扁线油冷电机端部绕组传热特性研究

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永磁同步电机由于其效率高、扭矩密度大等特点而备受新能源汽车行业青睐;而扁线电机相较于圆线电机,由于其具有槽满率高、直流电阻低、端部长度短、效率更高等优势,因此其被学者广泛关注并被企业应用于第四代丰田Prius、雪佛兰Volt、比亚迪秦系列、大众i D.4等产品上。电机运行温度直接影响电机运行性能,如电机温升过高将会使永磁体发生退磁,高效的电机冷却设计可以使电机冷却消耗泵功最小,同时有效降低电机工作温升。本文搭建了一套液体压力循环管路以来模拟实际电机运行过程中端部绕组不同喷油冷却工况;探究了电机的损耗组成,分析了试验测试中探究的电机零转速工况对应的电机实际堵转工况测试数据;探究了采用不同冷却方案对电机零转速工况下扁线电机端部绕组喷油冷却传热特性的影响;抽取了扁线电机端部绕组的真实流体域模型,在电机零转速工况下通过流体仿真计算探究得到了采用不同冷却方案对对流换热系数值大小的影响;将试验测试得到的经过冷却后的端部绕组温度结果与流体与传热耦合仿真计算得到的温度结果进行了对比;此外通过仿真计算方法简单分析了试验探究方案之外的喷嘴到端部绕组距离因素对扁线电机端部绕组喷油冷却传热特性的影响。本文主要研究结论如下:(1)对扁线电机端部绕组喷油冷却传热特性进行了试验研究,研究发现喷油油温固定为80℃时,当喷油流量为6L/min,喷嘴布置个数为11个、喷嘴布置角度为200°,采用扇形喷嘴冷却时其端部绕组表面温度传感器测量得到的温度的方差值最小;当喷油流量为6L/min,喷嘴布置个数为9个、喷嘴布置角度为160°,采用扇形喷嘴冷却时传感器测量得到的温度的平均值最小。喷油流量的增加可以增大喷嘴喷液的出口速度,从而提高其冷却能力。当相邻布置喷嘴的喷液覆盖角度小于其喷嘴布置角度时,采用喷液覆盖角度比较大的喷嘴冷却时其冷却更为均匀。喷嘴数量的增加可以使电机端部绕组整体冷却均匀性更好,但喷嘴布置角度超过180°时会产生额外的损失,且喷嘴数量的增加会降低单个喷嘴的喷油流量。当喷油油温降低时,各点处传感器测量得到的温度值降低,但测量得到的温度方差值变大。(2)对扁线电机端部绕组喷油冷却传热特性进行了仿真计算研究,研究发现固定喷油油温为80℃时,当喷油流量为6L/min,喷嘴个数为7个、喷嘴布置角度为120°,采用扇形喷嘴冷却时仿真计算得到的整体对流换热系数值最大。在不同方案下仿真计算得到的上半区(4、5、6区即喷嘴喷液直接覆盖区域)、1区(垂直方向上电机端部绕组最底端区域)和整体的对流换热系数值基本随着喷油流量的增加而增大;喷嘴喷液直接覆盖区域4、5、6区处对应计算得到的对流换热系数值高于依靠重力渗流冷却区域1、2、3区处计算得到的对流换热系数值;当喷嘴个数增加时,采用柱形喷嘴冷却时计算得到的2、5、6区对流换热系数值随之减小,3区的对流换热系数值随之增大,1区的对流换热系数值先减少后增加,4区的对流换热系数先增加而后减少;当采用锥形喷嘴与扇形喷嘴冷却时计算得到的5、6区和整体的对流换热系数值随之减少,3区的对流换热系数增加,而1、2、4区对流换热系数值先增加后减少;当喷油油温升高时,仿真计算得到的整体的对流换热系数值随之略微增大。(3)基于流体仿真计算热物性结果进行了流热耦合仿真计算,将传热仿真计算温度结果与试验测试结果进行了对比,对比发现传热仿真计算得到的经过冷却后的端部绕组的整体温度平均值为93.36℃,与试验测试中传感器测量得到的整体温度的平均值相差4.7℃;通过对比温度结果,可以认为基于建立的三维有限元模型仿真计算得到的结果是较为准确的。
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