微型电动汽车用感应电机的冷却系统分析-analysis of cooling system of induction motor for mini electric vehicle.docx

国内图书分类号：TM351学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文微型电动汽车用感应电机的冷却系统研究博士研究生：李翠萍导师：程树康教授申请学位：工学博士学科：电机与电器所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2013年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM351U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONTHECOOLINGSYSTEMFORMINIVEHICLEINDUCTIONMOTORCandidate：LiCuipingSupervisor：Prof.ChengShukangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalMachineandApparatusAffiliation：Dep.ofElectricalEngineeringDateofDefence：September,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology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。微型电动汽车的驱动电机因其安装空间有限，因而具有功率密度高和电流密度大的特点，但这也导致电机的温升成为提高整车动力性能的主要限制因素之一。较高的温升直接影响驱动电机运行的可靠性和使用寿命。因此，为保证驱动电机的安全稳定运行，建立准确而有效的温升计算方法，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，深入研究了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。准确计算温度场分布是保证电动汽车电机安全运行及合理设计其冷却系统的重要基础。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，给出了其边界条件、热源损耗及换热系数的计算方法。改进了导体与绝缘层多层交叠的定子槽绕组等效热模型，基于该模型获得的电机温度分布与实际值更为接近。基于构建的温度场计算模型，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，为电机冷却方式设计及冷却系统优化提供了依据。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。冷却方式、介质以及外部环境等因素直接影响电动汽车驱动电机的可靠性。本文针对不同冷却方式、冷却介质和电机材质的影响，采用三维有限元法计算了电机的稳态温度场。对比分析了电机风冷和液冷冷却方式。液冷冷却方式电机采用两种冷却结构：周向圆形结构及轴向Z字形结构。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。上述研究可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，从而获得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。关键词：电动汽车；感应电机；温度场；冷却系统AbstractTheconstantaggravationofenergycrisisandenvironmentalpollut