻为(18)(18)R*式中:乩为对流换热热阻,K/W；Xa为表面积,m由计算所得的电机各部分热阻及热源,建立电机热平衡方程组为GT-WO

24、(19)式中:G为热导矩阵,G=1/R,R为热阻矩阵；T为节点温度列阵;W为节点热源损耗列阵。由式(19)所建电机节点热网络方程，求解得电机各部分温度。3数值计算结果及分析3.1电机额定运行时温度分布根据图3热网络模型建立的热网络方程组，将电机各部分热源损耗、热阻及边界条件赋给相应方程，计算电机额定运行时的稳态温升，冷却水流速1.274m/s,水温26勾，环境温度26V.，所得计算结果如表1所示。由表1可见，温升稳定后，转子导条温度最高，定子绕组及绕组端部温度亦较高，定子齿部和扼部温度较低，机壳温度最低。这是因为电机内部散热条件较差，加之气隙热导率低，由于气隙的隔热作用，使得转子处温度最高。定

25、子绕组是电机的主要热源，且电机定子槽内材料复杂，包括绝缘、浸渍漆、空气等，影响槽内绕组散热，因而绕组温度偏高，绕组端部靠机内空气向机壳及端盖散热，散热条件较差,故其温度高于定子有效绕组,定子铁心直接与冷却机壳接触，故其温度较低。表1电机额定运行时的稳态温度Table1Steadytemperatureofmotorunderratedoperating部件温度部件温度/宅定于匏46.9定子齿60.2定子绕组104.0机壳29.4定子绕给端部112.7转于佚心117.0转于导条117.73.2不同流速时电机内温度变化以热网络模型计算电机额定运行，不同冷却水流速时电机定子绕组和定子辄部温度变化，室

26、温26Y,水温26T,所得计算结果如图4、图5所示。(a)层流时电机定予绕组温度随流速变化(b)层流时电机定子貌部温度随流速变化图4层流时电机定子绕组及貌部温度随流速变化Fig.4Temperatureofthestatorwindingandtheyokeversusvelocityinlaminarflow由图4可见,冷却水层流时，定子绕组及定子辄部温度随着流速的增大而迅速下降；随着流速的增加，冷却水进入紊流阶段,各流体质点互相掺混，冷却效果进一步增强，电机内部温度进一步下降。如图5所示,随着流速的继续增大，出现水流域热饱和区，电机绕组及辄部温度随着流速的增大变化缓慢，即若想进一步降低电机

27、温度，将需要更大的冷却水流速，此时会带来更多的泵功率损耗。因而实际应用中应选择临界饱和的素流流速。(a)素流时电机定子绕给温度随流速变化(b)素流时电机定子能部温度随流速变化图5素流时电机定子绕组及貌部温度随流速变化Fig.5Temperatureofthestatorwindingandtheyokeversusvelocityinturbulentflow对比图4、图5和图2可见，电机内温度随着流速变化趋势一致，图4、图5与图2中所得温度值的差别是由于理论推导时对电机模型的简化造成的.简化的定子等效体结构简单，与实际的定子体相比,其导热及散热条件好，因而等效体温度偏低c由图可见冷却水层流区

28、及紊流区内，电机内部温度随流速变化趋势的仿真结果与理论推导结果相符，又由图5和图2(b)可见，电机内部温度随流速变化趋于饱和时的流速均为约1m/s,因而可验证理论推导的结果是有效的。4电机温度实验研究样机在额定运行时,改变冷却水流速情况下，对电机温度进行了实验测试,试验平台如图6所示。图6电机温升测试试验台Fig.6Temperaturetestplatformofthemotor4.1额定负载运行时电机的温度为了测试电机内部温度，在实验电机相应位置埋置热电阻，实验测试了电机额定负载运行时，电机绕组温度、绕组端部温度、定子铁心温度及进出水水温。测得电机各部分的温度曲线如图7所示，室温26X.，

29、冷却水流速1.274m/s,初始水温26丁，电机温升稳定后，进水温度30.2Y,出水温度32.5T。”min图7电机各部分实验温度曲线Fig.7Temperaturecurvesofvariouspartsinthemotor由图7可见，电机温升稳定后，绕组部分温度明显高于其它部位温度，端部绕组温度高于定子有效绕组，定子貌部温度较低，所得实验结果与表1所得计算结果一致。由表1及图7对比可见，实验测试结果与计算结果存在一点偏差，分析可能由于热网络模型对电机模型简化带来的计算误差以及电机实际加工过程中受绕组绕制、浸漆质量及装配间隙等影响带来的工艺误差而引起。热网络法计算快速、对计算机要求不高，其温

30、升计算结果在电机设计及优化中具有较高的参考价值。4.2不同流速时电机的温度实验测试电机额定运行,不同冷却水流速时电机定子辗部、定子有效绕蛆的温度变化。流速通过流量计测得。因本实验中流速的大小靠进水阀门调节，不便于平滑调节，因而选取三组流速1.274m/s、1.048m/s及0.538m/s进行实验测试，水温26X.,所得实验结果如图8、图9所示。图8不同流速定子统组温度Fig.8Temperatureofthestatorwindingwithdifferentwatervelocity"min图9不同流速定子貌部温度Fig.9Temperatureofthestatoryokewi

31、thdifTerentwatervelocity图8、图9中，冷却水流速均为素流状态，流速由0.538m/s增加到1.048m/s,电机定子绕组及定子弛部温度均有明显下降；当流速继续增大，由1.048m/s增加到1.274ni/s时，电机定子扼部及定子绕组温升降低很小，此时冷却水流速已近热饱和区。对比图9与图2(b)和图5(b)可见，实验结果与理论推导及数值计算结果相吻合，验证理论推导的正确性。还可看出，本文电机的最合理流速在1m/s左右。5结论本文结合传热学及流体力学理论对水冷电机冷却水流速与电机内部温度关系式的理论推导，及基于热网络法的微型电动车用水冷感应电机额定运行状态及不同冷却水流速时

32、电机定子绕组、定子辘部温升的研究，和相关的样机实验验证.得到如下结论：1) 水冷电机冷却结构一定时，冷却水流动形态为素流时,对电机内部冷却效果更强；2) 冷却水为层流流动时，电机内各部分温升随着流速增加明显降低；3) 冷却水达紊流后，电机内各部分温度随冷却水流速增加，呈由大幅降低到基本不变的逐渐饱和趋势，实际应用中应选择紊流区接近饱和的流速值。本文所作研究不仅适用于微型车用水冷感应电机,对于所有内部无冷却结构、机壳水冷结构电机均适用。参考文献：1 郭伟，张承宁.车用水磴同步电机的铁耗与瞬态温升分析J.电机与控制学报，2009,13(1)；83-87,92.GUOWei,ZHANGChengni

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