基于CFD软件的油冷电机热管理

引言

本文为2021年8月25日西莫电机论坛第46期在线研讨会精华整理版。

主讲老师： 顾俊（苏州舜云工程软件有限公司仿真技术经理，曾从事前舱热管理仿真相关工作、动力系统CFD仿真及热管理相关工作，负责舜云科技动力系统模块的解决方案研发及推广工作，完成汽车行业多个头部企业的飞溅润滑及热管理分析技术移交工作；7年汽车工程领域仿真与设计经验）

主要内容：

1.油冷电机冷却结构的多样性

2.不同CFD热管理方法的对比分析

3.基于舜云仿真软件的油冷热管理

4.热管理技术的难点

下面开始进入研讨会正文：

1 油冷电机冷却结构的多样性

在以前风冷电机的那个时代，我们可能并不需要太过于关注他内部的一些发热问题，这是很典型的一款西门子风冷电机，右边这个图片是风冷电机的一些散热手法，他的轴上会带一些挡板让内部的风能够高速的流动起来，然后外壳这一块也会有一些加强筋或者说一些散热筋能带走更多的热量，这大概已经是很早以前的那种电机设计。现在这个阶段的话，用水冷电机就是新能源汽车应用还是比较多的，大部分路上跑的一些新能源汽车更多的还是用水冷电机的，油冷电机的话只不过是这两年才开始火热起来，实际上在路上跑的可能还并不怎么多。水冷电机的话有一个特点，它的冷却型式非常非常单一，并且当初我们在做水冷电机的相关设计时，它的NVH 可能并不是那么的完善，所以它一般都会在表面包一层那个消音棉，就肯定会有类似的一些那种消音阻断的一些结构，然后导致它整体的一个散热是非常依赖水套的。那当初的话就是水套这一块的散热问题，对于主机厂怎样去安排这么大的一个散热需求，在前舱这一块里面要合理的分配给他，而且要时时保证它能够有足够的散热，这其实是一个比较头疼的问题。

现在基本上大部分厂家都已经开始进入油冷电机的一个时代，油冷电机的话，大家可以看到我这边的那个图片也是最多的。油冷电机有比较多的一个冷却形式，它分两种，转子和定子，它们分别有不同的形式，这边简单的展示了几种，第一种的话就是定子有槽的，然后这种槽就相当于定子硅钢片就已经帮你开好了那些沟槽，然后你的油能够通过这些沟槽流到分油环上，然后再喷到绕组上，这种形式的话其实是在早期比较多一点，现在基本上不怎么看得到，当然闲杂也有。另外一种就是硅钢片上的槽不是开在最外面边缘上，它开在硅钢片的边缘里面一点点，像这种冷却方式的话，有一个非常大的优点，就是它的油路分配非常固定，就是油一定是会沿着这个地方去走的，但它也有一个很大的问题，就是油到底能不能充满，其实我想大家如果说做油冷电机这一块做比较多，都应该看到过类似的一些问题。

我们现在看到这个油冷电机它的结果其实是非常好的，几乎是能够保证每一个地方都很均匀的，这是一个很好的设计，其实大部分情况的话，有可能这边有一些油，下面有一些油，剩下就没有了，那这个会体现在就有一块区域特别的热。然后还有一些其他的定子冷却方式，像那个双电机的一个淋油，然后我这边展示的是一个不太成功的设计，可以看到右边的发电机它的淋油很多，上面驱动电机反而很少，然后像这种方式的话，就普遍存在一些混动系统内，其实我们是建议两个电机的高度差尽可能控制小一点，这样能够保证管路这一块的设计有足够的空间。这是定子这一块。

可能现在就是还没有怎么暴露出来的一个比较大的问题。就是转子的一个甩油，我们很早以前是不是都用这种转轴甩油的形式，转轴甩油的一个形式的话不会有什么太大的问题，它的甩油的损耗也都非常小，都是百瓦以内的，但是随着我们对能量密度要求的不断升高，转子的散热问题也开始暴露出来了，怎么样让磁钢这一块的散热更加的快速，能够让整个电机进入到更高的一个转速状态，就必须要想办法让油路开到离磁钢更近的一些地方。那就是两种方法，一种是直接把油通到磁钢的附近，这种方法的话非常好，但问题很大就是甩油的损耗非常的大，像，转轴甩油的方式一般也就是30瓦左右，这种转子刷油的话可能会达到四五百瓦这样的一个状态。然后我们就会另辟蹊径去做一些其他的结构，比如说端盖甩油，端盖甩油有一个好处，能够对绕组有一个更好的喷淋，但其实对转子自身的冷却的话，是不会有太大的效果的，你可以想象一下就一个发热体的左右两端稍微冷一点，但中间的发热量反而是更大的，两端温度低它发热量本来就少，那他们带走热量其实也很少。

2 不同CFD热管理方法的对比分析

这是来自于网络的一个图片，motorcad其实有很多的优点，他能够算电磁，也能够顺带着把热也计算了，但是这是一个定制化的模板，没有办法在某一个你想要的地方加一些额外的节点，那这个就会造成温度的计算不准确，可能预测不到一些非常高温的地方。

三维方式这一块有很多的软件，这类软件的优点相较于一维的这种分析而言的话，它的可视化程度会非常的高。更加的可靠，更加的能够提供细节化的一些数据，能出两三百页的报告，能提供每一个点的温度，但在瞬态计算时可能需要花费非常大的时间，像这种三维方式的话，一般适合于求解稳态。

这是一种一维加三维的一个方式，就是我们的一个软件体系方式，我们的方法非常简单，怎么样去实现在项目的可控周期内的一个热分析呢。那第一步就是把热和流体拆开来计算，再进一步的话还可以拆的更细，比如说转子甩油单独算，然后定子的喷淋单独算，像这样单独算了以后，就能得到非常多的一些流体结果，当然大家可能会考虑到转子甩油和定子绕组的喷淋叠加在一起后是不是会有一些奇怪的现象，或者说一些更加特别的散热形式出现，这其实就是一种CFD里面的类似于那个极限的一种方式，就是能够保证定转子这块良好的话，基本上他们拼在一起是不会有什么太多的问题，当然这并不是告诉大家这块可以不用算，这块还是有必要去算一下。在我们的这个软件里面我们一般会先去求解淋油，然后再去通过电机淋油得到的一些HTC的数据，去计算整个温度的分布。大家还可以看到在右边有一个一维的热网络的计算结果。已经在开发专门针对油冷电机的那个一套模板，在我们的模板里面这些点的数量是可以改变的，这个大家可以期待一下。

3 基于舜云仿真软件的油冷电机热管理解决方案

我们是一家国产的CAE软件研发企业，目前的话一共有三个模块，分别是流体模块，三维热模块，还有通用流体仿真软件。

这是一个油冷电机的热管理流程，要算一个油冷电机的热分布问题，首先第一点要知道他到底哪些地方发热，那左边第一块讲的就是发热源的问题。一个热管理损耗一定要算准，发热量、发热源一定要算准，如果说损耗都没有算准的话，那其实后面的一些热边界计算是没有任何意义的。损耗计算还是需要更多的经验积累。

油冷电机散热形式主要是散热器加油泵这样的一个组合，这边还写了一个散热方式不可控的风冷散热方式。油泵和散热器需要通过电机的淋油以及管路带走的一部分热量，它就通过这两种方式把内部热量带走。那这个地方的精确计算就是舜云的一个强项。粒子法可以计算电机的淋油，shonflow可以计算管内流动。如果电机目前外部包裹消音棉之类的结构的话，就只需要考虑内部换热途径，但是其实现在nvh做的都比较好，其实并不会去包裹消音棉了，那此时就需要考虑外部散热。我们在做设计的过程中，可能很多的工程师，很多的厂家都仅考虑可控散热，一般不考虑外部散热，但其实外部散热也能够带走20%左右的热量。这部分散热为什么我们平时不考虑，原有非常多，主机厂很难提供前舱这一块的外流场的边界条件，也很难提供前舱的模型，所以我们就只要能够保证在这些散热的情况下，也能保证油温的平衡，没有超过温度，那我们就认为这个是OK的，这也是为什么实测的很多油冷电机润滑油的温度低于计算值的一个原因。

电磁设计软件具有足够的计算精度和准确性，可以精确计算损耗数值和分布。但损耗的计算准确性强烈依赖于硅钢片和永磁体材料属性的建模精度。绕组铜耗的计算结果相对准确，但永磁体损耗和硅钢片的涡流和磁滞损耗准确性需要准确的材料属性建模。当难以获取材料损耗相关属性时，需要根据试验结果修正损耗仿真数据。

轴承损耗计算较为保守，计算会比实测大，保证轴承运行过程中寿命有足够的保障。

shonDy基于半隐式移动粒子法，能够提供精确的轴承流体损耗计算。通过shonDy可以得到轴承在转动过程中的发热峰值数据，用于后续热分析。但这个也是有安全系数的。机械损耗和流体损耗都取了安全系数，那仿真时轴承温度会偏高。

这是刚刚讲的流程。先拿到电磁方案然后算出电磁这一块的损耗，然后拿到转子的一些结构算出转子的甩油损耗，然后拿到轴承的模型，用经验公式算出机械损耗，用shonDy算出流体损耗。那还有就是壳体结构这一块能够得到外部换热能力，就是刚刚讲的不可控散热，然后拿到转子结构以后电机的结构基本就完整了，可以去算内部换热。散热器的一些参数拿到以后，就可以去算散热器换热能力。当所有东西都有了以后，就能够算整个热管理这一块的分析。热管理分析这一块能输出的东西也是比较少的，无非就是温度热阻，润滑油的温度，换热器温度等的一些信息，都是非常简单的输出的一些数据。

通过shonDy的计算可以得到的热边界：1.电机壳体内部的对流换热系数分布

通过shonFlow的计算可以得到的热边界：1.电机壳体供油管路内的对流换热系数分布

通过shonDy的计算得到的其他结果：1.润滑油分布情况2.轴承供油量曲线，用于评估轴承润滑情况3.搅油损失曲线

可控散热优化在油冷电机散热里面的重要性是非常高的。电机温度到底合不合理，是温度高了还是低了完全取决于这一块。在我们的软件体系里面，实际上这些非常简单，只要知道了散热器的散热能力，那我们就可以求解出第三个点，就是那个油冷器出口这个点的温度。右下角是可输入的参数，以前我们做油冷器的选型时，会通过一些实验的手段，这相当于把实验手段这一块的相关参数都帮你还原进来了，只要你去往这个方向做的话，有足够的精力，可通过软件的手段直接计算出来，到底应该是选多大的，那这样的话就可以省去试验环节了，当然试验这块也还是要做的。

做完上述工作以后我们就可以进入整机温度场的计算，计算出来的结果其实就是这样，非常简单。计算的结果就是使每个部件或者说指定一些点，随时间的变化，这是一个瞬态的分析，shonTA也能够进行一些稳态的分析。那这一块分析的话，其实算出来的结果其实就没有必要再去详解了，实测出来是多少度，我们去对一下，如果OK的话，那我们就可以通过仿真里面的结果去评估一下哪些地方需要降温，哪些地方散热过多需要削减一些散热油路，那这些可以直接通过温度场去评估出来，不需要额外的去做一些其他的工作。到此为止CFD分析其实就已经结束了。

然后在接下来的话，其实还有一些工作要做的，就是不可控散热的这一块，针对CFD工程师而言，或者说针对CFD部门以及针对于油冷电机热管理仿真这一块的工作而言的话，不可控散热和系统热仿真其实是一个可选项，我们一般做到系统的热分析，知道这个油冷电机在热交换器散热的作用下，它的一个温度算出来以后，其实从CFD分析的角度而言，这块的工作基本已经完成，因为我已经算了一个最大值，我在最大值的一个温度都是满足要求的，那后续的一些分析其实就是锦上添花的，那不可控散热这一块就是一个锦上添花的工作。

我们可以想象一下，一个油冷电机在前舱里面，它可能有一些风面，他也可能有一些无风的面，大家可以想象一下，如果说有一个油冷电机他四方形的，然后左边是冷端，右面是热端，热端有很大的一个散热，冷端没有风没有散热，那是不是油冷电机的温度均匀性会变好；反之冷端风很大，热端没有风，那这个时候油冷电机就会因为这种不可控的一些外流场，他的温差会变得更加的恶劣，那这种情况的话其实很麻烦，我们以前在一些混动项目上的话，遇到过这个问题，不是油冷电机碰到的问题，而是整个系统它底部的温度和顶部的温度温差，已经非常非常夸张。这种其实就是不可控外流场引起的，也是我们没有办法计算的痛点。

完成了以下的所有工作以后，就可以做系统级的热管理。系统的热管理分析并不是说去算一个温度场，去算一个散热能力，而是通过一些参数的调配，比如说改某一个部位的对流换热系数，看是不是能够得到一个更加好的温度分布，像这种工作其实就是热管理要做的一些事。这块其实可以做比较多的一些工作，比如说结合实验可以去做一些类似于数字孪生相关的一些工作，写一下简单的算法实现自动优化；结合控制策略减少整个动力系统的热冲击，通过调配不可控这一块的一些结构，来实现整机的温度分布均匀，像这些工作的话，就是系统热管理要做的一些事情，非常后端的一个阶段。

4 热管理技术难点

讲了很多解决方法，也讲了很多关于我们软件的关于其他软件的目前解决问题的一些方式一些方法。其实所有的方法，包括我们公司的方法大家都有自己的痛点，那今天的话就讲一下我们这个热管理的解决方案技术难点。所有的技术难点都只是针对于解决方案的。解决方案内可能包含非常多的一些不可控因素，也包含一些其他软件的一些误差，比如说罗列的这个精度问题。在整个油冷电机的仿真过程中，CFD工程师被诟病的最多的是哪些点，“到底准不准？”。但在对标之前你是回答不了这个问题的，在热管理里面其实也有同样的问题，今天把这块的一些精度问题都非常清晰的剖析在大家面前。为什么热管理这一块会有精度问题，就是问题有可能达到那种设计工程师难以接受的，原因很简单因为所有的误差在叠加到一起以后，它可能会形成一个非常大偏差。假设以最恶劣的偏差范围用我们这套软件计算出来，结果有上下55%这么夸张。那这种情况下怎么去保证他的精度问题呢，这可能就是一个难点。目前为止我们这一块的方法是通过做完第一次热管理分析以后，让厂家协助我们来完成一次对标，通过这种方式来解决精度问题。在厂家的实验大纲里面有很多工况，那我们会额外的要求厂家做三个到四个工况去验证这个热管理的精确性。验证不同工况下温度和仿真之间的关系以后，就可以去修正这个仿真的精度，其实这只是解决了一个表面问题，真正想解决精度问题，需要从底层开始，但底层的话其实很难解决，有很多历史遗留问题，软件问题，我们一般不建议企业去深入的研究这一块。

还有一个问题可能大家会更加的关注，就是计算速度。当从水冷电机进化到油冷电机时，可能设计工程师的感受是非常明显的，以前CFD工程师三四天就能给出电机的温度，现在催了一个月两个月都算不出来，这里面的问题就是计算效率的问题，计算效率的根源在于油冷和水冷对于电机而言，可能仅仅是两种不同的冷却形式，换了一个介质变成一种绝缘油能够在电机里面流动了；但对于CFD而言的话，却有一个非常大的区别，从一个单向管内流动变成了一个自由液面带破碎波的仿真。像这种自由液面而且还带了那种飞溅带破碎这样现象的一些分析的话，首先第一点CFD工程师很了解有限体积法的话肯定知道有限体积法其实去算这种问题是没有办法解决的，因为动量根本守恒不了；那用一些其他的方法比如说格子玻尔兹曼方法或者说shonDy这些软件去计算的话，同样也存在一个问题，工况太多了，我就五台电脑，每一个工况可能要三四天，算一轮可能就要一个月的时间，大家还是很难接受。

但我们有一些额外的解决方法，首先从软件自身的角度会去做一些速率的提升。这个是基于mpi的速度提升，它能够让有超算或者说有云平台的一些企业在用我们的软件计算时，能够有一个非常快的速度。比如如果你们有三个节点、四个节点这样的一个计算能力能够给到油冷电机，那一个油冷电机的计算时间其实也就是一两天左右，会非常的快。像我们之前的客户，，他们能够给到40个节点，那基本上就能保证在两三天内把油冷电机的分析全都算完，已经能够达到一个非常好的速度了。但是有这样硬件配置的公司不是特别多，所以还是没有从根源上解决问题。

目前为止的话，其实我们也并没有真正的从根源上解决，但是我们提供一些解决方法，比如说可以让客户在华为云或者腾讯云阿里云上用我们的软件，我们也支持类似于像鲲鹏或者ARM架构以及企业私有云的一些定制化版本开发。同时如果说对软件控制程度比较高的话，其实完全可以依托于上海超算北京超算之类一些超算中心，他们能够提供非常廉价并且高效的仿真计算服务，我们同样也支持这类超算中心的安装。最后一点是GPU加速，其实shonDy这款软件在最早不太希望走上这条路的，因为之前的显卡比较贵，不过现在的话显卡价格已经下来了，目前的话我们已经基本上完成了GPU加速这一块的支持，相对于其他的一些软件而言，就是要求必须有计算卡或者说显卡必须性能很好，舜云这一块提供的GPU加速，还是相对非常亲民的，我们主要就是依托于显卡流处理器来实现加速。然后这一块也能够在油冷电机上提供一定的帮助。