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                                                         圖1 2012款Nissan聆風的電機

                                                               圖2電機水道

如圖1所示為2012款Nissan聆風的電機。電機為永磁同步電機，最大輸出功率為80kw。電機采用分布式繞組定子結構。圖2中展示了由壓在電機定子周圍的水-乙二醇（WEG）冷卻套組成的熱管理系統。冷卻套由鋁制成，有三個相對較大的冷卻通道。冷卻通道的尺寸大約是35mm寬，12.5mm高。冷卻套的內徑約為200mm，外徑約為250mm，軸向總長度約為210mm。冷卻套(不包括定子和轉子)的近似重量為10.1 kg。

對電機熱管理系統進行了熱性能測試。為此，電機首先連接到WEG流量測試臺。在入口溫度為65℃時，試驗臺通過冷卻套循環WEG(按水和乙二醇的各為50%的混合物)。測量了系統在不同WEG流量下的熱阻。采用直流、大電流、低壓三種電源對電機繞組進行加熱。約160A通過電機的所有三個階段提供約530 W的總熱量。在每個相的正、負(中性)側的壓降測量值，連同所提供的電流一起被用來計算所耗散的功率。電動機的四周都有厚厚的絕緣層，以減少對周圍環境的熱損失。

                                                                         圖3熱電偶所埋位置

在電機的不同部分安裝校正過的k型熱電偶，以測量不同位置的溫度，如圖3所示。在端部繞組(兩側)安裝了20對熱電偶，以測量內部、外部和軸向端部繞組表面溫度。在定子上安裝了10對熱電偶，測量定子內部、槽襯以及槽襯與定子片層之間的界面表面溫度。定子表面溫度在定子的兩側和中點進行測量。在冷卻套的不同位置安裝了10對熱電偶。

計算了系統的熱平衡，以比較不同流量下產生的總熱量與WEG吸收的熱量。計算表明，在1.8LPM時，對周圍環境的熱損失約為9.9%，在12 LPM時下降到約4.4%。注：LPM為升每分鐘。

利用電機的熱阻來量化系統的熱性能。端部繞液熱阻由式(1)確定

其中：Tw為平均端部繞組溫度，TL為平均WEG溫度，QTotal為WEG吸收的總熱量。

采用式(2)定義狀態到液體的熱阻。

Ts為定子內表面平均溫度。

                                                            圖4不同部位的熱阻比

測得的端部繞組和定子的熱阻隨WEG流量的變化如圖4所示。阻力值是基于試驗重復的平均值。圖4提供了熱阻(Rth)和比熱阻(R”th)值。狀態到冷卻夾套接觸面積用于將熱阻值換算成特定的熱阻(R”th)度量。比熱電阻是一個考慮到電機及其冷卻系統的尺寸的指標，可以用來比較不同電機的性能。

如圖4中所示，WEG流量≥4Lpm時，繞組和定子熱的阻減小最低限度地隨著流量的增加。這一特性表明，在流量(≥4Lpm)明顯大于對流阻力的情況下，被動堆是主要的熱阻。此外,更高的熱電阻測量電動機的電氣連接邊(側1)。熱電阻較高的電氣連接電機(側1)與電機的幾何形狀(例如,運動不是完全對稱的),也由于電氣連接的熱量補充道。

                                                   圖5 CFD生成的圖表顯示了冷卻劑速度

                                                         圖6 CFD生成的冷卻劑通道溫度。

采用計算流體力學(CFD)和有限元分析(FEA)對系統的熱性能進行了建模。采用CFD方法對冷卻通道內的WEG流動進行了數值模擬。CFD生成的WEG速度和冷卻劑通道溫度如圖5和圖6所示。通過CFD分析得到了不同流量下的平均傳熱系數，并將其作為有限元模型的邊界條件，如圖7所示。模型采用表1所示的電機部件特性和表2所示的 接觸熱阻。在EDT電機熱管理研發項目下進行了部件性能(不含鋁)和界面接觸電阻的測試工作。表2中提供的熱接觸電阻是初步估計。目前正在進行進一步驗證這些熱接觸電阻值的工作。

                                         表1導熱系數值用于日產聆風電機定子的熱模型

                                           表2熱阻值用于日產聆風電機定子熱模型

                                                         表3平均傳熱系數值

CFD和FEA預測的繞組和定子熱阻值如圖4所示。CFD估算的平均濕表面傳熱系數值如表3所示。如圖所示，模型預測的熱阻結果與實驗數據吻合較好，驗證了表1和表2所示的實測構件熱性能和接觸電阻值。同樣值得注意的是，模型捕捉到了在最低流速下熱阻值的急劇增加。

                                                                              圖8熱路徑

然后利用該模型計算了從內槽襯板到冷卻劑的溫度分布。如圖8所示的溫度剖面用于確定定子內部的主要熱瓶頸。圖8顯示無源堆棧組件(從槽襯到狀態到冷卻夾套界面)是定子內部的主要熱阻。此外，槽形繞組與定子之間的界面是無源堆中最大的熱瓶頸。因此，提高電機的熱工性能需要提高槽繞組與槽襯之間、槽襯與定子表面之間的接觸電阻。提高樹脂的導熱性，提高樹脂將槽襯與定子表面粘結的能力，應可降低這種熱阻。

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