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原文传递电动汽车驱动电机温度场分析及热管理系统研究

论文题名：	电动汽车驱动电机温度场分析及热管理系统研究
关键词：	电动汽车;驱动电机;数值模拟;结构优化
摘要：	在“碳达峰”和“碳中和”的重要目标驱动之下，我国将新能源汽车发展列为“十四五”规划的战略目标，当前全球的新能源汽车市场发展空间巨大，值得在技术研究上对其大力投入。随着技术的发展，新能源汽车的动力性和续航水平逐步升级，推进了电驱动系统高度集成化和高功率密度化的发展，但同时会导致电机散热环境愈发恶劣，加剧电机过热的风险，因此驱动电机的热管理技术正成为研究热点。本文结合数值模拟和机器学习等技术，实现对驱动电机的电磁损耗和轴承损耗的分析计算，完成电机不同工况温度场的模拟及实验验证，针对冷却水套和喷油管路进行选型分析以及特征尺寸的影响分析，基于能耗水平和冷却效果的综合评价体系对冷却系统的特征尺寸进行寻优。　　针对永磁同步驱动电机，综述铁心损耗、绕组铜损耗、永磁体涡流损耗和轴承摩擦损耗的分析方法的发展过程，并基于额定工况、高速工况和峰值功率工况对驱动电机电磁损耗和轴承损耗进行分析计算；基于传热学相关理论和经验模型，针对所需热相关参数分析计算。针对不同工况下电机的温度进行模拟，同时结合温升实验分析模拟有效性，根据模拟结果，电机在部分工况存在热失控风险，需配置相应热管理系统以控制温度。　　针对驱动电机的产热情况，设计分割式圆周形、“之”字圆周形、回旋形、螺旋形、轴向形水套5种冷却水套，结合7组不同特征尺寸，建立综合考虑能耗水平和冷却能力的综合评价体系。利用综合评价体系对35组水套进行选型分析，从主观和客观角度最优选择螺旋形水套，并对螺旋形水套仿真模型的有效性进行分析，同时研究螺旋形水套管路特征尺寸的宽a、高b对进出口压差和外壳平均温度的影响规律。根据验证分析，配置冷却水套的电机相比无热管理系统的电机，有较好的冷却能力，但会导致绕组温差较大，同时对轴承的冷却效果不明显。针对上述问题，在水冷基础上配置能对轴承及绕组端部喷油的环形管路，组成复合热管理系统。建立综合考虑了能耗水平和冷却均匀性的综合评价体系，通过评价体系对管路的截面形状和喷孔数量选型分析，最终选择圆形截面和16喷孔管路，并通过实验验证管路模拟的有效性，同时分析了特征尺寸中心大圆半径R1、喷孔直径D1、管路粗度D2对进出口压差和各喷孔速度最大差值的影响。对复合热管理系统的温控能力进行分析，复合热管理系统能有效控制各工况电机温度，使绕组温差大幅度降低，绕组和轴承温度得到有效控制。　　为探究热管理系统在最低能耗和最佳冷却效果综合目标下的最优特征尺寸，通过萤火虫算法-前馈神经网络-粒子群寻优综合寻优平台，基于能耗水平和冷却能力的综合评价体系对螺旋形管路的宽a、高b寻优处理，当a=17.30mm，b=9.98mm时，水套冷却能力几乎维持不变，进出口压差降低35.15％，冷却效率大幅度提高。基于能耗水平和冷却均匀性的综合评价体系对喷油管路的中心大圆半径R1、喷嘴直径D1、管路粗度D2寻优处理，当R1=92.24mm，D1=4.68mm，D2=12.35mm时，冷却均匀性略有提高，进出口压差降低30.21％，系统能耗大幅降低。优化后的复合热管理系统相较优化前冷却能力几乎保持不变，冷却均匀性略有升高，系统整体能耗大幅降低，实现热管理系统冷却效果与能耗的综合提升，提高系统的冷却效率。
作者：	侯高林
专业：	动力工程
导师：	李明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022