1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种具有空心轴喷油冷却结构的内置式永磁同步电机。
背景技术：2.永磁同步电机因具有功率密度高、转矩密度大、调速范围广等优点，成为电动汽车驱动电机的较好选择。然而电机体积小，功率、转矩密度大，易使发热与散热严重失衡，从而产生过高的温升，进而会导致轴承老化加速、永磁体永久退磁、绝缘材料破坏，进而造成电机故障、使用寿命缩短。因此设计合理的冷却结构、提高散热能力降低电机温升显得尤为重要。
3.在实际运行过程中，电动汽车用电机工况复杂多变，各部分损耗与温升也不相同。对于同一台电机，在最大转矩工况下，大电流会产生大量铜耗，是电机损耗的主要来源，而最大转速工况下，由于磁场交变频率高，铁耗的大小和占比较高。此外，由于谐波的影响，永磁体涡流损耗也会随着转矩和转速的提高而增大。不同工况下各部件损耗的变化势必会导致闻声的不同，因此需要兼顾多种工况进行冷却结构设计。根据冷却流体的不同电动汽车用永磁同步电机可分为风冷、机壳水冷以及油冷。对于封闭电机，空气流动受限，风冷的散热效果较差，而水冷冷却流体无法直接接触发热部件，因此对于永磁体的高涡流损耗、转子铁心损耗造成的高温升不能良好地冷却。由于冷却油不导磁、绝缘性能良好，可以用于电机内部转子、永磁体以及绕组的直接冷却。
4.目前针对电机的直接油冷结构主要分为机壳喷油以及空心轴喷油。对于机壳喷油只能冷却端部喷油部分，难以冷却电机中心部位，对于空心轴喷油往往忽略了电机两端喷油量不同导致的电机温升不平衡。通过改进空心轴喷油冷却结构，可以使电机两端喷油量更均匀，从而平衡电机温升，达到更好的冷却效果。
5.对于电机温度场的计算方法主要有简化公式法、等效热网络法以及计算流体力学法等。简化公式法由于只进行粗略的计算，已无法满足目前复杂的冷却结构分析以及电机温度场计算。等效热网络法将电机各个部件划分为多个单元，有一定的可靠性和计算精度，且计算便捷。由于计算流体力学法在分析复杂模型温度场时的可靠性和精确度，现如今大多数电机设计、研究期间都需要对电机温度场做计算流体力学分析，但由于其前期建模以及计算都需要大量时间以及计算资源，因此为了更加全面且快速简便的分析电机温度场，可以使用等效热网络结合计算流体力学法的共同分析。
技术实现要素：6.本发明的目的是改进电动汽车用内置式永磁同步电机的空心轴喷油冷却结构，并给出其温度场分析方法。本发明提出的冷却结构，冷却油进入空心轴后重新分配流向电机两端的流量，使电机两端喷出的冷却油量更加平均，提高冷却油利用率，并且冷却油率先通过旋转体中冷却结构冷却温升较少的转子以及永磁体后，通过端盖喷油孔喷出冷却温升较
高的端部绕组，提升冷却效果。本发明还对该结构进行了等效热网络模型的建立与分析。技术方案如下：
7.一种空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其空心轴喷油冷却结构包括空心轴和设置在空心轴内的空心轴油道，其特征在于，在空心轴油道和转子的永磁体腔之间增设径向油道，在转子两端的端盖分别增设端盖喷油孔，端盖喷油孔与转子的永磁体腔相连通。
8.进一步地，冷却油从空心轴一端流入。
9.进一步地，所述的径向油道位于电机转子轴向中心。
10.进一步地，冷却油从空心轴经径向油道流入转子的永磁体腔，再从转子两端端盖上的喷油孔喷出。
11.进一步地，永磁同步电机采用“v”型永磁体结构。
12.进一步地，所述内置式永磁同步电机有额定工况、最大转矩工况、最高转速工况三种典型运行工况。
13.本发明同时提供所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机的温度场分析方法，基于等效热网络法实现，包括下列步骤：
14.(1)根据初始电机结构以及参数进行电机模型的简化，分别为定子轭部，绕组，定子齿部，转子靴，永磁体，转子轭部，转轴，轴承，端盖，机壳和气腔分配若干节点；
15.(2)根据简化的电机模型构建等效热网络；
16.(3)计算简化的电机模型各节点之间的热传导与热对流热阻，方法如下：
17.a.按照节点所在的不同部件位置，热传导热阻分为平板导热模型以及圆筒导热模型，其中，电机内轴向方向上的节点之间为平板导热，互热阻用式(1)计算；电机径向方向上的节点之间为圆筒导热，互热阻可用式(2)计算：
[0018][0019][0020]
式中，l为材料厚度，s为接触面积，λ
平板
为材料导热系数，l为圆筒导热模型等效长度，r
平板
为平板导热模型上两节点之间的互热阻；λ1为圆筒内侧材料的导热系数，λ2为圆筒外侧材料的导热系数，r1为圆筒内径，r2为圆筒两部件交界面半径，r3为圆筒外径，r
圆筒
为圆筒内、外径之间的互热阻；
[0021]
b.除端部绕组外的流体与固体之间的对流换热系数由式(3)-(5)计算得出，端部绕组对流换热系数由基于计算流体力学方法的仿真拟合得到；对流换热热阻由式(6)计算得出：
[0022][0023]
[0024][0025][0026]
式中，d为气隙等效长度，υ是流体的运动粘度系数，u为流体流速，nu是流体的努塞尔数，re是流体的雷诺数。pr是普朗特数，α为对流换热系数，λ
流体
为流体的导热系数，s为换热面积。
[0027]
(4)由于能量守恒，电机内各节点流出能量与流入能量相等，类比电路中的基尔霍夫电流定律，得到针对任意节点的热平衡方程，如式(7)所示：
[0028]-g(i,1)t(1)
‑…
+g(i,i)t(i)
‑…‑
g(i,n)t(n)＝p(i)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0029]
式中，g(i,i)为节点i的自热导，g(i,n)为节点i与节点n之间的互热导，p(i)为节点i损耗，t(i)为节点i温升。将各个节点所列出的热平衡方程组合则建立起电机的冷却矩阵，如式(8)所示
[0030][0031]
(5)根据步骤(4)中所建立的电机冷却矩阵即分别求出在三种典型工况，即额定转速工况、最大转矩工况、最高转速工况下的电机各部件平均温升。
[0032]
进一步地，利用基于计算流体力学法的仿真拟合得到绕组端部对流换热系数对电机端部进行建模，对电机的转速区间平均划分子区间，使用fluent软件中的vof多相流模型进行计算流体力学分析，将每个子区间所得到的结果拟合，得出绕组端部随转速变化的对流换热系数曲线；并且在三种典型工况下对比电机主要部件：定子、绕组、转子以及永磁体的等效热网络法与计算流体力学法的结果进行验证。
[0033]
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有效收益是：
[0034]
1.该结构使冷却油可以与电机内主要发热部件，即永磁体、绕组直接接触，提升冷却效果。
[0035]
2.该结构使冷却油率先冷却温升较低的转子及永磁体，然后冷却温升较高的绕组，使冷却油得到充分利用。
[0036]
3.该结构通过增加径向油道，使冷却油经过永磁体腔重新分配流向电机两端的冷却油，使流量更加平均，从而使冷却油与端部绕组接触更加充分，提升冷却效果。
[0037]
4.该结构在保证电机电磁性能基本不变的前提下降低电机整体温升。
[0038]
5.本发明针对此种空心轴喷油冷却结构的内置式永磁同步电机，给出了其温度场分析方法，此种温度场分析方法结合了计算流体力学方法和等效热网络方法的优点，可以有效降低温度场计算分析所需的计算时间与资源，并具有相当高的准确度。
附图说明
[0039]
图1为电机转子结构示意图。
[0040]
图2为电机旋转体截面图。
[0041]
图3为本发明的电机整体截面图。
[0042]
图4为电机简化模型。
[0043]
图5为电机等效热网络模型。
[0044]
附图标记：
[0045]
101-电机转子，102-永磁体，103-空心轴，104-端盖，105-空心轴油道，106-径向油道，107-永磁体腔，108-端盖喷油孔，109出油口
具体实施方式
[0046]
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
[0047]
采用水冷方式时，机壳无法直接接触发热部件，而传统空心轴喷油的冷却方法，忽略电机两端喷油口与进油口之间距离不同导致的喷油量不同。本发明为克服现有技术的不足，提供了一种新的空心轴喷油冷却结构，使冷却油进入空心轴后重新分配流向电机两端的流量，使电机两端喷出的冷却油量更加平均，提高冷却油利用率，并且冷却油率先通过旋转体中冷却结构冷却温升较少的转子以及永磁体后，通过端盖喷油孔喷出冷却温升较高的端部绕组，提升冷却效果。
[0048]
本发明的电动汽车永磁同步电机的空心轴喷油冷却结构，使用原来的设置在空心轴一端的进油口和设置在机壳底部的出油口109，利用了转子的永磁体腔107作为油路的一部分，在空心轴油道105和转子107的永磁体腔之间的电机转子轴向中心位置增加了径向油道106，在转子端盖104上增加了端盖喷油孔108，使冷却油从空心轴经径向油道106流入永磁体腔107，再从转子两端喷出。
[0049]
电动汽车永磁同步电机空心轴喷油冷却结构的等效热网络分析方法。下面以一台8p/48s电机为例，对本发明的实施方式详细说明，电机的参数如表1所示。
[0050]
表1电机参数
[0051]
参数符号数值单位额定转速nn5300r/min额定转矩tn72nm极对数p8
‑‑
槽数q48
‑‑
定子外径d
sw
168mm定子内径d
sn
102mm气隙长度δ0.8mm转子外径d
rw
100.4mm铁心长度l140mm
[0052]
(6)首先对电机端部进行建模，将转速区间4500r/min-14100r/min平均分为17个节点，使用fluent软件中的vof多相流模型进行计算流体力学分析，将得到的17组结果拟合，得出绕组端部随转速变化的对流换热系数曲线，如式(1)所示：
[0053]
α
油
＝588.83+0.0177r+3.89
×
10-6r2-1.5265
×
10-10
r3ꢀꢀ
(1)
[0054]
式中，α
油
为绕组端部对流换热系数，r为电机转速。
[0055]
(7)根据初始电机结构以及参数进行电机模型的简化，如图4所示。将电机分为若干节点，其中，节点1-3为定子轭部，节点4-8为绕组，节点9-11为定子齿部，节点12-14为转子靴，节点15-17为永磁体，节点18-20为转子轭部，节点21为转轴，节点22-23为轴承，节点24-25为端盖，节点26为机壳，节点27-29为气腔。
[0056]
(8)根据简化的电机模型构建等效热网络，如图5所示。
[0057]
(9)计算各节点之间的热传导与热对流热阻，其中热传导热阻主要分为平板导热模型以及圆筒导热模型，其中电机内轴向方向上的节点之间为平板导热，互热阻可用式(2)计算，如节点1与节点2之间的热阻；径向方向上的节点之间为圆筒导热，互热阻可用式(3)计算，如节点1与节点4之间的热阻：
[0058][0059][0060]
式中，l为材料厚度，s为接触面积，λ
平板
为材料导热系数，l为圆筒导热模型等效长度，r
平板
为平板导热模型上两节点之间的互热阻；λ1为圆筒内侧材料1的导热系数，λ2为圆筒外侧材料2的导热系数，r1为圆筒内径，r2为圆筒两部件交界面半径，r3为圆筒外径，r
圆筒
为圆筒内、外径之间的互热阻。除端部绕组外的流体与固体之间的对流换热系数可由式(4)-(6)计算得出，更为详尽的对流换热系数计算公式推导参见文献ming kang,huimin wang,liyan guo.self-circulation cooling structure design of permanent magnet machines for electric vehicle[j].applied thermal engineering,2020,165，对流换热热阻可由式(7)计算得出，如节点1与节点27之间对流换热热阻：
[0061][0062][0063][0064][0065]
式中，d为气隙等效长度，υ是流体的运动粘度系数，u为流体流速，nu是流体的努塞尔数，re是流体的雷诺数。pr是普朗特数，α为对流换热系数，λ
流体
为流体的导热系数，s为换热面积。
[0066]
(10)由于能量守恒，电机内各节点流出能量与流入能量相等，因此类比电路中的基尔霍夫电流定律，可得针对任意节点的热平衡方程，如式(8)所示：
[0067]-g(i,1)t(1)
‑…
+g(i,i)t(i)
‑…‑
g(i,n)t(n)＝p(i)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0068]
式中，g(i,i)为节点i的自热导，g(i,n)为节点i与节点n之间的互热导，p(i)为节点i损耗，t(i)为节点i温升。将各个节点所列出的热平衡方程组合则建立起电机的冷却矩
阵，如式(9)所示
[0069][0070]
(11)根据步骤(5)中所建立的电机冷却矩阵即可分别求出在三种典型工况，即额定转速工况、最大转矩工况、最高转速工况下的电机各部件平均温升，如表2所示。
[0071]
表2三种工况下电机各部件温升
[0072][0073][0074]
表3三种工况下电机各部件温升
[0075][0076]
(12)在三种典型工况下对比电机主要部件：定子、绕组、转子以及永磁体的热网络法与计算流体力学法的结果，如表3所示，误差最大不超过1％，符合要求。
技术特征：1.一种空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其空心轴喷油冷却结构包括空心轴和设置在空心轴内的空心轴油道，其特征在于，在空心轴油道和转子的永磁体腔之间增设径向油道，在转子两端的端盖分别增设端盖喷油孔，端盖喷油孔与转子的永磁体腔相连通。2.根据权利要求1所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其特征在于，冷却油从空心轴一端流入。3.根据权利要求1所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其特征在于，所述的径向油道位于电机转子轴向中心。4.根据权利要求1所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其特征在于，冷却油从空心轴经径向油道流入转子的永磁体腔，再从转子两端端盖上的喷油孔喷出。5.根据权利要求1所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其特征在于，永磁同步电机采用“v”型永磁体结构。6.根据权利要求1所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其特征在于，所述内置式永磁同步电机有额定工况、最大转矩工况、最高转速工况三种典型运行工况。7.权利要求1-6任意一项所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机的温度场分析方法，基于等效热网络法实现，其特征在于，包括下列步骤：(1)根据初始电机结构以及参数进行电机模型的简化，分别为定子轭部，绕组，定子齿部，转子靴，永磁体，转子轭部，转轴，轴承，端盖，机壳和气腔分配若干节点；(2)根据简化的电机模型构建等效热网络；(3)计算简化的电机模型各节点之间的热传导与热对流热阻，方法如下：a.按照节点所在的不同部件位置，热传导热阻分为平板导热模型以及圆筒导热模型，其中，电机内轴向方向上的节点之间为平板导热，互热阻用式(1)计算；电机径向方向上的节点之间为圆筒导热，互热阻可用式(2)计算：节点之间为圆筒导热，互热阻可用式(2)计算：式中，l为材料厚度，s为接触面积，λ
平板
为材料导热系数，l为圆筒导热模型等效长度，r
平板
为平板导热模型上两节点之间的互热阻；λ1为圆筒内侧材料的导热系数，λ2为圆筒外侧材料的导热系数，r1为圆筒内径，r2为圆筒两部件交界面半径，r3为圆筒外径，r
圆筒
为圆筒内、外径之间的互热阻；b.除端部绕组外的流体与固体之间的对流换热系数由式(3)-(5)计算得出，端部绕组对流换热系数由基于计算流体力学方法的仿真拟合得到；对流换热热阻由式(6)计算得出：热系数由基于计算流体力学方法的仿真拟合得到；对流换热热阻由式(6)计算得出：
式中，d为气隙等效长度，υ是流体的运动粘度系数，u为流体流速，nu是流体的努塞尔数，re是流体的雷诺数。pr是普朗特数，α为对流换热系数，λ
流体
为流体的导热系数，s为换热面积。(4)由于能量守恒，电机内各节点流出能量与流入能量相等，类比电路中的基尔霍夫电流定律，得到针对任意节点的热平衡方程，如式(7)所示：-g(i,1)t(1)
‑…
+g(i,i)t(i)
‑…‑
g(i,n)t(n)＝p(i)
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，g(i,i)为节点i的自热导，g(i,n)为节点i与节点n之间的互热导，p(i)为节点i损耗，t(i)为节点i温升。将各个节点所列出的热平衡方程组合则建立起电机的冷却矩阵，如式(8)所示(5)根据步骤(4)中所建立的电机冷却矩阵即分别求出在三种典型工况，即额定转速工况、最大转矩工况、最高转速工况下的电机各部件平均温升。8.根据权利要求7所述的温度场分析方法，其特征在于，利用基于计算流体力学法的仿真拟合得到绕组端部对流换热系数对电机端部进行建模，对电机的转速区间平均划分子区间，使用fluent软件中的vof多相流模型进行计算流体力学分析，将每个子区间所得到的结果拟合，得出绕组端部随转速变化的对流换热系数曲线；并且在三种典型工况下对比电机主要部件：定子、绕组、转子以及永磁体的等效热网络法与计算流体力学法的结果进行验证。
技术总结本发明涉及一种空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机，其空心轴喷油冷却结构包括空心轴和设置在空心轴内的空心轴油道，其特征在于，在空心轴油道和转子的永磁体腔之间增设径向油道，在转子两端的端盖分别增设端盖喷油孔，端盖喷油孔与转子的永磁体腔相连通。本发明同时提供所述的空心轴喷油冷却内置式永磁同步电机的温度场分析方法。电机的温度场分析方法。电机的温度场分析方法。
技术研发人员：王慧敏 刘笑辰 张涛 郭丽艳 李新旻
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1
