婁華語楊曉光張明鄒小俊宋偉王良模輪轂電機具有體積小、結構緊湊的優點，有助于提高車輛的操控性和穩定性、減少能量損耗和提高傳動效率。同時輪轂電機可實現多種復雜的驅動方式，提高汽車行駛安全性和穩定性。但輪轂電機內部空間有限、運行工況復雜，在工作中面臨著嚴重的散熱問題，同時溫度過高會對電機各部分材料性能造成影響。需要合理設計冷卻系統，將電機溫升控制在合理范圍內。目前對電機溫升的研究主要有兩種方法，包括等效熱網絡法和數驗，通過仿真值與試驗值的對比，驗證了電機等效熱網絡模型的解結果與實驗結果比較接近，驗證了電機溫升CFD模型合理性。影響，通過電機溫升實驗，驗證了電磁-熱雙向耦合仿真方法的合等效熱網絡法建模過程相對較復雜，電磁-熱雙向耦合仿真方法求另外，在高速工況下，輪轂電機需要加裝散熱翅片或采用水冷散熱方式才能滿足使用要求。水道類型及其結構尺寸參數對進出口在鐵芯和繞組間填充了高導熱材料，并且采用繞組和鐵芯直接冷卻結構，顯著提高了電機的冷卻性能。自通風冷卻結構能夠改進電機通風結構能有效提高電機散熱能力，但會使電機結構更加復雜或增加電機成本。針對輪轂電機散熱問題，本文采用CFD仿真方法，冷卻方式上采用機殼水冷，通過Fluent軟件對某特種車輛用15kW永磁同步輪轂電機溫度場進行分析，通過研究水道結構參數對電機溫度和水道壓降的影響，進一步對冷卻水道截面尺寸參數進行多目標優化研究，旨在保證輪轂電機溫升合理，有效降低水道壓降，提1輪轂電機冷卻結構設計本文以某特種車輛用15kW永磁同步輪轂電機為研究對象，電機采用8極式內轉子結構，外部配備減速機構，電機主要參數見表1。為了使冷卻系統能滿足電機不同工況下的需求，以電機在最大爬坡度工況下的損耗為冷卻系統散熱需求。本文采用蛇形冷卻水道，設計的冷卻結構如圖1所示，其中水道數目28條，水道寬度a為17mm，2輪轂電機溫度場分析2.1電機熱源與邊界條件確定電機在運行過程中會產生各種損耗，這些損耗會導致電機產生溫升。電機損耗主要包括定轉子鐵損、永磁體渦流損耗和繞組銅耗。電機鐵芯鐵損計算公式為：本文所研究的電機采用的鐵芯材料為DW315_50，其損耗系數參永磁鐵渦流損耗計算公式為：式中，σ為永磁鐵電導率，單位為S/m，Jn為永磁鐵渦流密度，2。單位為A/m2。在損耗計算時，定轉子鐵損及渦流損耗可通過有限元方法求解，為每相繞組電阻值，單位為?。通過計算單位體積損耗得到輪轂電機各部件產熱率見表3所示。對輪轂電機進行溫度場仿真，需要確定各邊界面上的對流換熱系數。繞組端部和定轉子端面的對流換熱系數可根據文獻[19]中的式中，Rr為轉子外徑，單位為m；Rer為轉子端面氣隙雷諾數；導熱系數，單位為W/(m·K)。式中，hsh為定子兩端面處的對流換熱系數，單位為W/(m2·K)；vr為轉子表面圓周速度，單位為m/s。繞組端部努塞爾特常數；de為繞組端部等效直徑，單位為m。2.2輪轂電機溫升試驗驗證為驗證輪轂電機溫升CFD模型的合理性，需要對輪轂電機進行溫升試驗，對額定功率、額定轉速下輪轂電機溫升進行試驗，試驗臺輪轂電機溫升最高處為繞組，因此在繞組端部設置溫度傳感器，從圖4可知，在額定功率及額定轉速下，輪轂電機溫度在40分鐘達到熱平衡狀態，通過試驗和仿真得到的最高溫度分別為68.54℃和67.04℃,仿真值與實驗值誤差為1.50℃,在合理范圍內，驗2.3輪轂電機溫度場仿真分析對輪轂電機溫度場進行仿真，仿真條件為：冷卻液為純水，冷卻從圖5中可知，在水冷條件下，隨著電機運行時間的增加，電機電機達到熱平衡狀態時，繞組溫度達到114.46℃,絕緣層溫度達到114.05℃,定子鐵芯溫度達到89.92℃,轉子鐵芯溫度達到70.87℃,永磁鐵溫度達到70.64℃。電機采用F級絕緣，各部件最高溫度均滿圖6、圖7分別為輪轂電機兩個對稱面上的溫度分知：電機繞組部位溫度最高，這主要是繞組損耗最大，產熱功率最大，同時繞組包裹絕緣層，導致繞組處熱量容易積累，造成較大的溫升；電機定子鐵芯溫度較高；機殼溫度最低；轉子和永磁鐵圖8為電機在對稱面上徑向溫度監測點示意圖。從圖9可知，電機在兩側溫度出現突增，這主要是因為空氣熱阻較大，故接近繞組一側氣隙溫度較高，接近轉子一側氣隙溫度較低。繞組區域（點13到點溫度變化較小，主要是因為定子鐵芯與機殼導熱系數較大。進水口附近幾段水道，靠近出水口壓力逐漸降低。3輪轂電機冷卻結構優化本文采用的蛇形冷卻水道，其結構參數中變化范圍較大的主要包括水道數目、水道寬度，水道高度受到機殼尺寸限制變化范圍較小，通過調整這些尺寸參數，可以降低水道壓降，提高冷卻系統散熱效3.1冷卻水道數目確定為了確定冷卻水道數目選擇多少條比較合適，需要研究水道數目對電機溫度場和冷卻液流場的影響，在前文設計的蛇形水道基礎上，只改變水道數目，其它結構參數，材料屬性和邊界條件與之前保持圖11為不同水道數目時電機最高溫度與壓降變化趨勢，從圖中可知，隨著水道數目的增加，電機最高溫度不斷下降，水道壓降不斷增加。這主要是因為水道數目的增加會造成水道長度，水道彎折次數和水道與機殼接觸面積的增加，導致機殼散熱能力增強，沿程損水道數目從12條增加到32條，電機最高溫度從116.14℃下降到了114.461℃,水道壓降從5844Pa增加到了9821Pa。隨著水道數目增加到24條，電機最高溫度逐漸穩定，繼續增加水道數目會增加水道壓降，因此結合冷卻水道數目對輪轂電機溫度和水道壓降的影響，確定冷卻水道數目為24條。3.2冷卻水道寬度初步確定在冷卻液流量一定的前提下，改變水道寬度會影響水道橫截面積，使水道流速發生改變，從而影響冷卻液在水道內的流動。為了確定冷卻水道寬度，需要研究水道寬度對電機溫度場和流場的影響。根據前文的分析，水道數目為24條，只改變水道寬度，其它結構參數，材料屬性和邊界條件保持一致，水道截面寬度分別為13mm、17mm、21mm、25mm、29mm。表4給出了不同水道寬度時電機最高溫度，從表中數據分析可知，改變水道寬度對電機最高溫度有一定影響。圖12給出了不同水道寬度下水道平均流速和進出口壓降變化趨勢。從圖中可知，隨著水道寬度的增加，水道內平均流速不斷降低，這主要是水道橫截面積變化引起的。壓降變化同冷卻液流速變化趨勢類似，當水道寬度從21mm增加到25mm時，水道壓降變化出現了波動，這主要是因為水道寬度的變化引起了水道圖13為水道截面寬度分別為21mm和27mm時水道速度流圖13不同水道寬度時速度流線圖從圖中可知，水道截面尺寸變化時，會影響冷卻液的流動狀態，但同樣不會影響水道內速度分布趨勢。水道寬度為21mm、27mm時，兩者最大流速分別為1.1437m/s和1.4438m/s。一般來講增加水道寬度，水道截面面積增大，在入水口流量不變的情況下可以降低冷卻液在水道內的流速，從而減小壓降，但水道寬度增加過大后，會引起冷卻液流動狀態發生改變，產生較多渦流，如圖12b所示，大量渦流的存在將會使流體平均速度增大，水道壓降增加，因此在設計水道寬度時需要避免大量渦流的出現。結合水道寬度對電機溫度場和流場的影響分析，初步確定水道寬度取21mm。3.3冷卻水道結構多目標優化研究根據前文的分析，水道數目選取24條，水道寬度初步選擇21mm，高冷卻系統散熱效率，對水道截面寬度a和高度b尺寸進行優化。根據設計變量及水平數，采用全因子試驗設計表，冷卻系統優化的響果，在優化軟件Modefrontier中建立kriging代理模型，并通過NSGA-Ⅱ遺傳算法進行多目標優化，該多目標優化問題數學模型為：通過Kriging代理模型和NSGA-Ⅱ遺傳算法，對水道寬度和高度進行多目標優化，得到該多目標優化問題的Pareto最優解集從圖14中選擇一個最優解，并與優化前結果進行比較，結果見115.46℃,仍能滿足使用需求，但水道壓降降低了16.03%。為研究對象，以最大爬坡度下電機損耗為散熱要求，對電機冷卻結構進行設計、同時對電機溫度場進行分析，最后對冷卻水道截面尺寸進行多目標優化，主要結論如下：要是繞組損耗最大，產熱功率最大，同時繞組包裹絕緣層，導熱系數小，導致繞組處熱量容易積累，同時絕緣層和