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2012款Nissan聆风电机热管理分析


图1 2012款Nissan聆风的电机

图2电机水道

如图1所示为2012款Nissan聆风的电机。电机为永磁同步电机,最大输出功率为80kw。电机采用分布式绕组定子结构。图2中展示了由压在电机定子周围的水-乙二醇(WEG)冷却套组成的热管理系统。冷却套由铝制成,有三个相对较大的冷却通道。冷却通道的尺寸大约是35mm宽,12.5mm高。冷却套的内径约为200mm,外径约为250mm,轴向总长度约为210mm。冷却套(不包括定子和转子)的近似重量为10.1 kg。

对电机热管理系统进行了热性能测试。为此,电机首先连接到WEG流量测试台。在入口温度为65℃时,试验台通过冷却套循环WEG(按水和乙二醇的各为50%的混合物)。测量了系统在不同WEG流量下的热阻。采用直流、大电流、低压三种电源对电机绕组进行加热。约160A通过电机的所有三个阶段提供约530 W的总热量。在每个相的正、负(中性)侧的压降测量值,连同所提供的电流一起被用来计算所耗散的功率。电动机的四周都有厚厚的绝缘层,以减少对周围环境的热损失。

图3 热电偶所埋位置

在电机的不同部分安装校正过的k型热电偶,以测量不同位置的温度,如图3所示。在端部绕组(两侧)安装了20对热电偶,以测量内部、外部和轴向端部绕组表面温度。在定子上安装了10对热电偶,测量定子内部、槽衬以及槽衬与定子片层之间的界面表面温度。定子表面温度在定子的两侧和中点进行测量。在冷却套的不同位置安装了10对热电偶。

计算了系统的热平衡,以比较不同流量下产生的总热量与WEG吸收的热量。计算表明,在1.8LPM时,对周围环境的热损失约为9.9%,在12 LPM时下降到约4.4%。注:LPM为升每分钟。

利用电机的热阻来量化系统的热性能。端部绕液热阻由式(1)确定

(1)

其中`Tw为平均端部绕组温度,`Tl为平均WEG温度,QTotal为WEG吸收的总热量。采用式(2)定义状态到液体的热阻。

(2)

`Ts为定子内表面平均温度。

图4不同部位的热阻比

测得的端部绕组和定子的热阻随WEG流量的变化如图4所示。阻力值是基于试验重复的平均值。图4提供了热阻(Rth)和比热阻(R”th)值。状态到冷却夹套接触面积用于将热阻值换算成特定的热阻(R”th)度量。比热电阻是一个考虑到电机及其冷却系统的尺寸的指标,可以用来比较不同电机的性能。

如图4中所示,WEG流量≥4Lpm时,绕组和定子热的阻减小最低限度地随着流量的增加。这一特性表明,在流量(≥4Lpm)明显大于对流阻力的情况下,被动堆是主要的热阻。此外,更高的热电阻测量电动机的电气连接边(侧1)。热电阻较高的电气连接电机(侧1)与电机的几何形状(例如,运动不是完全对称的),也由于电气连接的热量补充道。

图5 CFD生成的图表显示了冷却剂速度

图6 CFD生成的冷却剂通道温度。

图7 用有限元法生成了电机定子八分之一模型的温度等值线

采用计算流体力学(CFD)和有限元分析(FEA)对系统的热性能进行了建模。采用CFD方法对冷却通道内的WEG流动进行了数值模拟。CFD生成的WEG速度和冷却剂通道温度如图5和图6所示。通过CFD分析得到了不同流量下的平均传热系数,并将其作为有限元模型的边界条件,如图7所示。模型采用表1所示的电机部件特性和表2所示的接触热阻。在EDT电机热管理研发项目下进行了部件性能(不含铝)和界面接触电阻的测试工作。表2中提供的热接触电阻是初步估计。目前正在进行进一步验证这些热接触电阻值的工作。

表1导热系数值用于日产聆风电机定子的热模型

表2热阻值用于日产聆风电机定子热模型

表3平均传热系数值

CFD和FEA预测的绕组和定子热阻值如图4所示。CFD估算的平均湿表面传热系数值如表3所示。如图所示,模型预测的热阻结果与实验数据吻合较好,验证了表1和表2所示的实测构件热性能和接触电阻值。同样值得注意的是,模型捕捉到了在最低流速下热阻值的急剧增加。

图8热路径

然后利用该模型计算了从内槽衬板到冷却剂的温度分布。如图8所示的温度剖面用于确定定子内部的主要热瓶颈。图8显示无源堆栈组件(从槽衬到状态到冷却夹套界面)是定子内部的主要热阻。此外,槽形绕组与定子之间的界面是无源堆中最大的热瓶颈。因此,提高电机的热工性能需要提高槽绕组与槽衬之间、槽衬与定子表面之间的接触电阻。提高树脂的导热性,提高树脂将槽衬与定子表面粘结的能力,应可降低这种热阻。

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