冷卻水流速對汽車水冷電機(jī)溫升影響研究.docx

1、電機(jī)與控制學(xué)報ELECTRICMACHINESANDCONTROL冷卻水流速對汽車水冷電機(jī)溫升影響研究李翠萍，柴鳳，程樹康(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)摘要：為獲得水冷電機(jī)的最佳流速，基于傳熱學(xué)及流體力學(xué)理論推導(dǎo)了水冷電機(jī)的冷卻水流速與電機(jī)內(nèi)部溫度的關(guān)系。冷卻水層流時，電機(jī)溫度隨著流速的增大下降明顯；冷卻水素流后，對電機(jī)冷卻效果進(jìn)一步增強(qiáng)，但隨流速繼續(xù)增大，電機(jī)溫度降低程度隨冷卻水流量增加將出現(xiàn)熱飽和；建立了水冷感應(yīng)電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型，基于此模型計(jì)算了電機(jī)額定負(fù)栽運(yùn)行穩(wěn)態(tài)溫升及不同流速時電機(jī)繞組及定子艇部的溫度分布；實(shí)驗(yàn)測試了樣機(jī)額定運(yùn)行及不同冷卻水流速時的電機(jī)溫

2、升。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性，為水冷電機(jī)選擇合理的冷卻水流速提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：電動車；水冷電機(jī)；冷卻水流速；溫升；熱網(wǎng)絡(luò)法中圖分類號:TM301.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文童編號：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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51077023）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)著寺項(xiàng)資金（HIT.1CRST.2010013）作者簡介：李草萍（1982），女，博士研充生，研究方向?yàn)镸324-用電機(jī)電砧場及溫度場的做值分析計(jì)算；柴風(fēng)（1973）,女，落士，教授，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)研完；程樹康（I946-）,男，段授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殚猴姍C(jī)及其型功控制、電動車電整動系統(tǒng)。通訊作者：李掌萍0引言微型電動車因其眾多優(yōu)點(diǎn)近年來發(fā)展迅速。驅(qū)動電

8、機(jī)是微型電動車的核心。微型車用電機(jī)供電電壓較低,為滿足功率要求,電機(jī)將連續(xù)運(yùn)行于較高電流的條件下，這將導(dǎo)致電機(jī)損耗及溫升增加，電機(jī)效率下降，甚至引起電機(jī)過熱故障。因而,為保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性,對電機(jī)的有效冷卻至關(guān)重要C近年對電動車用電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究已有一些，文獻(xiàn)2對電動車用開放式風(fēng)冷電機(jī)單向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分析近肋壁處將有氣流分離,并提出定子鐵心內(nèi)部及外部雙冷卻通路的改進(jìn)方案。文獻(xiàn)3-5提出電動車用定子匏部埋有冷卻管道的定子膂片直接冷卻的電機(jī)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了相關(guān)熱分析。但微型車用電機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)將大大增加機(jī)械加工難度，因而，希望通過電機(jī)機(jī)殼冷卻結(jié)構(gòu)獲得最大的冷

9、卻效果。文獻(xiàn)6對混合動力車用水冷感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了熱場分析，得到電機(jī)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度分布；文獻(xiàn)7J分析了不同機(jī)殼冷卻結(jié)構(gòu)對電機(jī)的冷卻效果，得出圓周型機(jī)殼冷卻結(jié)構(gòu)冷卻效率更高。文獻(xiàn)8對進(jìn)、出水曰及水路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對水流量的影響進(jìn)行研究，并指出隨水流量的增加，電機(jī)繞組溫度降低存在熱飽和區(qū)，但并沒有給出定星分析。近年對電機(jī)機(jī)殼冷卻結(jié)構(gòu)的研究已有一些，但對于流速對電機(jī)溫度影響的相關(guān)研究還很少，然而，當(dāng)機(jī)殼結(jié)構(gòu)一定時，冷卻水流速及流體溫度是影響冷卻效果的直接因素。流速對電機(jī)溫升影響的定量分析可避免過小流速對電機(jī)冷卻不充分，或過大流速帶來的能量損失。本文基于傳熱學(xué)及流體力學(xué)理論推導(dǎo)了全封閉水冷電機(jī)內(nèi)部溫度與冷卻水

10、流速間關(guān)系式;建立了微型車用全封閉水冷感應(yīng)電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算了額定狀態(tài)下電機(jī)各部分的溫度分布及電機(jī)額定運(yùn)行，不同冷卻水流速時電機(jī)定子繞組及定子貌部溫度，并對相應(yīng)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。1冷卻水流速對電機(jī)溫度影響本文所研究電機(jī)為全封閉水冷感應(yīng)電機(jī),冷卻水路結(jié)構(gòu)為軸向直槽水路，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)主要參數(shù)為:Pn=4kW,“N=34V,定子30槽,轉(zhuǎn)子26槽，氣隙0.45mm,鐵心長90mm。電機(jī)機(jī)殼水道尺寸為：水道壁直徑183mm,水道高5mm,沿周向共24條水道，相鄰水道間隔5mm。在水道結(jié)構(gòu)一定情況下，影響電機(jī)內(nèi)部溫降的直接因素為冷卻水的流動形態(tài)、流速及冷卻水溫度。流體流動有層流和紊流兩種形

11、態(tài)，以臨界雷諾數(shù)Rec=2320作為判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Re<Re<時,流動為層流；Re>Re,時,流動為紊流。層流流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，層次分明；紊流流體質(zhì)點(diǎn)互相混雜，形成紊亂的流動形態(tài)。流體的流動形態(tài)與流速有關(guān)，通常以冷卻水吸收功率與流體溫度的增加及水的熱容址比值作為流速的選取標(biāo)準(zhǔn),冷卻水流速為式中:P為水吸收的功率（電機(jī)的總損耗功率），W；p為水密度,kg/m3；cp為冷卻水的定壓比熱容J/（kg為水道截面積，m。兀、網(wǎng)分別為進(jìn)水及出水溫度,丁。3）水冷感應(yīng)電機(jī)橫截面圖圖1水冷電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structureofthewater-cooledmotor以式（1）為選擇標(biāo)準(zhǔn)存在

12、以下兩個缺點(diǎn)，一是需要實(shí)驗(yàn)測鉞進(jìn)出水溫度其次是所得流速為將電機(jī)損耗產(chǎn)生熱量:全部帶走所需的最小流速,并非為最合理的值。流速選擇過小，不能對電機(jī)進(jìn)行充分冷卻;流速過大，將需要更大的泵功率驅(qū)動，造成能童損失。為選擇合理的流速，本文結(jié)合傳熱學(xué)理論及流體相似性理論推導(dǎo)出水道中冷卻水流速與電機(jī)內(nèi)部溫度間關(guān)系式，為推導(dǎo)此關(guān)系式.對電機(jī)進(jìn)行如F簡化:不考慮轉(zhuǎn)子影響，并將由定子鐵心、定子繞組、絕緣及槽楔等組成的復(fù)雜的定子結(jié)構(gòu)等效為一導(dǎo)熱系數(shù)為丸的均勻發(fā)熱體，等效定子單位體積產(chǎn)生的熱量為q.'W/m*采用如下等效方法計(jì)算，即qPeulKul+4ej+R'etv=LlK/上，(2)q-Qqvi_v

13、°式中：Q為平均等效損耗;p項(xiàng)為定子繞組銅耗，吃i為繞組體積為定子齒部損耗(雜散損耗的1/2計(jì)入定子齒部損耗)，Vj為齒部體積；P胸為定于扼部損耗,*ej為貌部體積;氣為定子等效體體積。Ae按式(3)求取為IIAe=(3)式中:入j(i=l,2,3,)為定子各部分的平均導(dǎo)熱系數(shù),W/(mK)；0(i=l,2,3，)各部分的徑向等效厚度,m。通過以上假設(shè)，可將'電機(jī)熱分析等效為帶有內(nèi)熱源的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。取電機(jī)一條水道寬為研究對象，由導(dǎo)熱微分方程推得定子等效體徑向中心的溫度為式中：7為定子外圓溫度,入，為等效定子體的徑向?qū)嵯禂?shù)，叫為定子外徑,R”為定子內(nèi)徑。設(shè)水道底部的溫度

14、為4,內(nèi)機(jī)殼即水道壁中熱流密度為常量們0=隊(duì)(R-%)/2,可得TT們?nèi)珀騃2的,2=77=A；(5)(5)式中:幻為內(nèi)機(jī)殼水道底壁厚,m；Ah為水冷機(jī)殼徑向?qū)嵯禂?shù)，W/(m-K)。根據(jù)對流換熱系數(shù)定義有aa(6)式中：7；為冷卻水溫度,為冷卻水與水道底對流換熱系數(shù),W/(m2-K)o由式(4)式(6)得定子等效體徑向中心溫度為+粕號)(寸)(土勺。(7)又對流換熱系數(shù)a與流體物性、流動形態(tài)及換熱面的表面狀況等因素有關(guān)。根據(jù)流體的相似性準(zhǔn)則0-"1，有NuAfa=O，我=令,(8)人fRe理*式中:Nu為流體的努賽爾特數(shù);Pr.為流體的普朗特數(shù);名為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m-K)中為

15、流體的動力粘度，Pas凹為流體運(yùn)動粘度,m2/so勺恒壓熱容J/(kg-K)；Re為流體雷諾數(shù);p為流體密度，kg/m3；v為流速,m/s；Z)為特征尺寸，m。本電機(jī)機(jī)殼水路為軸向直槽水路結(jié)構(gòu)，水道近似為長方形體結(jié)構(gòu)，因而，式(8)中，特征尺寸D采用當(dāng)最直徑de求取，即式中:S為濕周，m。Re和Nu與流體的流動形態(tài)有關(guān)，當(dāng)Re<2320時,流體的流動為層流。本電機(jī)水路截面近似為矩形,Nu的計(jì)算式為:Nu=7.49-17.02+22.43(-mmJL30.0655斜】+0.04(RePff牛)(10)式中:、m分別為流體過流水路截面高及寬,m;/,為水道長度,m。當(dāng)Re>2320時，

16、流體的流動為紊流.Nu采用Gnielinski公式計(jì)算，有Nu=0.012(Re087-280)Pr?(11) 式中：Pr”為由壁面溫度L確定的流體普朗特數(shù)工為管道長度。將式(8)中流體雷諾數(shù)Re表達(dá)式代入式(10)或式(11)，并將式(1。)或式(11)代入式(8)中對流換熱系數(shù)a表達(dá)式，將所得的對流換熱系數(shù)a表達(dá)式代入式(7),從而得出定子等效體徑向中心溫度與冷卻水流速間關(guān)系。冷卻水達(dá)到紊流后，定子等效體徑向中心溫度與流速間關(guān)系為5嗷捋)"(號)估斜.。學(xué)如(令廠一瀕時叫鈉(穎二冷卻水流動為層流時，定子等效體徑向中心溫度與流速間關(guān)系為(12) 由本電機(jī)水路結(jié)構(gòu)尺寸求得，冷卻水的臨

17、界流速為0.295m/so由式(12)和式(13)分別得出冷卻水流動為紊流及層流時，電機(jī)內(nèi)部溫度隨流速的變化曲線如圖2所示，水溫261。(«)層流時電機(jī)內(nèi)部溫度隨流速的變化曲線(b)紊流時電機(jī)內(nèi)部溫度隨流速的變化曲線圖2電機(jī)內(nèi)部溫度隨流速的變化曲線F岫.2Internaltemperatureofthemotorversusvelocityofcoolingwater對比圖2(a)、圖2(b)可見，水道中冷卻水為素流時對電機(jī)內(nèi)部冷卻效果明顯，此時電機(jī)內(nèi)部溫度明顯低于冷卻水層流時電機(jī)內(nèi)溫度；由圖2(a)可見，電機(jī)內(nèi)部溫度隨著流速的增大明顯下降，此時，流速越大，冷卻效果越好；由圖2(b)

18、可見，電機(jī)內(nèi)部溫度隨著流速的增大，開始階段迅速下降，但隨著流速的繼續(xù)越大，出現(xiàn)了熱飽和區(qū)，此時為使電機(jī)內(nèi)溫度進(jìn)一步降低，將需要極大提高冷卻水流速,帶來更多的能量損失。因而,對于冷卻水路結(jié)構(gòu)一定的情況下，并不是流速越大,冷卻效果越好，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇合理的流速C2等效熱網(wǎng)絡(luò)法的電機(jī)溫度計(jì)算為驗(yàn)證以上理論分析，建立電機(jī)等效熱網(wǎng)絡(luò)模型，分析電機(jī)內(nèi)部溫度隨機(jī)殼冷卻水流速及水溫的變化。2.1電機(jī)等效熱網(wǎng)絡(luò)模型建立等效熱網(wǎng)絡(luò)法是以熱路為基礎(chǔ)通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算電機(jī)整體及局部溫度分布的方法。為建立電機(jī)集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)求解模型,對電機(jī)做如下假設(shè)：1) 電機(jī)各部分材料為各向同性介質(zhì)；2) 全部損耗均轉(zhuǎn)化為熱最,被冷卻

19、水帶走；3) 氣隙及機(jī)內(nèi)端部空氣均為等溫體；4) 忽略集膚效應(yīng)的影響。根據(jù)傳熱學(xué)理論，對于各向同性介質(zhì)，三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程為(14)式中：r為物體的溫度,£；人為物體的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m.K)s為單位體積產(chǎn)生的熱揪,W/m'c熱網(wǎng)絡(luò)法”65)的基本思想是將電機(jī)求解區(qū)域進(jìn)行剖分，以各剖分單元中心為節(jié)點(diǎn)，熱源集中分布于節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過熱導(dǎo)聯(lián)系起來。采用熱網(wǎng)絡(luò)法對方程式(14)求解，將物體溫度7離散為各節(jié)點(diǎn)溫度,Q由各部分熱源損耗計(jì)算。熱網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)反映了電機(jī)關(guān)鍵部件的溫升；圖3為所建立的穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)模型。圖3中，7。為環(huán)境溫度節(jié)點(diǎn)，n為軸承溫度節(jié)點(diǎn)，&為機(jī)內(nèi)端部空氣溫

20、度節(jié)點(diǎn)，八為機(jī)殼溫度節(jié)點(diǎn),兀為定子扼部溫度節(jié)點(diǎn)，烏為定子繞組溫度節(jié)點(diǎn)為定子齒部溫度節(jié)點(diǎn)，7；為轉(zhuǎn)子鐵心溫度節(jié)點(diǎn),孔為轉(zhuǎn)軸溫度節(jié)點(diǎn)為導(dǎo)條溫度節(jié)點(diǎn)，八。為端環(huán)溫度節(jié)點(diǎn)，兒為定子繞組端部溫度節(jié)點(diǎn)；K為軸承與外部環(huán)境間熱阻2為軸承與機(jī)內(nèi)端部空氣間熱阻，冬為機(jī)殼與機(jī)內(nèi)端部空氣間熱阻，出為機(jī)殼與外部對流熱阻,田為機(jī)殼與定子貌部間熱阻,R6為機(jī)內(nèi)端部空氣與定子貌間熱阻，&為定子轆與繞組間熱阻，&為定子貌與定子齒間熱阻,&為機(jī)內(nèi)端部空氣與定子齒間熱阻,Ko為定子繞組與定子齒間熱阻,怡|為氣隙熱阻為機(jī)內(nèi)端部空氣與轉(zhuǎn)子鐵心間熱阻,足3為轉(zhuǎn)子鐵心與導(dǎo)條間熱阻，&4為轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸間熱

21、阻,Rs為機(jī)內(nèi)端部空氣與轉(zhuǎn)軸間熱阻，足6為端部空氣與端環(huán)間熱阻,R”為端環(huán)與導(dǎo)條間熱阻,足8為機(jī)內(nèi)端部空氣與定子端部繞組間熱阻，用9為定子繞組與定子繞組端部間熱阻;R為軸承摩擦損耗,為內(nèi)部風(fēng)耗,入為定子輒部鐵耗,R為定子齒部鐵耗,入為定子有效繞組銅耗,P6為轉(zhuǎn)子導(dǎo)條損耗,P7為轉(zhuǎn)子端環(huán)損耗,R為定子端部繞組銅耗。圖3電機(jī)稿態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)求解模型Fig.3Solvingmodelofmotorsteady-statethernudnetwork2.2熱源及費(fèi)敷計(jì)算2.2.1熱源計(jì)算熱源為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的各種損耗，本文電機(jī)的熱源主要分布于定子有效繞組、定子端部繞組、定子粗部及齒部、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及端環(huán)中。

22、各部分損耗計(jì)算如下：1) 歐姆損耗:歐姆損耗包括定子有效繞組、端部繞組損耗,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及端環(huán)損耗,其損耗與流過定子、轉(zhuǎn)子繞組電流的平方及電阻成正比。繞組電阻與導(dǎo)體的電阻率及導(dǎo)體長度成正比，與導(dǎo)體截面積成反比。導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而改變，溫度為：時的電阻率©為p,=Pi,l+0.004(15)。(15)式中0,為15Y時銅的電阻率。2) 鐵心損耗:鐵心損耗主要包括磁滯損耗和渦流損耗，其值與頻率/和磁通密度B有關(guān)。鐵心損耗的計(jì)算式為(16)TooJ100式中:P*為鐵心損耗Wh為磁滯損耗系數(shù);C為渦流損耗系數(shù);m為質(zhì)最酒為硅鋼片的厚度。根據(jù)電機(jī)極數(shù),本文電機(jī)為2極,取定子匏部鐵耗為P胸

23、=0.8P%,齒部鐵耗為牝-Ppeio3) 機(jī)械損耗:機(jī)械損耗主要由軸承摩擦損耗、通風(fēng)損耗等組成。機(jī)械損耗參見文獻(xiàn)9計(jì)算。雜散損耗按定、轉(zhuǎn)子齒部各占1/2施加熱源。2.2.2參數(shù)計(jì)算電機(jī)為外部機(jī)殼冷卻結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部熱量主要以熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞到機(jī)殼表面，被機(jī)殼表面的冷卻水帶走，因而電機(jī)熱阻主要包括電機(jī)內(nèi)部傳導(dǎo)熱阻及機(jī)殼水道壁面與冷卻水間的對流換熱熱阻。傳導(dǎo)熱阻r的計(jì)算式為(17)式中:佐為傳導(dǎo)熱阻,K/W；Z為熱傳導(dǎo)所經(jīng)路徑長度,為導(dǎo)熱面積,m：對流換熱熱阻為(18)(18)R*式中:乩為對流換熱熱阻,K/W；Xa為表面積,m由計(jì)算所得的電機(jī)各部分熱阻及熱源,建立電機(jī)熱平衡方程組為GT-WO

24、(19)式中:G為熱導(dǎo)矩陣,G=1/R,R為熱阻矩陣；T為節(jié)點(diǎn)溫度列陣;W為節(jié)點(diǎn)熱源損耗列陣。由式(19)所建電機(jī)節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)絡(luò)方程，求解得電機(jī)各部分溫度。3數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析3.1電機(jī)額定運(yùn)行時溫度分布根據(jù)圖3熱網(wǎng)絡(luò)模型建立的熱網(wǎng)絡(luò)方程組，將電機(jī)各部分熱源損耗、熱阻及邊界條件賦給相應(yīng)方程，計(jì)算電機(jī)額定運(yùn)行時的穩(wěn)態(tài)溫升，冷卻水流速1.274m/s,水溫26勾，環(huán)境溫度26V.，所得計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可見，溫升穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條溫度最高，定子繞組及繞組端部溫度亦較高，定子齒部和扼部溫度較低，機(jī)殼溫度最低。這是因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)部散熱條件較差，加之氣隙熱導(dǎo)率低，由于氣隙的隔熱作用，使得轉(zhuǎn)子處溫度最高。定

25、子繞組是電機(jī)的主要熱源，且電機(jī)定子槽內(nèi)材料復(fù)雜，包括絕緣、浸漬漆、空氣等，影響槽內(nèi)繞組散熱，因而繞組溫度偏高，繞組端部靠機(jī)內(nèi)空氣向機(jī)殼及端蓋散熱，散熱條件較差,故其溫度高于定子有效繞組,定子鐵心直接與冷卻機(jī)殼接觸，故其溫度較低。表1電機(jī)額定運(yùn)行時的穩(wěn)態(tài)溫度Table1Steadytemperatureofmotorunderratedoperating部件溫度部件溫度/宅定于匏46.9定子齒60.2定子繞組104.0機(jī)殼29.4定子繞給端部112.7轉(zhuǎn)于佚心117.0轉(zhuǎn)于導(dǎo)條117.73.2不同流速時電機(jī)內(nèi)溫度變化以熱網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算電機(jī)額定運(yùn)行，不同冷卻水流速時電機(jī)定子繞組和定子輒部溫度變化，室

26、溫26Y,水溫26T,所得計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。(a)層流時電機(jī)定予繞組溫度隨流速變化(b)層流時電機(jī)定子貌部溫度隨流速變化圖4層流時電機(jī)定子繞組及貌部溫度隨流速變化Fig.4Temperatureofthestatorwindingandtheyokeversusvelocityinlaminarflow由圖4可見,冷卻水層流時，定子繞組及定子輒部溫度隨著流速的增大而迅速下降；隨著流速的增加，冷卻水進(jìn)入紊流階段,各流體質(zhì)點(diǎn)互相摻混，冷卻效果進(jìn)一步增強(qiáng)，電機(jī)內(nèi)部溫度進(jìn)一步下降。如圖5所示,隨著流速的繼續(xù)增大，出現(xiàn)水流域熱飽和區(qū)，電機(jī)繞組及輒部溫度隨著流速的增大變化緩慢，即若想進(jìn)一步降低電機(jī)

27、溫度，將需要更大的冷卻水流速，此時會帶來更多的泵功率損耗。因而實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇臨界飽和的素流流速。(a)素流時電機(jī)定子繞給溫度隨流速變化(b)素流時電機(jī)定子能部溫度隨流速變化圖5素流時電機(jī)定子繞組及貌部溫度隨流速變化Fig.5Temperatureofthestatorwindingandtheyokeversusvelocityinturbulentflow對比圖4、圖5和圖2可見，電機(jī)內(nèi)溫度隨著流速變化趨勢一致，圖4、圖5與圖2中所得溫度值的差別是由于理論推導(dǎo)時對電機(jī)模型的簡化造成的.簡化的定子等效體結(jié)構(gòu)簡單，與實(shí)際的定子體相比,其導(dǎo)熱及散熱條件好，因而等效體溫度偏低c由圖可見冷卻水層流區(qū)

28、及紊流區(qū)內(nèi)，電機(jī)內(nèi)部溫度隨流速變化趨勢的仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果相符，又由圖5和圖2(b)可見，電機(jī)內(nèi)部溫度隨流速變化趨于飽和時的流速均為約1m/s,因而可驗(yàn)證理論推導(dǎo)的結(jié)果是有效的。4電機(jī)溫度實(shí)驗(yàn)研究樣機(jī)在額定運(yùn)行時,改變冷卻水流速情況下，對電機(jī)溫度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,試驗(yàn)平臺如圖6所示。圖6電機(jī)溫升測試試驗(yàn)臺Fig.6Temperaturetestplatformofthemotor4.1額定負(fù)載運(yùn)行時電機(jī)的溫度為了測試電機(jī)內(nèi)部溫度，在實(shí)驗(yàn)電機(jī)相應(yīng)位置埋置熱電阻，實(shí)驗(yàn)測試了電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時，電機(jī)繞組溫度、繞組端部溫度、定子鐵心溫度及進(jìn)出水水溫。測得電機(jī)各部分的溫度曲線如圖7所示，室溫26X.，

29、冷卻水流速1.274m/s,初始水溫26丁，電機(jī)溫升穩(wěn)定后，進(jìn)水溫度30.2Y,出水溫度32.5T?！眒in圖7電機(jī)各部分實(shí)驗(yàn)溫度曲線Fig.7Temperaturecurvesofvariouspartsinthemotor由圖7可見，電機(jī)溫升穩(wěn)定后，繞組部分溫度明顯高于其它部位溫度，端部繞組溫度高于定子有效繞組，定子貌部溫度較低，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表1所得計(jì)算結(jié)果一致。由表1及圖7對比可見，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果存在一點(diǎn)偏差，分析可能由于熱網(wǎng)絡(luò)模型對電機(jī)模型簡化帶來的計(jì)算誤差以及電機(jī)實(shí)際加工過程中受繞組繞制、浸漆質(zhì)量及裝配間隙等影響帶來的工藝誤差而引起。熱網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算快速、對計(jì)算機(jī)要求不高，其溫

30、升計(jì)算結(jié)果在電機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化中具有較高的參考價值。4.2不同流速時電機(jī)的溫度實(shí)驗(yàn)測試電機(jī)額定運(yùn)行,不同冷卻水流速時電機(jī)定子輾部、定子有效繞蛆的溫度變化。流速通過流量計(jì)測得。因本實(shí)驗(yàn)中流速的大小靠進(jìn)水閥門調(diào)節(jié)，不便于平滑調(diào)節(jié)，因而選取三組流速1.274m/s、1.048m/s及0.538m/s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，水溫26X.,所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。圖8不同流速定子統(tǒng)組溫度Fig.8Temperatureofthestatorwindingwithdifferentwatervelocity"min圖9不同流速定子貌部溫度Fig.9Temperatureofthestatoryokewi

31、thdifTerentwatervelocity圖8、圖9中，冷卻水流速均為素流狀態(tài)，流速由0.538m/s增加到1.048m/s,電機(jī)定子繞組及定子弛部溫度均有明顯下降；當(dāng)流速繼續(xù)增大，由1.048m/s增加到1.274ni/s時，電機(jī)定子扼部及定子繞組溫升降低很小，此時冷卻水流速已近熱飽和區(qū)。對比圖9與圖2(b)和圖5(b)可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證理論推導(dǎo)的正確性。還可看出，本文電機(jī)的最合理流速在1m/s左右。5結(jié)論本文結(jié)合傳熱學(xué)及流體力學(xué)理論對水冷電機(jī)冷卻水流速與電機(jī)內(nèi)部溫度關(guān)系式的理論推導(dǎo)，及基于熱網(wǎng)絡(luò)法的微型電動車用水冷感應(yīng)電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)及不同冷卻水流速時

32、電機(jī)定子繞組、定子轆部溫升的研究，和相關(guān)的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.得到如下結(jié)論：1) 水冷電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)一定時，冷卻水流動形態(tài)為素流時,對電機(jī)內(nèi)部冷卻效果更強(qiáng)；2) 冷卻水為層流流動時，電機(jī)內(nèi)各部分溫升隨著流速增加明顯降低；3) 冷卻水達(dá)紊流后，電機(jī)內(nèi)各部分溫度隨冷卻水流速增加，呈由大幅降低到基本不變的逐漸飽和趨勢，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇紊流區(qū)接近飽和的流速值。本文所作研究不僅適用于微型車用水冷感應(yīng)電機(jī),對于所有內(nèi)部無冷卻結(jié)構(gòu)、機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)電機(jī)均適用。參考文獻(xiàn)：1 郭偉，張承寧.車用水磴同步電機(jī)的鐵耗與瞬態(tài)溫升分析J.電機(jī)與控制學(xué)報，2009,13(1)；83-87,92.GUOWei,ZHANGChengni

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