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某电机及控制器冷却结构散热与流阻的协同优化
| 论文题名： | 某电机及控制器冷却结构散热与流阻的协同优化 |
| 关键词： | 电动汽车;电机绕组;控制器;冷却结构;协同优化 |
| 摘要： | 由于地球环境的日益恶劣、能源资源的紧张匮乏，随之而来的是各国排放法规的严厉限制，因此新能源电动汽车受到人们越来越多的关注，并逐渐步入人们的生活出行中。特别在近几年，将电动汽车与人工智能、大数据、5G技术等信息技术相结合，使得整车品质与驾乘感受均已得到质的提升，增加了电动汽车在人们心中的可接受度。再加上国家政策的大力支持，新能源电动汽车的各项性能也成为了各大高校、车企的重点研究方向。作为新能源电动汽车驱动系统核心零部件之一的电机、控制系统核心零部件之一的绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）模块，其散热性能也同样备受各学界与业界的关注。但往往在研究降低电机绕组、控制器IGBT温升，提升散热性能的同时，则可能忽略了冷却水套的水阻，增加了水泵的能耗，进而又影响了电动汽车的行驶里程，因此在电机绕组以及控制器IGBT满足散热的情况下，如何同时确保一个满意的水阻是目前电机及其控制器冷却结构设计要面临的一个问题。 本文以某微型电动车驱动系统为研究对象，针对其冷却结构采用数值模拟与试验测试相结合的方法，通过监测电机绕组的温度、IGBT的温度以及冷却结构的水阻进行温度场与流场分析，最后针对冷却结构的重要参数搭建多目标多学科之间的协同优化模型，寻找到电机绕组及控制器IGBT的散热降温与冷却水套水阻之间一个最佳平衡点设计。主要研究内容如下： 1.对目标工况下样机及控制器的散热情况与流阻大小进行摸底测试。 2.搭建热固耦合的仿真计算模型，计算分析在目标工况下电机及其控制器的散热性能与冷却水套的水阻特性，对标试验测试结果以验证数值计算模型的准确性。结合仿真的流场与温度场特性结果，确定冷却结构后续优化的参数变量以及取值范围。 3.针对电机与控制器冷却结构的多个设计优化变量，采用正交试验设计来进行灵敏度分析，从而筛选出对流阻以及绕组温升、IGBT体平均温度影响较大的相关优化变量。基于ISIGHT平台对集成式冷却结构的流阻与电机绕组的温升分别进行单目标智能寻优，同时基于正交试验设计的灵敏度分析结果完成对IGBT温度均匀性的分析研究。 4.基于单目标智能寻优的结果，设计协同优化的数学模型，搭建高散热低水阻的协同优化策略框架。求解三种不同权重比的协同优化方案，并从中选择了偏向绕组温升权重的一组作为最终优化结果。将对应的冷却结构优化变量重新取值通过CATIA参数化并完成数值仿真计算验证，对比分析优化前后冷却水套的流阻性能、电机内各部件的散热性能、控制器IGBT的温度均匀性等差异。最终优化结果表明： 1）优化后冷却水套局部涡旋、流动死区得以改善，流动更顺畅，流速更均匀，流动阻力显著下降，流阻较原始模型降低约12.5kPa，降幅39.4%。 2）优化后电机内部定子、绕组、转子及永磁体等温度均有不同程度的下降，绕组端部最高温度较原始模型降低3.28℃，降幅2.7%。 3）控制器内IGBT模块的温度均匀性得以明显改善。 通过对该微型电动车驱动系统冷却结构的一系列数值模拟与优化的深入研究，得到如下结论： 1.永磁同步电机内部高温所处位置多为电机绕组端部，控制器内部IGBT模块易因冷却结构的设计布局不合理而出现散热分布不均匀的现象。 2.电机冷却结构的水道数量、水道厚度、水道宽度、水道端部倒角四个参数中，水道厚度、水道宽度与流阻相关性较强，水道数量、水道厚度、水道宽度与散热性能相关性较强。在设计电机冷却结构参数时，除了考虑工艺制造、布局外，可结合相关性结论为其提供一定设计参考。 3.多目标协同优化最终结果表明，将该优化方法应用在这种多目标平衡优化问题上，可体现出较好的优化效果。 |
| 作者： | 唐琳 |
| 专业： | 工程(车辆工程) |
| 导师： | 赖晨光;王庆洋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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