微型电动汽车用感应电机的冷却系统研究

发布时间：2018-03-05 07:49

本文选题：电动汽车　切入点：感应电机　出处：《哈尔滨工业大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：能源危机和环境污染的日益加剧,促进了电动汽车行业的迅猛发展,微型电动汽车是其中一个重要的发展方向。驱动电机作为微型电动汽车的核心组成部分,因安装空间有限,其研究致力于提高电机的功率密度,然而微型电动汽车用电机驱动电压较低,使其电流密度较大,但这些因素都将导致电机的温升增加,较高的温升直接影响驱动电机运行的可靠性和使用寿命,成为提高整车动力性能的主要限制因素之一。因此,建立准确而有效的温升计算方法,准确计算电机的温度场分布及准确确定热点位置是保证电动汽车电机安全稳定运行的重要基础,并在此基础上进行电机冷却系统的优化设计具有重要的理论意义和应用价值。本文以微型电动汽车用水冷感应电机为基础,对感应电机的全域温度场计算方法、冷却系统对温升的影响因素以及冷却系统的优化设计进行了深入研究。温度场分布的准确计算是电机冷却系统设计的重要依据,亦是保证电动汽车电机安全运行的关键。为准确计算电机的温度场分布及热点位置,本文分别构建了微型电动汽车用水冷感应电机等效热网络模型及三维温度场计算模型,给出其边界条件、热源损耗及换热系数的计算方法;研究了定子铁心与机壳间装配间隙对温度分布的影响;并提出导体与绝缘层多层交叠的定子槽绕组等效热模型,基于改进模型获得的电机温度分布与实际值更为接近。基于该模型,定量计算了电机全域稳态温度场分布及不同运行工况下的瞬态温度分布,获得了电机温度分布规律,为电机冷却系统设计及优化提供了依据。对比分析了等效热网络法与三维有限元法的电机稳态温度计算结果,对应用两种方法指导电机设计的适用范围给出评价,并搭建了电机温升实验平台对分析结果加以验证。冷却系统方式、材质以及外部环境等因素直接影响电机的散热,为获得其影响规律,本文采用三维有限元法计算了不同冷却条件下电机的稳态温度场分布。对比分析了电机风冷系统和液冷系统的冷却效率,以及周向圆形及轴向Z字形液冷结构的冷却效果。定量计算了风冷电机对流散热系数随转速的变化规律,在此基础上研究了风冷电机不同运行工况下的温度分布,给出自扇冷式感应电机适用的运行工况。研究了笼型绕组感应电机不同转子材料及机壳材料下的温度场分布;研究了冷却介质分别为水、变压器油以及不同质量浓度的乙二醇水溶液时电机的温度分布规律。上述研究为微型电动汽车用电机的优化选择提供重要参考。冷却系统中流体介质的流速是决定电机散热及系统冷却效率的最重要因素。本文结合传热学及流体力学理论推导出水冷电机冷却水流速与电机内部温度的关系式,揭示了电机内部温度随流速的变化规律,为设计合理流速值提供了理论依据。基于热网络法计算了水冷感应电机在额定点时不同冷却水流速下电机内部的温度分布,对理论分析进行了数值仿真验证和实验测试。本文推导的流速设计理论公式可为定子表面水冷结构的电机选择最佳流速提供理论依据。电动汽车水冷电机外部尺寸受限,冷却系统结构参数直接影响散热效率,本文基于流体场及温度场耦合分析,从水道数设计、相邻水道连通口宽度、水道材料及形状设计等方面优化了水冷电机冷却系统。从理论上分别推导出轴向Z字形水路结构水冷电机和周向圆形水路结构水冷电机的水道数与散热面积、对流换热系数及流体流动阻力间关系式;基于CFX流体分析软件计算了水冷感应电机不同水道数时,流体流经机壳的压强损失及电机温度分布;研究了不同机壳材料、相邻水道连通口宽度及水道形状时流阻、流速及电机温度的分布规律;对比了轴向Z字形水路结构水冷电机和周向圆形水路结构水冷电机的冷却能力;提出了冷却系统优化方案,数值仿真结果表明优化后驱动电机温升明显降低。本文对微型电动汽车用水冷感应电机冷却系统优化的研究对轴向长度较短的中小型水冷电机的冷却系统设计均适用,从而为中小型水冷电机冷却系统设计提供了参考依据。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.72;TM346

【参考文献】