电动汽车用高功率密度电机散热分析.pdf
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电动汽车用高功率密度电机散热分析.pdf
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摘摘要要随着汽车工业的发展,汽车产销量逐年递增,在为人类交通带来便利的同时,也造成了环境问题、能源问题。
化石能源短缺问题日益严重,研发电动汽车既能满足清洁能源的使用要求,又能进一步减少排放,有利于人类健康可持续发展。
电动汽车用驱动电机因其工作于汽车内部,需要在有限体积输出更高的功率,也即要求驱动电机具有较高的功率密度。
在电机效率一定的条件下,功率密度的提高势必带来损耗的增加,由于损耗而产生的发热将更为显著,高温不利于电机的正常工作,易造成绝缘老化甚至烧毁电机,因此如何有效散热成为车用高功率密度电机的研究重点。
本文针对电机散热系统主要做了如下研究。
首先,通过流固耦合的方式,利用有限元方法分析了三种典型水套结构(环形水套、螺旋形水套、轴向形水套)的散热能力。
应用传热学基本原理,建立了三种结构模型,讨论了三种水套结构内流体的速度变化。
依据速度场结果计算对流传热系数,继续研究水套温度分布情况从而分析三种水套结构的散热能力。
其次,讨论了改变水套的结构参数对于水套散热能力的影响。
通过研究不同水槽宽度、深度的变化对于冷却剂流速场的变化,可进一步推知水套的冷却能力,研究了结构参数变化与冷却效果好坏的关系。
再次,讨论冷却剂的变化对于水套冷却效果的影响。
其中主要包括在不同流速下采用同种冷却剂时水套的冷却效果和应用不同种类冷却剂对于散热能力的影响。
讨论不同流速下水套的冷却效果,研究流速变化对冷却的影响。
研究用水、不同比例水与乙二醇混合溶剂和冷却油作为冷却剂其冷却效果的好坏。
最后,对螺旋形水套结构进行温升实验,通过对比实验结果与仿真结果情况证明采用流固耦合和有限元方法所得到仿真结果的正确性,和基于各仿真结果所做出的结论适用于实际情况。
关键词:
高功率密度;温度场;水套;计算流体动力学;有限元IABSTRACTWiththedevelopmentofautomobileindustry,theincreasingvehicleproductionandsaleshelptransportdevelopment,butitcausesenvironmentalproblemsandenergyproblems.Electricvehicledrivemotorislimitedvolumewhichworksinvehiclebutitshouldhavehigheroutputpower,whichrequiresthedrivemotorhasahigherpowerdensity.Ontheotherhand,thehighpowerdensityincreasedloss.Duetotheloss,theheatgeneratedwillbemoresignificantwhichcouldeasilyleadtoinsulationagingandevenburningmotor.Sohowtomaketheheatdissipationeffectivebecomesaresearchpriority.Inthispaper,themotorcoolingsystemismainlymadethefollowingstudy.Firstly,usingfluid-structureinteractionandfiniteelementmethodtoanalyzethreetypicalwaterjacketstructurecoolingcapacity.Applicationthebasicprinciplesofheattransfer,establishthewaterjacketsmodels,discussedthreewaterjacketfluidvelocity.Usingtheresultsofvelocityfieldcalculatetheconvectiveheattransfercoefficientandstudythetemperaturedistributionofeachwaterjacketandanalyzethecoolingcapacityofthethreewaterjacket.Secondly,discussrelationshipbetweenthestructuralparameterschangeandthewaterjacketcoolingcapacity.Bystudyingthedifferenttankwidthanddepthmodelresearchtherelationshipbetweentheseparametersandthewaterjacketcoolingcapacity.Thirdly,discusshowthecoolantflowrateschangeincoolingsystemandusingdifferentcoolantaffectsthecoolingcapacity.Differentflowrateswillchangetheconvectiveheattransfercoefficientsandeffectswaterjacketcoolingcapacity,sodousedifferentcoolant.Usingwater-coolingoilandwaterandethyleneglycolsolventascoolantmodethecoolingsystemandstudyeachtemperaturedistribution.Finally,thetemperatureexperimentofspiralstructurecoolingsystemiscarried.Comparingtheexperimentalresultswiththesimulationresultsprovethefluid-structureinteractionandFEMsimulationhavecorrectresults.KEYWORDS:
HighPowerDensity;TemperatureField;WaterJacket;ComputationalFluidDynamics;FiniteElementMethodII目录摘要.IABSTRACT.II目录.III第一章绪论.11.1课题的来源及意义.11.2电机散热与温升的研究.31.2.1电机冷却方式.31.2.2电机散热的温度场及流体场研究现状.51.2.3存在的问题.61.3本课题的主要研究内容.6第二章典型电机水冷系统冷却效果对比.82.1温度场有限元方法与计算流体动力学(CFD)原理.82.1.1温度场有限元方法.82.1.2计算流体动力学(CFD)原理.102.2电机水冷系统模型建立.112.3流体速度场的分析.132.3.1流体速度场分析.132.3.2流体速度场仿真结果.142.4冷却系统温度场分析.162.4.1流体无相变对流传热及对流传热系数计算.162.4.2电机冷却系统仿真结果及分析.17第三章不同尺寸水冷系统的冷却效果分析.203.1水槽宽度变化对冷却效果的影响.203.2不同水槽深度的冷却效果研究.25第四章冷却剂状态对冷却效果的影响.304.1不同冷却剂流速的散热效果分析.304.2典型冷却剂的散热效果对比.35第五章高功率密度电机冷却系统实验研究.385.1测温元件的选取.385.2实验系统的设计.39IIIIV5.3实验结果.40第六章结论.42参考文献.44发表论文和参加科研情况说明.47致谢.48第一章绪论第一章绪论1.1课题的来源及意义随着汽车工业的发展,汽车的日产量逐年递增,在为人类交通带来便利的同时,也造成了环境问题、能源问题。
化石燃料等不可再生能源的枯竭,将为汽车的发展带了严重阻力。
2011年英国石油公司全球首席经济学家克里斯多夫鲁尔博士在北京发布的BP世界能源统计年鉴中提到全球石油储备可用54年,而化石燃料以87%的市场份额仍然主导者全球能源消费。
为代用化石燃料,人类正不断开发新型汽车,其中最为突出的是电动汽车。
电动汽车采用电机驱动,应用电能代替传统能源,而电能是绿色可再生能源,既解决了汽车能源面临的危机,又不会对环境造成污染,因此电动汽车具有广泛的发展前景。
电动汽车用驱动电机在不同历史时期有所区别。
最早使用的直流电机,由于其具备优良的控制性能、启动转矩大等优点,日本大发HIJET电动汽车与法国雪铁龙SAXO电动轿车均使用直流电机。
但直流电机的缺点在于存在有刷换向,在运行过程当中负载大转矩易出现环向环火导致电机损坏,其功率密度一般较低,换向器及电刷也制约了直流电机的转速,其最高转速在6000-8000r/min,现已很少采用直流电机作为驱动电机。
随着微电子、计算机技术及电力电子技术的发展,对异步电机的控制已能满足电动汽车的要求,异步电机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高等特点,目前欧洲与美国所研制的电动汽车多以异步电机作为驱动电机,如美国通用公司的Impact电动轿车采用额定功率50kW的异步电机,美国特斯拉汽车公司的电动汽车采用了峰值功率185kW的三相四极异步电机、德国宝马公司的BWME1电动汽车使用了额定功率32kW的三相异步电机、同时日本日产汽车公司的NissanFEV采用了额定功率20kW的感应电机。
永磁同步电机与直流无刷电机以其宽调速范围和高效率、高功率密度成为电动汽车驱动电机的良好选择,永磁电机根据磁钢的摆放方式分为径向式、切向式和混合式,其结构更为灵活。
1996年丰田汽车公司纯电动汽车RAV4EV采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机,最大功率为50kW。
1998年尼桑公司研发的新一代小型电动客车驱动电机采用了钕铁硼永磁体,最大功率62kW,电机重量39kg,功率密度1.59kW/kg。
日立制作的纯电动汽车驱动电机最大输出功率62kW,1第一章绪论功率密度1.667kW/kg,最高效率达到96%。
开关磁阻电机具有效率高成本低、可实现在四个象限运行、结构简单等特点,也将逐步应用于电动汽车驱动电机。
驱动电机作为电动汽车的核心部件,为满足汽车的使用需要,必须具备如下特性:
1)宽调速范围,作为电动汽车用驱动电机,必须能够在大范围内完成调速任务以满足汽车的行驶需要。
2)低速大转矩特性,在电动汽车启动过程当中能输出大转矩。
3)体积小、重量轻,减小整车质量,在有限的车内空间中占用较小部分。
4)高效率,宽恒功率范围,降低损耗,提高一次充电电动汽车可行驶里程数。
5)运行安全可靠,汽车作为普遍交通工具,应具有高安全性,因此要求驱动电机运行安全可靠。
6)价格低,为普及电动汽车,电动汽车驱动电机价格不宜过高。
根据以上特性,既需要减小体积重量,又要求驱动电机具有较高的输出功率和效率,也即要求驱动电机在有限的空间内尽可能输出较高的功率,这就要求电动汽车用驱动电机应具有较高功率密度。
功率密度有两种定义方法,一种定义是质量密度,即单位质量所产生的功率,单位kW/kg,另一种是体积密度,即单位体积所产生的功率,单位kW/L。
其中质量密度概念应用较广,但针对一些无铁芯电机,其质量密度较大但不能较好衡量电机功率密度,因为不存在铁芯,因此电机净重较小但体积较大,此时应使用体积密度概念对电机功率密度进行评价。
高功率密度电机的概念最早起源于航天领域,以其在较小体积下可输出更高功率著称,美国ABLE公司生产的电机功率密度为1.74kW/kg。
随着电动汽车用驱动电机功率密度的提高,也即在一定体积下电机的输出功率更高,假设效率不变,则会产生更多损耗,这些损耗将产生更多热量。
由于电机散热能力有限,如果无法有效散发多产生的热量,则会使电机温度提高。
电机绕阻电阻具有正温度特性,当电机温度提高时将绕阻电阻变大,根据Pcu=I2R,电机铜耗将进一步增大,则会产生更多热量,使电机温度加剧。
因为大多数电气绝缘材料也是热得不良导体,在电机整体温度提高时,绝缘材料的温度更高,而高温将破坏绝缘材料的物理结构,使绝缘老化甚至绝缘破坏。
温度的升高也会使电机承受更大热应力,造成电机结构变形,影响电机运行。
对于永磁电机,电机温升将导致永磁体不可逆退磁。
因此如何解决电动汽车用高功率密度电机的散热问题直接关系到电机能否正常运行,如何在提高电机功率密度的同时,改善电机散热使其能有效散出由于功率密度提升而带来的多余热量具有实际意义。
2第一章绪论1.2电机散热与温升的研究在电机完成机电能量转换的同时,不可避免由于摩擦、电流的热效应等产生能耗,并最终成为热量,这些热量一部分通过散热机构完成与环境的热交换,而另一部分则带来电机温升。
得益于新材料的应用、电力电子技术的发展和新型电机结构的出现,电机的功率密度正不断增高,同时也加剧了电机损耗和温升。
为保证电机能安全可靠运行,提高电机散热能力十分必要。
1.2.1电机冷却方式电机功率密度的提高,主要取决于对电机电磁负荷和材料的利用,而为了保证电机的正常运行,电机冷却技术的应用是必要的。
由于损耗产生的热量主要通过冷却系统中的冷却介质带走,不同的冷却介质其冷却效果有所差别,冷却介质需满足如下要求:
1)导热系数高,具有较好的传热能力。
2)质量热容或汽化热大,在冷却介质相同温升情况下可带走更多热量。
3)密度小,驱动此种冷却介质更容易,损耗较小。
4)粘滞系数小,在相同速度下阻力较小。
5)介电常数高,化学性质稳定,无毒,无腐蚀性,价格低。
电机冷却方式按冷却介质主要分为气体冷却和液体冷却两种。
气体冷却采用不同冷却介质可分为氢气冷去和空气冷却,其中氢气冷却主要应用于大型发电机组,在大型同步发电机空芯铜导线中通入氢气进行冷却。
空气冷却是应用最广泛的冷却方式,其优点在于结构简单,成本较低,缺点是空气的冷却效果差,缩短绝缘材料寿命,在高速电机中引起的摩擦损耗较大。
在小型异步电机中多采用封闭循环系统,也即内部风路与外部风路分开,在内部使用电机同轴风扇带动气流通过风道冷却电机并将热量传到机壳表面,在利用自然冷却方式或强迫风冷吹拂电机外表面带走机壳热量以起到散热目的。
小型同步电机和直流电机则采用开路循环系统,内风路与外风路形成串联循环系统对电机进行冷却。
空冷机构按通风方向可分为径向冷却和轴向冷却,径向通风系统温度分布比较平均,轴向通风系统由于单面进风,在冷却过程中冷却介质温度升高,易产生轴向温度梯度,但由于轴向通风流阻较低,通风损耗较小。
针对电动汽车用驱动电机,由于体积较小,不宜采用径向通风冷却。
美国特斯拉电动汽车驱动电机在电机外部使用了轴向强迫风冷方式如图。
3第一章绪论液体冷却主要有水冷、油冷以及混合溶液冷却方式。
水冷却系统利用水具有较高的比热容对电机进行冷却。
在大型电机中,让净化水从绕组铜线中流过,称之为水内冷,定转子均采用此种水冷的方式称为双水内冷,在我国起步较早,1958年上海电机厂研制了第一台125MW级双水内冷汽轮发电机。
在中小型电机中,则利用在电机机壳开设水套的方法,通以冷却水从而冷却电机,根据冷却水套的设计方法不同可分为轴向水套、周向水套和螺旋水套水冷结构。
在相同水套冷却机构中,还可通入混合溶液进行冷却,目前比较常见的是应用水与乙二醇以一定比例混合作为冷却剂,利用混合溶液凝固点较低,可使应用此种冷却方式的电机工作在更为恶劣的环境。
利用油的绝缘特性,可将油通入电机内进行直接油冷,其优点在于增大了电机内部传热系数,改善了电机传热效果,提高了电机散热能力,缺点是油阻力较大,增大了电机摩擦损耗,降低了效率。
有时,将几种冷却方式并用,形成混合冷却系统,丰田Prius电动汽车驱动电机外部采用水乙二醇混合冷却剂进行间接冷却,内部灌入绝缘油进行直接冷却如图。
随着冷却技术的发展,新型冷却方式相继出现,其中比较典型的是利用液体汽化传递热量的蒸发冷却方式。
因为液体的汽化热远远大于由于液体温升而伴随的热量变化,利用汽化方法可以更有效的对电机进行冷却。
主要的冷却剂有氟利4第一章绪论昂、水等。
氟利昂低沸点,化学性质稳定,是典型的冷却介质。
以水做为冷却介质优点在于价格便宜,且水的热学参数较好,具有更好的传热性能,缺点则是易腐蚀电机材料、产生水垢。
蒸发冷却也可同时与水冷相结合,即内部使用蒸发冷却方式,外部使用水冷方式,这样既保证了电机内部温升平均,又能有效带走热量。
1.2.2电机散热的温度场及流体场研究现状目前已有很多学者对电机散热结构设计,电机温度场、流体场分布,电磁场与温度场耦合等方面进行了深入的研究。
在电机温度场研究方面,研究电机损耗,以此为热源使用直接耦合或间接耦合的方法对电机内部温度场进行分析。
文献1应用有限元仿真软件对电励磁同步电机进行了分析,电机采用带有散热筋外壳进行自然冷却,经分析得到电机内部绕阻温升较高。
在对电机内部温度场的仿真当中,由于电的不良导体往往也是热得不良导体,因此在绕阻外的绝缘漆也使由于铜损而产生的热量无法有效散发,积聚在绕阻内部造成局部温升严重2-4。
文献5和文献6着重介绍了对电机绕阻以及绝缘层进行等效的方法,并通过仿真和实验给出了该等效的可靠性。
电机温度场计算方法有集中参数等效热路法、热网络法和有限元法,文献7分别采用等效热路法与热网络法对电机温度场进行仿真分析,对比实验结果得出结论热路法计算温度场的准确性可以接受,同时大大减少计算量与计算难度,可作为永磁电机前期温升设计的校核方法。
文献8在电机启动制动等瞬态过程中的温度分布做了仿真和分析,在同轴风扇自扇冷却过程中,电机温度分布具有轴向梯度特性,在瞬态过程中最早绕阻发热,但由于外水套冷却作用,当电机进入稳定运行时两端无水套部分出现最热点。
文献9讨论了电动汽车用感应电机采用螺旋水套在不同冷却水流速下温度分布情况,冷却水流速对定子影响较大而对转自影响较小。
文献10对电动汽车用感应电机在不同冷却结构下的温度分布进行了分析,得到了风冷、轴向水冷与螺旋水冷情况下的温度分布,并进一步对不同冷却液的冷却效果进行了分析。
在讨论电机散热结构及散热效果方面,通过对不同散热结构进行建模,应用计算流体动力学(CFD)进行仿真研究。
风冷电机应用空气作为冷却介质,结构简单成本较低,但很难做实验观察空气流动情况与仿真结果进行对比,文献11提出了以水流代替空气通入塑料模型进行实验的方法,通过实验验证了仿真结果的准确性。
自扇冷却电机的风扇机构对于送风效率及散热的影响尤为重要,文献12采用了双风扇结构,以增大一定风磨损耗为代价大大提高了风冷效率,文献13着手与电机端部过热现象,优化风扇位置以降低电机端部最热点温度。
为减少由5第一章绪论于风扇产生的噪声,改变扇叶形状,以正弦方式分布既可保证送风量,又大大减小了噪声14。
水冷电机结构较风冷复杂,在不同水套分布情况所得到的散热效果也有所不同,文献15通过对螺旋水套、环形水套、轴向水套及混合水套的建模,以流体流动情况分析散热能力及各个水套的流体特性,综合流阻与散热效果得出环形水套散热效果最好。
在研究水冷结构的过程中。
文献16提出了将水套展开成平面的研究方法,着重分析了不同进水管结构对流速的影响,优化进水倒角尺寸,采用了热成像技术对电机温升进行了实验,经改进得出了较好的散热效果。
水管截面形状不仅影响水流速度,也关系到冷却剂与水套表面接触面积影响散热效果,文献17在对比不同截面形状后得出了椭圆形截面冷却效果较好。
通过对水套的仿真可得到水套表面对流换热系数,即表征两种介质接触面热交换的能力,以此评价流体散热效果18。
文献19介绍了对流换热系数在不同情况下的计算方法和计算流体场需注意的问题,对研究不同电机冷却系统内流速场和散热效果的计算起到了指导作用。
1.2.3存在的问题目前对电机散热的研究主要以大型电机为主,这主要是因为大功率所产生的损耗相对较大,易于产生局部过热,因此更应该了解其温度分布并合理安排散热。
但随着电机功率密度的提升,中小型电机在相同效率情况下所产生的损耗也不容忽视,分析高功率密度电机的散热方面的文章较少。
在电机温度场分布问题上,已有大量学者进行了讨论,在了解电机内部热点分布的情况下,如何设计散热结构以提高散热效果降低温升成为研究重点,而散热离不开冷却介质的流动,分析冷却剂的流体场并进一步研究散热效率的文章不多,且多数局限于只研究流速场,并应用计算结果粗略计算对流换热系数,以此为依据评价散热效果。
文献20通过流固耦合研究电机散热对电机温升的影响,虽计算结果优于仅考虑对流换热系数单方面研究流体场的相关内容,但由于使用等效热网络法,其计算精度不高。
因此在流固耦合研究电机散热方面有很大的研究空间。
1.3本课题的主要研究内容本课题主要应用有限元法和计算流体动力学方法对电机冷却系统内的温度场和流体场进行分析,采用有限元分析软件对求解域模型进行仿真并分析结果,加以实验验证仿真的准确性,具体工作如下:
1)通过对三种典型水冷冷却结构(即轴向水套、周向水套与螺旋水套)进行流6第一章绪论7固耦合分析,采用直接耦合的方法仿真,对比各水套的流阻,通过流速的变化分析水套内对流传热系数的改变,分析温度分布,比较三种水套的优劣。
2)对水套结构参数进行改变,分析不同水槽宽度、深度对冷却效果的影响,建立相应水套模型,进行流固耦合仿真,通过对比一系列改变宽度、深度模型的冷却效果提出如何通过改善水槽宽度、深度来提高水套散热能力。
3)讨论不同流速对于冷却效果的影响,采用施加不同压差的方法改变水套内部冷却剂流动状态,分析由于流速的改变对于冷却效果的影响。
针对不同冷却剂进行流体和温度场的仿真,对比各种冷却剂的冷却能力。
4)通过对电机进行温升实验,验证仿真结果的正确性。
第二章典型电机水冷系统冷却效果对比第二章典型电机水冷系统冷却效果对比2.1温度场有限元方法与计算流体动力学(CFD)原理2.1.1温度场有限元方法电机在运行过程当中存在损耗,而这些损耗将最终以热的形式耗散,因此在电机运行过程当中,电机温度场问题属于一个有热源的导热体。
在对电机温度场的分析中,现比较常用的三种分析方法分别为:
等效热路法、等效热网络法、温度场有限元方法。
其中等效热路法主要通过将求解域温度场简化为集中参数热网络模型,经过计算求得电机各部分的平均温度,由于其集中参数的使用,使本方法计算简单效率较高,缺点在于只能对电机各部分平均温度进行分析,结果不够精确。
等效热网络法应用图论原理,对求解域进行网格划分,将连续求解域离散化为节点,再利用集中参数描述各节点之间的关系,经过数值计算求得温度场分布,这种方法比等效热路法结果精确,但需要对求解域进行合理的划分网格和等效集中参数假设,复杂程度增加。
随着计算机技术的发展,计算机辅助仿真计算正得到广泛应用,因此温度场有限元方法正成为针对温度场仿真计算的主要计算方法,下面将着重介绍这种方法的原理。
在电机中存在的两种常见的传热形式为导热与对流换热,根据导热基本定律:
物体内部任意位置处的导热热流密度与该点的温度梯度成正比,即:
ddTqAn(2.1)其中q为热流密度,为热流量,A为传热面面积,为导热系数,T为温度,n为法向单位向量。
将导热物体某点分割为平行六面体微元,通过导热基本定律可得导热微分方程:
222vv2
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