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【NREL】先进电机热管理技术介绍·绕组端部喷油技术

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发布:laoxiang21 来源:
PostTime:11-10-2018 06:54
NREL 热管理专家国家可再生能源实验室(NREL)是美国DOE旗下的一家扮演基础技术研究角色的公司,其以电机热管理技术擅长,为UQM 、橡树岭等企业提供电机冷却散热技术支持。可以说它是支持DOE2025新能源路线图的基础支 ...

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国家可再生能源实验室(NREL)是美国DOE旗下的一家扮演基础技术研究角色的公司,其以电机热管理技术擅长,为UQM 、橡树岭等企业提供电机冷却散热技术支持。可以说它是支持DOE2025新能源路线图的基础支撑企业。其关于电机热管理技术的理解和工作成果值得我们认真学习。



热管理·电机的核心技术

为什么NREL在DOE体系中的作用这么重要,这和电机热管理技术越来越重要有关。电机热管理技术原来叫电机冷却散热技术,在新能源驱动领域,驱动总成的各个子系统的散热技术越来越重要,涉及到的因素越来越复杂,因此原来的散热冷却的概念升级成内涵更大的概念---“热管理”。对应的有总成热管理、控制器热管理、电机热管理。



在技术竞争日益白热化的今天,产品千变万化,但核心技术离不开这四点:电磁、NVH(振动噪音)、结构工艺、热管理技术。随着电机设计越来越追求转矩极限、功率极限,热管理技术的价值贡献与日俱增。可以说热管理设计和电磁设计、结构设计同样重要,但前者的计算更复杂、非线性更强。

热管理技术受重视的内在逻辑是这样的:电机输出功率的极限往往受制于热极限能力。比如说低速大转矩下的绕组温升限制,高速下大功率下的磁钢温升限制。如果能够通过热管理技术提高这些温升限制触发时的转矩,那么同样的尺寸电机的功率密度、转矩密度就获得提高,如此性能得以提高。或者同样的功率密度电机的尺寸可以变小,从而降低铁芯、绕组、磁钢等有效材料的成本。因此热管理技术不一定会导致成本上升。平衡得当可以获得性能提升、成本下降的双优解。



另外一方面相比于其它技术,我们在热管理技术上和国外的差距也是最大的。差距即机会,因此在热管理技术上下功夫是培育核心竞争力的一条路子。

回到主题,无论是叫散热设计或者叫热管理技术,其本质任务是:从各零件中将热量带走,并散发到环境中。NREL对此的理解是分两个方向的,一个方向是被动属性设计,指的是电机的导热、散热的一些被动属性设计,比如说铁芯的各项异性散热能力、槽绝缘和铁芯接触的热阻、绕组的纵向和横向散热能力、电机的几何结构对散热的影响等等。

另外一个方向是主动冷却设计,比如说冷却的方式的选择、冷却剂选择、冷却位置的选择。



NREL在被动设计和主动设计两个方向上的研究都很深,今天蜗牛介绍一种当前很热的主动冷却技术---绕组端部直接冷却:端部喷油。

端部喷油·NREL主动热设计技术

NREL是早期研究绕组端部直接冷却技术的公司之一。其基本原理是利用油泵将冷却液加压,在绕组端部配置若干喷头,高压的冷却液通过喷头直接喷射在绕组端部上,冷却液在压力和重力的双重作用下,流经全部或大部分绕组端部,带走热量。





相对机壳水冷,内部风冷技术,端部喷油冷的冷却效果更佳。因为机壳水冷最大的热源--绕组的散热路径是。绕组→槽绝缘→铁芯→机壳→水套,每一层之间都存在接触热阻,会形成较强的热量梯度,因此机壳水冷对绕组的散热能力不佳。

内部风冷技术,虽然能够直接冷却绕组和铁芯,但空气的换热能力有限,而且很多时候需要开放式结构,无法适用高防护的应用场合。

前两种方式绕组端部产生的铜耗,需要通过铁芯传导出去,或者通过空间对流出去,两种路径的热阻都较大,容易堆积热量成为热孤岛。而端部喷油,直接带着绕组端部热量,其散热能力具备明显优势。



端部喷油的关键技术

在端部喷油的时间过程具体设计过程中,前行者们的探索发现了和换热能力相关的许多关键问题。

喷油冷却最好的介质是乙二醇混合物(WEG),但在车用驱动电机中,变速齿轮箱油(ATF)更容易获取,为了简化一般直接使用ATF,但ATF的冷却能力明显小于WEG,因此需要在喷油嘴设计、端部绕组设计设计上下功夫,提高热交换能力,以弥补ATF带热能力的不足。我将NREL的实践经验总结如下:

  • 油量的分配,不同位置喷油嘴之间的流量分配,相应的流速分配;

  • 油嘴设计,油嘴的直径、距离、形状等设计;

  • 渗流路径,喷射后流体渗透流经的绕组端部、铁芯的路径和方式;

  • 接触设计,直接接受喷头的绕组表面质量设计;

  • 油温设计,不同油温对散热能力的影响分析和设计;



 油嘴的设计

喷油冷却技术最关键的是油嘴的设计,油嘴设计包括油嘴位置、形状、距离、孔径等。这些参数对换热能力的影响是交互的.NREL给出了一组参数组合,如下图所示:

其中D为受油面直径、d为油嘴的直径、S为油嘴离受油面的距离。通过反复试验发现了如下规律,D/d越大,换热能力越小;当S/d的范围在1.8~4.8之间,对换热能力的影响不大,这个区域叫饱和区域,超过了这个饱和区域,距离S越大换热能力越小。

这些匹配参数的测试获取是通过如下图左测的试验装配实现的。



除此之外还发现,油嘴的形状对换热能力影响也很大。圆柱型喷头的冷却效果有所缺陷。因为会导致冷却区域过于集中流过区域也不均匀,部分绕组浸润不充分。改进的方案是采用喇叭型的油嘴,如下图的右下图所示。



圆周型喷头的绕组受油面形状为一个小圆,而喇叭型的喷头的受油面形状则是呈现向外围发散的长条形状,其受油面更大,也更均匀。



通过测试发现,喇叭型喷头和圆柱型喷头相比,换热能力明显增强。以1L/min的流量为例,喇叭型喷头的换热系数超过圆周型喷头57%



受油面设计

除了油嘴侧的设计,绕组侧的设计也很重要。NREL将不同线规的绕组做成试样,测试线规对换热能力的影响,得到了明显的规律。



实际上不同线规形成的绕组的表面质量是不同的,线规越大,绕组表面的波浪半径也越大,相应的表面积越小,冷却液也流的更不顺畅。



这种表面质量对换热能力的影响在低流速时影响不大,但在高流速时则有明显影响,以10m/s的流速为例,18AWG的线规的换热系数是135%。从这个规律我们可以得知 采用端部喷油技术,绕组端部需要控制得均匀细腻,1是要选择小的线径,2是端部绕组排列要整齐均匀,这将有利于提高散热效果。



总结·慢工出细活

NREL的对热管理技术的研究是即全面又细致的。限于时间还有很多技术细节无法一一介绍。但可以感受到NREL非常重视基础数据的试验和采集。通过细致的试验探索对换热能力影响的关键敏感参数和规律。和他们相比我们的热管理设计还停留在应用层面,有很多底层的技术没有掌握,虽然也能做出有模有样的产品,但在散热能力上肯定是有差距的,而且由于缺乏底层数据支持,到底差在哪里还很难被直观的理解到。但通过学习,通过这一系列文章的介绍,我们至少懂了自己的缺乏的是什么?我们缺的是慢工出细活的心态。不要老想弯道超车,还是少一分急功近利,多一份工匠精神吧。


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