文章來源：1株洲中車時代電氣股份有限公司2中車株洲電力機車研究所有限公司 國內(nèi)乘用車驅(qū)動電機大多采用永磁同步電機，隨著電機高功率密度、小型化發(fā)展的趨勢，電機溫升的問題越發(fā)突出 。國內(nèi)乘用車驅(qū)動電機繞組絕緣大多采用H級（少量采用F級）絕緣系統(tǒng)，當繞
文章來源：1株洲中車時代電氣股份有限公司2中車株洲電力機車研究所有限公司
國內(nèi)乘用車驅(qū)動電機大多采用永磁同步電機，隨著電機高功率密度、小型化發(fā)展的趨勢，電機溫升的問題越發(fā)突出 。國內(nèi)乘用車驅(qū)動電機繞組絕緣大多采用H級（少量采用F級）絕緣系統(tǒng)，當繞組溫度過高時，會大幅降低絕緣壽命，甚至導(dǎo)致電機故障。
無論是在車輛實際運行過程中，還是電機溫升試驗時，電機的冷卻液進口溫度都可能存在較大差異，這就導(dǎo)致了不同冷卻液進口溫度下電機溫升可能存在差別。但在實際電機溫升試驗中， 很多廠家錯誤地認為不同進口水溫下電機溫升差別不大，針對冷卻液進口溫度對電機溫升的影響及原因還鮮有研究。為更準確地分析電機溫升狀態(tài)，對冷卻液進口溫度對電機溫升的影響開展研究是十分必要的。相同運行工況下，冷卻液進口溫度對電機溫升的影響主要有以下兩個方面：（ 1）冷卻液溫度不同時，冷卻液的熱物性有所變化，從而影響電機冷卻；（ 2）冷卻液溫度不同，導(dǎo)致電機最終溫升不同，使電機損耗不一致。本文以一款本公司開發(fā)的乘用車永磁驅(qū)動電機為研究載體，采用仿真和試驗的方法，研究冷卻液熱物性和電機損耗變化對溫升的影響。乘用車用永磁同步驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)如圖 1所示。電機為全封閉結(jié)構(gòu)，采用機殼外水冷對電機進行冷卻。繞組上的銅耗和定子鐵心上的鐵耗產(chǎn)生的熱量先傳遞到機殼水道表面，再被循環(huán)冷卻液帶走。根據(jù)電磁計算，本電機在額定工況（ 3550r/min32kW）下的損耗為：定子銅耗726W，定子鐵耗246W，轉(zhuǎn)子鐵耗38.6W，永磁體損耗13W。其中，銅耗是按照銅線在100℃下的電阻計算所得。本電機的冷卻條件為：冷卻液為 60%乙二醇水溶液，流量為8L/min，電機進水口溫度根據(jù)分析要求不斷調(diào)整；電機處于60℃的環(huán)境中。本研究中冷卻液熱物性以進水口溫度作為參考溫度， 60%乙二醇水溶液在不同溫度下的熱物性參數(shù)如表1所示。為研究冷卻液進口溫度對電機溫升影響，采用 CFD（ComputationFluidDynamie，計算流體力學(xué)）方法對電機不同進口溫度及不同物性參數(shù)下的電機溫升進行仿真計算。對模型中不影響計算精度的局部細節(jié)幾何特征進行合理的簡化處理，建立的電機熱仿真全模型如圖2所示。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，在絕緣區(qū)域予以加密，并在水道表面進行壁面邊界層網(wǎng)格加密處理，最終模型總網(wǎng)格數(shù)為 852萬。計算基于有限元仿真平臺，采用流-固耦合方法對水冷電機溫升進行仿真。仿真邊界條件為：（ 1）電機額定工況各個部分的損耗均勻加載在對應(yīng)部件上；（ 2）冷卻介質(zhì)的物性根據(jù)不同的進口溫度，按表1進行設(shè)置；（ 3）進口冷卻液流量為8L/min，進口溫度與物性參考溫度相同；（ 4）電機表面自然對流散熱，由于電機溫度較低，計算時忽略輻射的影響。對額定點工況溫升進行穩(wěn)態(tài)求解，迭代至電機內(nèi)溫度場穩(wěn)定，最終計算殘差小于 10-4。計算收斂后，提取電機繞組溫升。需要說明的是，繞組溫升定義為繞組溫度減去冷卻液進口溫度。冷卻液進口溫度對電機溫升的影響主要有以下兩個方面：為研究以上兩個因素對電機溫升的影響程度，通過仿真分別予以研究。這里先研究熱物性變化對電機溫升的影響。通過理論分析的方式，推導(dǎo)冷卻液進口溫度導(dǎo)致的冷卻液熱物性變化對電機溫升的影響。對于管內(nèi)對流換熱，其對流換熱系數(shù)計算經(jīng)驗公式為 ：h=A·ρ m ·η n-m ·C n ·λ 1-n其中： h—對流換熱系數(shù)；Nu—換熱努謝爾數(shù)；Re—流動雷諾數(shù)；η—動力粘度； λ—導(dǎo)熱系數(shù)；L—特征長度；u—流速；C—比熱容；（ 1）冷卻液溫度升高，冷卻液密度降低，對流換熱系數(shù)減小，溫升升高；（ 2）冷卻液溫度升高，冷卻液比熱容升高，對流換熱系數(shù)增大，溫升降低；（ 3）冷卻液溫度升高，冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)增大，對流換熱系數(shù)增大，溫升降低；（ 4）冷卻液溫度升高，冷卻液粘度降低，對流換熱系數(shù)增大，溫升降低。根據(jù)表 1可知，冷卻液進口溫度從15℃上升到65℃時，其它熱物性變化幅度相對較小，對溫 升影響也較小；而粘度變化劇烈，故認為粘度變化是導(dǎo)致電機溫升變化的主要因素。因此，根據(jù)理論推算，冷卻液進口溫度越高，水道換熱性能越好，電機溫升越低。針對以上理論推導(dǎo)，下面將通過數(shù)值仿真的方式予以驗證。仿真時假設(shè)電機各部分損耗不隨溫度變化，按前文中的損耗進行設(shè)置；根據(jù)表 1，分別計算不同溫度下電機溫升；同時，為探究到底是哪一個因素主要導(dǎo)致電機溫升的變化，假定冷卻液進口溫度變化僅導(dǎo)致密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度中一個量的變化，采用單一變量法對此進行研究（假設(shè)其它不變的熱物性參數(shù)，都與65℃下的熱物性相同）。計算得到冷卻液進口溫度改變時，單一物性變化和物性綜合變化對電機繞組溫升的影響見圖 3。由圖 3可知，冷卻液進口溫度從15℃上升到65℃后，電機繞組溫升降低約1.66K，其中粘度變化引起的溫升降低約1.53K，密度變化引起的溫升增加約0.06K，比熱容變化引起的溫升降低約0.1K，導(dǎo)熱系數(shù)變化引起的溫升降低約0.12K。以上各個熱物性變化對電機溫升的影響均與理論推導(dǎo)完全吻合。同時，粘度變化是熱物性變化中影響電機溫升的主要因素，這是由于溫度變化對粘度的變化影響顯著，而其它物性參數(shù)對溫度不敏感。仿真的結(jié)果是：隨著冷卻液進口溫度的升高，電機溫升略有降低，這說明隨著冷卻液進口溫度的升高，冷卻液換熱能力略有提升。但總體來講，冷卻液進口溫度變化導(dǎo)致的熱物性變化對電機整體溫升的影響很小，如冷卻液溫度變化并非很大，可以不予考慮。實際工程應(yīng)用中的電機溫升情況常與仿真結(jié)果相背離。冷卻液進口溫度變化導(dǎo)致的損耗變化將影響電機的溫升。當冷卻液進口溫度改變時，電機絕對溫度也會隨之變化，而損耗也會有所改變， 從而影響電機溫升。而銅耗對電機溫度最為敏感，由于銅導(dǎo)線的電阻隨溫度近似于線性增長，因此隨著冷卻液進口溫度的上升，銅耗也會顯著增加，從而導(dǎo)致電機溫升增大。為此，將分別采用仿真和試驗兩種手段對冷卻液進口溫度變化導(dǎo)致的損耗變化對電機溫升的影響進行分析。分別對冷卻液進口溫度為 25℃、45℃和65℃下的電機溫升進行仿真。不同進口溫度下的冷卻液熱物性按表1進行加載，同時，認為其它損耗不隨電機溫度變化，僅設(shè)置繞組上的銅耗隨銅導(dǎo)體溫度實時變化。加載的銅耗為：銅耗 =726×（t+235）/（100+235）W其中： t—計算中的銅導(dǎo)體溫度（迭代計算獲得℃） 同時，按照《 GB/T18488.2－2015電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)第2部分：試驗方法》的要求，在額定工況下對電機開展溫升試驗，試驗現(xiàn)場如圖4所示。試驗保持其它條件不變，調(diào)節(jié)電機冷卻液 （ 60%乙二醇水溶液）的進口溫度分別為25℃、45℃和65℃，獲得電機溫度穩(wěn)定后的繞組溫升，結(jié)果如表2所示。可以看到，在考慮銅耗隨溫度變化后，根據(jù)仿真結(jié)果，隨著冷卻液進口溫度從 25℃升高到65℃時，電機溫升從64.1K上升到71.6K，增加了7.5K，變化明顯。而實際溫升試驗結(jié)果顯示，隨著冷卻液進口溫度從25℃升高到65℃，電機溫升從68K上升到73.9K，增加了5.9K，與仿真結(jié)果基本吻合。結(jié)合前文分析，冷卻液進口溫度升高導(dǎo)致的電機溫升變化，主要是由電機整體溫度場變化引起損耗改變而造成的，而冷卻液的熱物性變化導(dǎo)致的冷卻性能的改變絕非主要因素。通過對一款乘用車用永磁驅(qū)動電機在不同冷卻液進口溫度下溫升的分析、仿真和試驗，研究了冷卻液進口溫度對電機溫升的影響。由于冷卻液粘度明顯降低，導(dǎo)致水道冷卻性能略有提升； 但由于電機溫度整體升高，導(dǎo)致繞組電阻增大，損耗明顯升高。兩者間損耗改變的影響占主導(dǎo)地位；冷卻液熱物性變化的影響占次要地位。因此，電機冷卻液進口溫度升高，電機溫升會增加。
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