某纯电动汽车驱动电机热性能优化分析
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【摘要】为解决某款纯电动汽车的驱动电机在恶劣工况下最高温度超过限值的问题，在没有电机内部详细数模及相关输入参数，无法对电机内部温度场进行仿真分析和评估的条件下，通过电机外部冷流场的定性优化分析，采用多种优化方案，并借助试验测得的温度数据进行对比验证，从而确定优化措施，改善了电机的热平衡性能。主题词：计算流体力学 电机 热性能 优化分析U462.2 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20180289中图分类号： 文献标识码： DOI:
1 前言
某款纯电动汽车在热平衡试验中某些工况下，电机的最高温度超过了限值，会对电机的性能和安全、寿命造成严重的影响。
STAR- CCM+
本文采用 软件利用计算流体力学Computational Fluid Dynamics，CFD）
（ 方法进行定性分析，确定优化措施，进而取得改进模型，然后将改进的模型样件装到实车上，通过热平衡试验确定是否满足电机的散热性能要求。
2几何模型与网格划分
由于前舱布置复杂，需要考虑电机周边部件，包括冷却系统、控制系统、防火墙以及底盘部件对气流的影
1响，因此有必要建立除乘员舱外的整车模型，如图 所示。对于距离电机较远，对气流影响较小的车身尾部，可以将网格密度适当降低，以提高计算速度。整车面网280
格数量约为 万个，采用三角形网格单元划分，最小
3 mm 10网格尺寸控制在 。整个计算流场域的尺寸为10 5
倍车身长、 倍车身宽、倍车身高。体网格量约为2 000 Trim
万个，采用 网格，在计算敏感区域（前舱内电机和冷凝器、风扇等区域）加密，实现局部网格细化以提2 2高计算精度，如图 所示。对冷凝器和风扇建立 个独Prism立的计算域，在车身表面使用 网格模拟汽车表面的附面层。
3 计算理论3.1 基本控制方程
汽车前舱内的空气流动速度与声速相比较小，空气密度变化不大，可以近似看作常数，因此舱内空气可看作不可压缩流体[1- 2]。舱内模型复杂，容易引起分离，应i,j= 1,2,3，
按湍流处理[3]。令 各基本控制方程如下[4]：平均连续方程为： ∂ˉ u =0 1） ∂ i （ x i平均动量方程为： ρu ∂ˉ æ ö i i =- μe i j 2） ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ （ t + ρu ˉ ∂ˉ ∂ˉ ∂ˉ u p u ∂ˉ u j x x x+ x j j j i 2瞬时变量分解成平均量和脉动量 个部分，对于速度，有：
ˉ 3） u = u + u′ （ i i i
湍流动能方程（ k方程）为： ρk ∂ æ k ö
+ G- 4）
∂ ∂ ∂ ρε （ t + ρu ˉ∂ =- ∂∂ k μt · ∂ j x xσ x j j k j
湍流耗散率方程（ ε方程）为： ρε ∂ æ ε ö ε2
∂ ∂ i ∂ + G - t + ρu ˉ∂ =- ∂∂ ε μ· ∂ x xσ x C ρC k （ 5） j ε1 ε2 j j ε j式中，为流体的密度；为时间； ρ t x 为空间自变量；为湍ε i流耗散率； k为湍流动能； u ˉ
和 u′ 分别为平均速度和脉i i
ˉ
动速度； p为流体的平均压力； μ 为流体粘性系数； μ0 i ∂ˉ æ ö i j i为流体动力粘性系数； G = μt x x x ； μe=μ0+ μt u+ ∂ˉ ∂ˉ u u
为
∂ ∂ ∂ j i j μt= · k2/
湍流总粘性系数； ρCμ ε为涡粘性系数，主要取决于流场的湍流特性，是流场空间位置的函数，满足- ------ æ ∂ˉ ö æ ö -----u ∂ˉ ∂ u uδ ρu′ u = μt i j ρk + μt i ；- ρu′ u 为对动′′ x+ x - ç x
∂ ∂ 23 ∂ i ij jij è j i j量方程被平均化以后得到的雷诺应力项； δ 为狄拉克ij i=
函数，当 j时， δ= 1 ，当 i ≠ 时j 0 ；、Cμ Cε1、Cε2、、σk δ= ij ij k- =0.09， Cε1= 1.45， σε为常数，对于标准 ε湍流模型， Cμ
Cε2= 1.92， σk= 1.0， σε= 1.3
。
3.2 边界条件和参数设置
计算入口的边界设定为速度入口，设定工况为车辆以某速度向前匀速运动，本文为了统一与方便，设置车
100 km/h 0速为 。出口设定为压力出口，参考压力为 。
STAR- CCM+冷凝器区域设为多孔介质区域，在 中，对于多孔介质，需要获得惯性阻力系数和粘性阻力系数来确定多孔介质的属性，更为真实地模拟出流体经过多孔
-介质后的流动状态。利用台架试验测得的压降 速度曲线拟合出一条二次曲线，从而得到冷凝器的惯性阻力系数和粘性阻力系数。对于风扇区域，只需要给出风扇的转速，并将此区域设置为旋转区域即可[1,3,5-6]。
4 计算结果及试验验证
首先计算原状态下的前舱流场。前舱流线和电机
3
表面速度分布云图如图 所示，部分流线从格栅孔流出后未吹向电机，电机表面的平均风速较小，这是导致电机温度过高的原因之一。因此需要增加导流措施[6]，使此部分冷风吹向电机以降低电机的温度。
为了解流场效果，初步增加一简易平板作为导流板1） 1 4 （记为方案 。原状态和方案 状态下的数模如图 所
5 4 5示，相应的电机表面速度云图如图 所示。由图 、图 可知：原状态下速度较小，且基本集中在电机正迎风面的中上部和中下部，端盖处风速较小；增加导流板后，电机表面的平均速度增大较多，且端盖处的风速得到较大改善。1
对方案 进行热平衡试验，通过内置传感器测得的143 ℃， 153 ℃，最高温度为 原状态下测得的最高温度为
150℃， 1超过了最高许用温度 方案 满足电机热平衡的要求。