1、河北工业大学 硕士学位论文 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 姓名：乐智 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：周荣 2010-12河北工业大学硕士学位论文 i 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 摘 要 随着能源的紧缺以及人们对环境保护的诉求，近年来电动汽车得到了迅猛的发展。那 么电机作为电动汽车的“心脏” ，其性能直接决定了电动汽车的性能。其中一个关键的问 题是电机及其控制器的散热。电机在运行过程中产生的热对电机的物理、电气和力学特性 有着重要影响，当温度上升到一定程度时，电机的绝缘材料会发生本质上的变化，最终使 其失去绝缘能力，另一方面，随着电机温度的升高，电机中的
2、金属构件强度和硬度也会逐 渐下降。由电子元器件构成的控制器，同样会由于温度过高而导致电子器件的性能下降， 出现不利影响，如过高温度会导致半导体结点、电路损害，增加电阻，甚至烧坏元器件。 本文中针对某型电动汽车驱动系统的冷却系统进行了设计和研究。首先，本文对电动 汽车的驱动电机以及其控制器散热板，使用 UG 软件建立了它们的三维模型。在不影响仿 真分析精度的前提下，对三维模型进行了简化。将三维模型生成的文件导入 Ansys/Fluent 软件，设置边界条件，分析了电机壳体以及控制器散热板的温度场。根据它们的温度场分 布，对电机冷却水道和控制器散热板中的水道进行了重新优化设计。优化设计后的分析结
3、果表明，电机壳体及其控制器温度有明显降低。 经过对电机及控制器散热板的温度场分析之后， 对电动汽车的整个冷却系统部件进行 了选型设计，包括散热器、水泵、风扇等。选型设计完成之后，对冷却系统布置各种方案 进行了对比研究。并建立了整个冷却系统的数学模型，使用 Matlab/Simulink 软件对冷却 系统的进行了特性仿真。通过对整个冷却系统的台架试验数据结果，并与仿真结果对比分 析表明，仿真结果满足要求。 关键词：建模，ug，ansys/fluent，冷却，仿真，试验 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 ii DESIGN AND RESEARCH ON THE COOLING SYSTE
4、M OF PURE ELECTRIC VEHICLE MOTOR DRIVE SYSTEM ABSTRACT With the energy shortage and the demands of the people on environmental protection, electric vehicles has been rapid development in recent years. And the motor as the “heart“ of electric vehicle, whose performance determine the performance of el
5、ectric vehicles. One of key issues is the motor and its controller cooling. The heat which generated during operation of the motor that impact on motors physical, electrical and mechanical characteristics. When the tem- perature rises to a certain extent, the electrical insulation material change oc
6、curs in nature, and ultimately lose their insulating ability. On the other hand, with the increased of motors tem- perature, motors strength and hardness of the metal components will be gradually de- creased. Constituted by the controller of electronic components, also due to high temperature caused
7、 by the performance of electronic devices decrease adverse effects, such as high tem- peratures can cause semiconductor junction, circuit damage, Increase in resistance and even burn components. This paper is about a certain type of electric vehicle drive system cooling system design and research. F
8、irstly, the three-dimensional of the motor and controllers heat sink are building by using UG. Without affecting the simulation accuracy of the premise, three-dimensional model is simplified. Import the file which is generated from three-dimensional model into the Ansys/Fluent software, and set the
9、boundary conditions, and also analyse the temperature of motor and its controller. According to their temperature field distribution, motors cooling channel and controllers cooling sink have been re-optimized design. the results of analysis showed that the temperature of the motor and its controller
10、 has significantly reduced after opti- mizing. After analysis, the electric vehicle components have been type design tthroughout the cooling system, including radiator, pumps, fans and so on. Type design is complete, the estab- lishment of a mathematical model of the entire cooling system, the use o
11、f Matlab/Simulink software characteristics of the cooling system were simulated. The entire cooling system on the results of bench test data and comparative analysis with the simulation results show that the simulation results meet the requirements. Keywords：modeling, ug, ansys/fluent, cooling, simu
12、lation, testing 河北工业大学硕士学位论文 v 符号说明 A 0 温度为 0时的绝缘寿命 T绝缘持续温度， 磁介质的磁导率，H/m h 材料性能常数 Pe 钢片厚度 钢片电阻率 Fe 钢片密度 F轴承载荷 d珠直径 v=滚珠圆周速度 j l 轴颈长度 工作油温 50 50时油的粘度，取 0.015-0.02 j p 轴颈投影面上的压力 j v 轴颈圆周速度 I N 电机额定相电流（A） P sN 电机输出额定功率时的杂散损耗（W） w 散热器贮备系数 m t 冷却介质对数平均温差， K散热器传热系数，W/（m 2 ） 1 w t 散热器进水温度 45 2 w t 散热器出水口温度
13、 35 1 a t 空气进入散热器的温度 25 2 a t 空气离开散热器的温度 30， h w 热流体（冷却液）与壁面表面传热系数 h a 冷流体（空气）与壁面表面传热系数 c 散热管壁厚，mm c 散热管导热系数 M a 空气质量流速 in 空气的进口密度，kg/m 3out 空气出口密度，kg/m 3L流道长度，mm g重力加速度，g=9.81m/s 2f芯部表面的摩擦系数 水 水的密度，kg/m 3u冷却管内的水流速，m/s l管的长度，mm 局部阻力系数 w D 水管当量直径 i f 摩擦因子 i d 管内径 u管内水流速 w v 水的运动粘度 V水泵流量，L/min Q w 驱动电
14、机及控制放热量，kW C w 水的比热，Cw=4.179kJ/(kg) t w 电机进出，水温差，一般为 5-10 V 风风量，m 3 /s Q w 电机及控制器发热量，kW a 空气重度 PR散热器风阻（Pa） Pf除散热器外的风道阻力 C p 空气比热，2.7910-4kW/(kg) t a 进出散热器的空气温度差 N st 静压有效功率，kW V a 空气流量，m3/s P st0 标准状态下的静压，kPa N 轴 0 标准状态下的轴功率，kW q vw 水的体积流量 t in ()散热器进口水温 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 vi t out 散热器 出口水温 t a 环境
15、温度 q c ( ) 冷却空气与冷却水的热量交换率 V 1 散热器容积 C 水的质流量热容 R 散热器等效热阻 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1-1 课题来源 本课题来源于中国汽车技术研究中心天津清源电动车辆有限责任公司。 1-2 课题研究背景、目的与意义 自 100 多年前汽车诞生以来，其发展速度不断加快。它现在已成为人们不缺少的交通工具，对人 类社会的发展起到了巨大推动作用，也为世界社会发展作出巨大贡献。汽车的普及程度和技术水平已 经成为一个国家或地区现代化程度的标志。但是随着世界汽车保有量的持续增加，也给能源供给、环 境保护、交通安全等各方面带来了越来越严峻的挑战，另一方面
16、，也带来了一系列的负面影响 1 。 能源方面，能源作为社会发展中不可或缺的一部分，起着重要作用。其中化石燃料是其中的一种 重要能源，它在各个行业起着极为重要的作用。因此汽车面临的其中一个严峻挑战是能源供给问题。 从人类社会的可持续发展来看，人类应该尽量减少对不可再生的石油资源的消耗，继而开发可替代能 源，以应对日益枯竭的石油资源。另一方，随着世界范围内汽车保有量的增加，石油的供给越来越紧 张，引发了一系列问题。20 世纪 70 年代的能源危机使得石油价格大部上涨，这次的能源危机使各国 政府认识到了不能过分依赖石油资源了。因此，全世界大多数国家都对可替代能源的研究与开发以及 石油资源的有效利用进
17、行了战略规划。我国面临的能源问题更加严峻，国内的石油储量和开采量逐年 减少，随着我国人口增长和汽车保有量的急剧增加，人均能源消耗也在急剧增加，使得我国的石油缺 口越来越大，目前我国石油对外依存度已经超过了 50%，这给我国的能源安全问题带来严峻的考验。 因此我国可持续能源的开发与研究势在必行。 环境方面，目前，由于汽车等燃油车辆所用能源主要为从化石燃料中提炼的汽油、柴油等，随着 道路交通工具数量的增加，使得其引起的污染越来越严重，其中最主要的是对空气的污染。燃烧的燃 料释放出有毒气体和颗粒物对环境造成污染，而且释放出温室气体，使得温室效应进一步加剧。有毒 气体和颗粒物对人体健康会造成严重损害，
18、引发各种疾病。因此，环境公害已经成为汽车行业所面临 的另一个挑战。解决汽车尾气对空气的污染第一步就是减少由汽车等燃油车辆排放的废弃物。为此， 世界各国的尾气排放标准也变得越来越严格 2 。 安全方面，汽车造成的交通事故，致人死亡和伤残又是汽车所面临的另一个挑战。汽车车祸被认 为是世界第一公害。而道路交通事故是由人、车、路、交通环境等诸多因素共同造成。因此，为解决 交通事故方面的挑战，需要把这几方面因素综合起来考虑，改善交通环境和车辆安全性能 1 。 基于上述原因，尤其是能源供给和环境保护方面。发展电动汽车具有很大优势。电动汽车是指全 部或部分用电能驱动的电动机作为动力系统的汽车 1 。电动汽车
19、是更有效更安全的交通工具。从能源 上看，电动汽车可使得能源利用多样化，使能源利用变得高效。在环保方面，相较于传统车辆，具有 传统车辆不可比拟的优势。在改善交通安全方面，电动汽车更加容易实现智能化。因此，电动汽车可 以将能源、环境保护和交通安全集中在一起考虑。 1831 年，诞生了第一辆电动汽车，受当时蓄电池及其它技术条件的限制，很快被后来的燃油汽车 所淘汰。也逐渐被人遗忘。在 20 世纪 70 年代爆发了能源危机，使得人们认识到能源供给的安全问题， 使得电动汽车重新获得了人们的重视，这是人们对能源的诉求。而到了 20 世纪 90 年代，处于环境保 护的要求，世界各汽车大国又掀起了电动汽车的研究
20、和开发热潮。而到了 21 世纪，随着电动汽车的商纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 2 业化，给电动汽车的发展带了契机。 但是，电动汽车目前还受到很多技术的限制，如电池技术、电机技术等等。电动汽车主要由电机 驱动系统、能源子系统和控制系统组成。而电机驱动系统作为电动汽车的关键部分，是电动汽车的心 脏。它的性能对电动的动力性能具有决定性影响。而目前国内外对电动驱动系统的研究主要集中在电 机和电动驱动系统控制策略方面。随着电动汽车所采用的电机，功率密度越来越高，其发热量也变得 越来越大，因此，为保证电机驱动系统能正常运转，并提高其使用寿命，对它的热管理也变得越来越 重要。 1-3 电动汽车的
21、国内外发展现状 1976 年 7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令 ，以政府资助和 财政补贴等手段来加速发展电动汽车。1990 年，加州制定了严格的大气污染法规，该法规的出台，对 世界汽车工业和环保界产生了极大影响。随后，美国其他 10 个州也相继制定并通过了相应的法规。随 着法规的推行，促进了电动车小批量、商业化生产和实践应用的进程。 日本是最早开始发展电动汽车的国家之一。由于日本国土狭小，资源匮乏，石油资源几乎完全依 赖进口，油价高，日本工业发达，人口密度大，城市污染严重。因此，日本政府对电动汽车的研究和 开发重视程度相当的高。1965 年日本通产省正式把电动车列
22、入国家项目，发展电动汽车。日本电动汽 车协会于 1967 年成立，进一步促进日本国内电动汽车的发展。进入 21 世纪，人们对能源和环保越来 越关注，日本更加重视国内电动汽车的发展 3 。 在我国能源紧张及环境保护的大背景下，电动汽车成为我国汽车工业重点发展的对象。在国家科 技部，国家高新技术研究发展计划（ “863”计划）中，设立电动汽车重大专项，专项确定了“三纵三 横”的研发布局， “三纵”是指：以燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车三种车型； “三横” 是指多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术。以 电动车辆的产业化技术平台为工作重点，寻求在
23、电动车辆关键技术、系统集成技术等方面取得重大突 破，促进电动车辆符合现代企业制造和市场经济发展要求的研发体系和机制的形成。 图 1.1 电动汽车“三纵三横”研发布局 Fig. 1.1 Electric vehicle “three vertical and three horizontal“ research and development layout 河北工业大学硕士学位论文 3 在整车方面，国内多家汽车厂家积极投入资金进行电动汽车的研发。在关键零部件方面，我国已 开发出系列化得动力蓄电池，各项性能不断提升，主要技术指标如能量密度、功率密度等达到国际同 类产品先进水平。2007 年，新型磷
24、酸铁锂动力电池研发工作取得重大进展，锂电池的安全性和使用寿 命得到大幅提高。驱动电机的开发已形成系列化，电机功率覆盖 200kW以下的不同功率档，基本满足 电动汽车的使用要求。并且电驱动系统的效率不断提高，高效区进一步扩大，并进行全面的测试，其 可靠性和耐久性逐步提高。 1-4 电机驱动系统发热对其性能的影响 首先为保证电机驱动系统在运行过程所产生的热能够及时散发出去，需要对电机驱动系统进行冷 却。电机驱动系统由电动机、功率转换器和电子控制构成。电机的功能是将电能转化为机械能驱动车 辆行驶，或将机械能转化为电能进行再生制动并对车载储能装置进行充电。功率变化器主要用来对电 机提供特定的电压和电流
25、。电机控制器根据驾驶员要求，通过对来自功能变换器中的控制信号对功率 变换器进行控制，进行对电机进行控制，以获得特定的转速和转矩 4 。这三个部件在运行过程中都会 产生大量的热，这些热量会对电机驱动系统的正常工作和使用寿命造成不良影响。由于电机运行时产 生的热，使得电机各部分温度会不同程度升高。在发热的影响下，电机的物理、电气和力学特性都会 发生变化，当温度上升到一定程度时，电机的绝缘材料会发生本质上的变化，最终使其失去绝缘能力。 而且电机发热时影响绝缘寿命的主要因素， 1930 年德国学者蒙辛格尔提出了绝缘寿命与电机持续运行 温度呈指数变化规律，即： ln 2 0 T m DA e （1.1）
26、 式中： A 0 温度为 0时的绝缘寿命 T绝缘持续温度（） m常数。对于大型电机，一般采用 B 级以上绝缘，对于 B级，m=10；对于 F、H级，m分别取 12和 14。其中，在电工技术中，往往将电器和电机中的绝缘按照极限温度进行等级划分：A、B、E、 F、H和 C 等六个等级。 另一方面，随着电机温度的升高，电机中的金属件强度和硬度也会逐渐下降。大型电机局部区域 会达到较高温度，不仅使绝缘材料失去绝缘能力，而且对电机的金属材料机械强度和力学性能同样会 造成不良影响 5 。对于发热对电机驱动系统中功率和控制模块的影响也很大。该功率和控制模块都是 由电子元器件构成，由于其工作时的功率损耗使得这
27、些电子元器件发生，进行升温，而温度过高对这 些器件的工作效率降低、使用寿命缩短，甚至烧坏这些器件，最终导致电机驱动系统无法正常工作。 可见电机驱动系统的冷却系统的重要性。 1-5 电机驱动系统的冷却系统简介 由前面介绍中可知，电动汽车电机驱动系统主要由三个部分组成：电机、功能转换器、电子控制。 这个三个的冷却方式有多种，现分别进行以下介绍： 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 4 1-5-1 电机冷却方式 电机的发明已经有了 100 多年，随着技术的发展和进步，电机的单机容量越来越大。为了提高电 磁负荷以及材料利用率，其主要方法是对电机冷却技术进行改进。根据冷却介质的不同，电机的冷却 方
28、式可分为：气体冷却和液体冷却两大类。 电机产生的热量以冷却介质循环的方式将其带走。但是，对于不同的冷却介质，对电机的冷却效 果会有所不同。对冷却介质的基本要求如下： （1）导热系数要大； （2）比热大，这样带走所需冷却介质较少； （3）密度小； （4）粘度小； （5）稳定性好，无腐蚀性、无毒性； 1-5-1-1 气体冷却 气体冷却即是利用空气、氢气或其他气体作为冷却介质。 （1）空气冷却 对于空气冷却，其优点是结构简单、费用低廉、维护方便。它的缺点是空气的冷却效果较差，影 响绝缘的寿命，对于空气冷却的高速电机，会造成较大的摩擦损耗，从而使得电机的效率降低。空气 冷却广泛用于水轮发电机中。加压空
29、气冷却是空气通风冷却的特殊形式，它主要用于灯泡贯式水轮发 电机。在 20世纪 30 年代末之前，几乎所有的汽轮机基本上采用单一的空气冷却方式。本课题中的电 机用于某型电动汽车，考虑到电机体积及空间布置，该电机不宜使用空气冷却系统。 （2）氢气冷却 随着空气冷却的效率和温升等方面出现的问题，空气冷却逐渐暴露出不能满足某些电机冷却的问 题。因此为了寻求更有效的冷却方式，人们开发了氢气冷却技术。最早的氢冷系统引入电机是 1937 年，当时美国通过电气公司生产的氢冷却 25MW 两极汽轮发电机。自此，容量大于 50MW 汽轮发电 机逐步过渡到氢气冷却。氢气冷却分为表面冷却和定子内冷却两种形式。最初的氢
30、气冷却为表面冷却， 仅能够使表面温升下降，但对于绝缘层的温度改变不大，因此该氢气表面冷却效果不是十分理想。后 来发展了定子内冷却的形式，在实心铜线中，夹进若干根空心钢管，让氢气从管中流过，起到冷却作 用。还有一种冷却方式就是转子内冷却方式，即将转子绕组改由空心铜线制成，或在绕组两端加工出 侧孔，在转子槽楔上加工出特制的风斗，依靠转子旋转切向的动力使气体自循环。虽然氢气冷却提高 了冷却效率，使温升有明显降低，但要求较为严格。对于本课题中的电机，使用氢气冷却显然不合适。 1-5-1-2 液体冷却 液体冷却的冷却介质主要有：水、油。早在 1917年，匈牙利冈次茨工厂用变压器油作为牵引电机 的冷却介质
31、。直到 1956年，英国工程师开始采用净化水冷却电机定子绕组，称之为水内冷。目前定子 绕组的水冷已经相当普遍。 早在 1958 年， 我国研制出了世界上第一台 125MW 级双水内冷汽轮发电机。 到 20 世纪 70 年代初期，我国又研制出了 200 至 300MW 级大型双水冷汽轮发电机。由于液体比热、 大热系数大，因此其冷却效果也较好。但是，对于以水作为冷却介质的电机，由于容易产生水垢以及 空心铜线的氧化产生的物质沉积容易造成水路堵塞，使得局部绕组不能够得到良好冷却造成过热而烧 毁。同时，水接头和密封的泄漏也带来了短路和漏电等安全隐患。因此水冷电机的管路堵塞和泄漏成 为其致命的弱点。本课题
32、中的电机采用的是定子冷却。 1-5-1-3 其他冷却方式 随着电机技术的发展，其冷却技术也在跟随着发展。蒸发冷却技术是其中一种。前面所述的冷却 方式（包括空气冷却、氢气冷却和液体冷却）都是利用介质的比热吸收热而带走热量。而蒸发冷却则 是利用液体沸腾汽化潜热的冷却方式进行散热，因此称为蒸发冷却。由于液体的汽化潜热相较于流体河北工业大学硕士学位论文 5 要大，其冷却效果显著提高。它是一种高效的冷却方式，可使电机绕组各部位之间温差较小，电机的 温度分布均匀。与空气冷却技术相比较，其具有的特点是：显著地降低温升、温度分布均匀；减小热 应力、热变形隐患；绝缘寿命大大提高，至少可延长二倍；减少风损，提高效
33、率。与水冷技术相比较， 具有的特点是：不需要外加动力、就可实现电机的自循环冷却目的；根据负荷变化，具有自调节、自 适应功能；蒸发冷却系统的介质绝缘性高，无泄漏引发事故之忧；取消了复杂的水处理和离子交换处 理系统；从根本上消除了水内冷技术的管道堵塞、泄漏缺陷。 1-5-2 电子元器件的冷却 1-5-2-1 电子元器件散热概述 当今世界，电子信息科技迅速发展，它在各个行业领域以及日常生活中得到了广泛应用。同时电 子元器件的容量越来越大，尺寸也逐渐变小。大电流、高处理速度、高功率密度使得电子元器件整体 功率消耗增加，从而导致了温度进步增加，温度对电子元器件的影响。温度过高会导致电子元器件的 性能下降
34、，出现有害影响，如过高温度会导致半导体结点、电路损害，增加电阻，甚至烧坏元器件。 试验和研究证明，单个半导体元件每升高 10，系统可靠性就会降低 50%，超过 55%的电子设备的失 效是由过高温度导致的。因此，为了确保电子元器件能够正常工作，有必要对电子元器件进行散热冷 却，将工作时产生的热及时散发出去，使电子元器件工作在正常温度范围内。这需要对电子元器件进 行散热设计，包括：线路布置、元件散热、整个电路板的散热等。根据这热传递方式的不同，分别有 不同的散热技术，通常有：液体冷却技术、自然冷却技术、强迫风冷技术、相变冷却技术等等。 1-5-2-2 电子元器件冷却方式 （1）强迫风冷技术 这种散
35、热方式在目前市场上相当普遍，其基本结构是在电子元器件上方或下方或其他位置安装风 扇，利用风扇将热量带走。其中在电子元器件安装基座上也会有散热翅片等结构。如图所示： 图 1.2 散热翅片与风扇 Fig.1.2 Cooling fins and fan （2）热管式散热器 热管技术是 1963 年美国 Los Alamos 国家实验室的 G.M.Grover发明的一种传热元件 6 。它充分利 用了热传导原理，使发热体产生的热量可快速通过热管散发出去。热管技术是进行自冷，所以散热系 统无需风扇、无噪声、免维护、安全可靠等各方面优点。其基本工作原理是将管内抽成负压以填充适 量液体，使沿管壁铺设的毛细结
36、构多孔材料充满液体并予以密封。管的一端为热段，另一端为冷却端， 当热管中的一端受热时，毛细结构区域的液体蒸发汽化，蒸发带走散热的热量，在压差作用下，汽化 液体流向另一端放出热量而冷凝成液体，再演多孔毛细结构材料回流到蒸发端。 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 6 图 1.3 热管工作原理图 Fig. 1.3 Working principle of heat pipe 热管冷却技术具有以下特点：具有高导热性；优良的等温性；热流密度可变性；热流方向可逆性； 热二极管与热开关性能；恒温特性；环境适应性等等。 （3）液体冷却 目前电子元器件的液体散热方式有两种，一种液体射流技术，即液体直接喷
37、向电子元器件使其冷 却，是一种直接冷却方式，另一种是以水泵作为动力使液体封闭循环环管道中循环进行散热，是一种 间接冷却方式。 1-5-2-3 冷却方法的选择 冷却方法是根据质量因素热耗体积密度和热阻来确定的。常用冷却技术的单位面积最大功耗可见 表 1.1 7。 表 1.1 常用冷却方法单位面积的最大功耗 Table 1.1 Cooling method used maximum power per unit area 冷却方法 单位传热面积最大功耗（W/cm 2 ） 空气自然对流和辐射 0.08 强迫风冷 0.3 空气冷板（带散热翅片） 1.6 液体冷却（间接冷却） 16 蒸发冷却（相变冷却）
38、 5000 在选择冷却方法时要考虑到以下因素：热阻、质量、维护方便性、可靠性、成本、效率、耐环境 性等等。当然，对于一种冷却方案，也可使用多种冷却方式进行配合。 1-6 论文研究的主要内容 本文中针对某型电动汽车驱动系统的冷却系统进行了设计和研究。首先，本文对电动汽车的驱动 电机以及其控制器散热板，使用 UG 软件建立了它们的三维模型。在不影响仿真分析精度的前提下， 对三维模型进行了简化。将三维模型生成的文件导入 Ansys/Fluent 软件，设置边界条件，分析了电机 壳体以及控制器散热板的温度场。根据它们的温度场分布，对电机冷却水道和控制器散热板中的水道河北工业大学硕士学位论文 7 进行了
39、重新优化设计。优化设计后的分析结果表明，电机壳体及其控制器温度有明显降低。 经过对电机及控制器散热板的温度场分析之后， 对电动汽车的整个冷却系统部件进行了选型设计， 包括散热器、 水泵、 风扇等。 选型设计完成之后， 建立了整个冷却系统的数学模型， 使用 Matlab/Simulink 软件对冷却系统的进行了特性仿真。通过对整个冷却系统的台架试验数据结果，并与仿真结果对比分 析表明，仿真结果满足要求。 1-7 本章小结 本章主要介绍了在当前时代背景下，电动汽车在世界主要国家的发展现状以及各自国家对促进电 动汽车出台的相应政策。接着介绍并对比分析了电机以及控制器的各种冷却方式。并指出本课题所研
40、究的主要内容。 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 8 第二章 电机驱动系的冷却方案布置设计 电机是一种依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置。电机又包括电动机和发电机，而 变压器在有的书称之为静止电机，从电机定义上，是有一定道理的。电动机一种实现电能转换为机械 能的电磁装置，而发电机则相反。电机经过 100 多年的发展，尤其是近二十年的科学技术快速进步和 发展，如电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展，极大推进了电机技术的发展，使得电机不仅 限于工业上的应用，而是广泛应用于各个领域，随着新材料的出现，如稀土永磁材料、复合材料等， 更是给电机的发展，制造各种新型、高效、特种电机提
41、供了前提。 2-1 电机的电磁场基本理论 电动机、发电机和变压器等电磁装置，虽然它们的功能和结构有所不同，但它们都是以磁场为媒 介进行能量转换的设备，且它们的工作原理都是建立在电磁感应定律基础上的。 2-1-1 电机电磁场的描述 电机的绕组通电流时，其周围空间会产生磁场。 常用字母 B 表示磁感应强度，为了形象描述磁 场的空间分布，常用磁感应线，为闭合曲线，曲线上任意点上的切线方向表示 B的方向。在均匀磁场 中，如果磁场垂直通过截面 S，则通过该截面的磁通量为： =BS （2.1） 在电机中，还经常用到磁场强度 H，其与 B 的关系为： B=H （2.2） 式中：磁介质的磁导率，单位为亨/米，
42、不同的物质，磁导率也不同。 2-1-2 电磁感应定律和电磁力定律 电磁感应定律是电机的理论基础。电机中的绕组和磁场之间有相对运动，绕组中的导线切割磁场 会产生感应电动势。即当长导线与磁场有相对运动时，则在导线中会产生感应电动势，这是发电机的 基本原理。通电导体在磁场中会受到磁场对其的作用力，该作用力称为电磁力。这是电动机的基本原 理。 2-2 电机损耗 电机作为一种机械能与电能转换装置，评判其性能的一个重要指标是效率，它直接取决于电机运 行时所产生的损耗，损耗越大，效率越低。电机损耗与所选择的电磁负荷、材料性能、绕组形式、电 机形式等有密切的联系。电机损耗主要包括铁损耗、绕组损耗、机械损耗、杂
43、散损耗等，这些损耗绝 大部分转化为了热量。使电机温度升高。 2-2-1 铁损耗 铁耗是铁心中产生的，包括磁滞损耗和涡流损耗。 2-2-1-1 磁滞损耗 由于电机中的铁磁材料具有磁饱和特性，因此当铁磁材料在交变磁场作用下反复时，内部磁畴不河北工业大学硕士学位论文 9 断倒转，相互摩擦而消耗能量而造成的损耗称为磁滞损耗，用 P h 表示，其中铁磁材料在交变磁场下的 特性如图 2.1所示。 图 2.1 铁磁材料的磁滞回线 Fig.2.1 Hysteresis loops of ferromagnetic materials 磁滞损耗与磁场交变频率 f和磁通密度 B 相关，其计算公式为 8P h =
44、h fB （2.3） 式中： h 材料性能常数 =1.6-2.2 2-2-1-2 涡流损耗 通过铁心的磁通发生交变时，根据电磁感应定律，在铁心中会产生感应电动势和感应电流，电流 在铁心内环绕磁通呈漩涡流动，称为涡流 9 。涡流在铁心中流动产生的损耗称为涡流损耗。 图 2.2 钢片涡流损耗 Fig. 2.2 Steel eddy current loss 涡流损耗与磁通密度 B、磁场交变频率以及材料厚度有关，其计算公式： Pe= e （Bf） 2 （2.4） 式中： 22 60 Pe e Fe ； Pe 钢片厚度； 钢片电阻率； Fe 钢片密度； 纯电动汽车电机驱动系的冷却系统设计与研究 10
45、2-2-2 绕组损耗 绕组损耗又称为电气损耗，其由绕组等导体中的电流而引起的损耗。主要为基本铜耗等损耗。由 焦耳-楞次定律可知，电机基本铜耗与电流和电阻有关，由于电机具有多个绕组，则需要对各个绕组的 铜耗进行相加： P CM =mI 2 R （2.5） 2-2-3 机械损耗 机械损耗主要有：通风损耗、轴承摩擦损耗等等。通风损耗通常很难准确定，这与电机结构、通 风系统风阻、风扇型式等有关，因为这些因素本身就很难确定。因此，一般使用经验公式计算。但是 本课题中使用的永磁同步电机，使用的是封闭循环式水冷却，因此该通风损耗可不予计算。对于轴承 摩擦损耗，其与摩擦系数、摩擦表面之间的相对速度以及摩擦表面
46、上的压强相关，通常，这些都是比 较难确定的，同样也只能采用经验公式进行计算。对于滚动轴承的摩擦损耗可采用以下公式 10 ： 5 0.15 10 f F Pv d （2.6） 式中： F轴承载荷； d珠直径； v=滚珠圆周速度； 对于滑动轴承，其计算公式： 1.5 10 50 50 2.3 (1 ) 10 j fjj jj j d Plp dv l （2.7） 式中： j l 轴颈长度； 工作油温； 50 50时油的粘度，取 0.015-0.02； j p 轴颈投影面上的压力； j v 轴颈圆周速度； 2-2-4 杂散损耗 对于永磁同步电机的杂散损耗 P s ，通常采用经验公式进行计算。电机的杂
47、散损耗基本上随着电流 的平方而增加。当定子相电流为 I 1 时，电机的杂散损耗可使用下列公式计算获得 11 ： 2 1 () s sN N I PP I （2.8） 式中：I N 电机额定相电流（A） P sN 电机输出额定功率时的杂散损耗（W） 河北工业大学硕士学位论文 11 2-3 发热分析 电机作为一种机电能转换装置，在各种工况运行过程中会产生以上所述的绕组损耗、铁损耗、机 械损耗和杂散损耗。这些损耗会转变为热量使电机各部分温度升高。虽然电机各部分的发热量不同， 是非均质发热体，但按其发热特点过程来看，其发热过程与均质发热体相类似，且温度变化与时间成 指数关系。如图 2.3 所示： 图
48、2.3 均质物体发热曲线 Fig. 2.3 Heating curve of homogeneous objects 热量在电机中的传递过程十分复杂，另外由于制造工艺而造成某些不稳定因素，使得计算电机发 热比较困难。首先，电机中的热量是由于各种损耗而产生的，经过传导作用传导电机壳体表面，然后 随冷却系统散发出去。本课题中使用的电机为定子水冷。以热传导和对流换热为主。 2-3-1 传热学原理 2-3-1-1 热量传递方式 只要有温度差存在的地方，就会有热量自发地从高温物体或区域传向低温物体或区域。传热方式 有传导、对流和辐射三种。 热传递由于温差的存在，热量才会从高到底地传递下去，这种传递过程就是热传递。 热阻由于在热量传递中遇到阻力，这种阻力称热阻。 热传递的方式传导、对流和辐射。 （1）热传导 导热物体各部分没有发生相对位移，或不同物体直接接触时，分子、原子和自由电子等微观粒子 的热运动而出现能量传递，也即热量传递现象。 热传导可以在固体、液体和气体之中进行，单纯的热传导只能在结构紧密的固体中进行。而在液 体和气体中，如果有温度差存在，液体分子的移动和气体分子就会有扩散，从而导致对流现象出现。 即，在液体中，热量的传递由传导和对流两种结合的方式同时进行的。 （2）热对流 热对流是指由于流体（包括液体和气体）的宏观运动而引起的流体各部分
