德纳电驱动系统的油射流冷却技术：虚拟设计与分析方法的验证
作者：史蒂文·范赫伊（热系统高级工程师）、托马斯·温克博士（应用工程高级经理）
单位：德纳公司，轻型车辆工程部，比利时布鲁日
摘要
在电驱动系统中，随着对功率密度要求的不断提升，主动冷却系统逐渐成为研究重点。其中，油射流冷却作为冷却电机端部绕组的一种创新方式，因其能显著降低绕组与冷却介质之间的热阻，展现出良好的应用前景。此外，该技术还可实现润滑与冷却功能的集成。
当前，油射流冷却设计多依赖传统“制造-测试”路径，导致开发周期长、优化难度大。为应对这一挑战，德纳公司提出了一套虚拟设计与分析方法，并在专用热工水力试验台上对其进行了验证。
借助这一新方法，德纳成功实现了电机热点温度的高精度预测，其温度分布与实验数据高度一致，提升了油冷电机设计的可靠性。同时，该方法还显著缩短了开发周期，并为设计优化提供了有力支撑。
关键词：电机；油冷却；多相计算流体动力学
引言
近年来，德纳公司在推动车辆电气化方面持续发力，通过内部研发与战略收购，将传统传动系统能力扩展至电驱动系统领域。如今，德纳可提供变速箱、高低压电机、逆变器、控制系统、热管理及电池管理等全集成电气化解决方案，是该领域内唯一具备完整产品线的供应商。
图1：德纳电子推进能力
过去二十年间，德纳在全球9个技术中心持续投入研发，累计取得超过1300项电气化相关专利，形成了丰富的产品矩阵。这不仅体现了其在电动汽车领域的深厚积淀，也为客户的可持续发展目标提供了坚实支持。
问题陈述
随着市场对高性能电驱动系统需求的上升，行业对集成式冷却与润滑系统的要求日益提高。油冷却技术因油液良好的介电性能和高换热系数，成为端部绕组冷却的理想选择。
尽管已有研究提出了多种经验换热公式，但这些模型主要针对自由射流，难以准确预测复杂结构如端部绕组的换热行为。因此，多数油冷设计仍依赖“制造-测试”方式，效率较低。此外，CFD工具在现有研究中多用于局部区域，难以支撑整体设计优化。
为推动下一代集成式电驱动系统的研发，德纳认为，有必要深入理解油射流冷却的关键流动与传热机制，并建立一套高精度的虚拟分析平台。
电机油射流冷却的CFD建模与流动可视化
本节介绍了德纳在油射流冷却建模方面的研究。由于CFD精度高度依赖于CAD建模的准确性，研究人员对端部绕组进行了高保真三维建模。图2展示了被测器件（DUT）的等轴测视图，包括8层发卡式绕组、嵌入外壳的定子以及两侧的喷射环。
图2：CAD几何体的等轴测截面视图
仿真仅考虑流体域，并将冠侧与焊接侧分开建模，如图3所示。导线表面采用恒温边界条件，并通过接触热阻模拟绝缘层特性。
图3：CAD几何体的剖面视图
模型采用修剪网格，主要为六面体单元，并在关键区域加密。每个模型约3000万个单元。仿真采用瞬态VOF欧拉多相流求解器，时间步长控制库朗数小于1。模型收敛性评估基于油的质量平衡、传热量与出口温度。
图4展示了焊接侧端部的油流可视化结果，显示油在高温下粘度下降但仍能有效附着在绕组上，顶部部分区域出现油滴落，底部存在油积聚现象。
图4：CFD油流可视化
热性能分析
为评估局部换热情况，将绕组表面划分为8个扇区，每扇区8层，共64个区域（图5）。图6展示了各扇区与各层的换热情况，显示外层与顶部扇区换热效果最佳，底部区域换热较差。
图5：端绕区定义：焊缝侧（左）、冠侧（右）
图6：按扇区（上）和按层（下）的热传递
多扇区集总参数模型
现有模型未考虑扇区间的温度差异，难以准确模拟油冷电机。德纳提出了一种多扇区集总参数模型，结合CFD结果，通过温度、流量与换热系数的计算，实现对各扇区热状态的动态模拟。
图7展示了该模型的温度与流量计算逻辑。通过LMTD公式计算各扇区换热系数，并将其代入模型中进行迭代求解。
图7：按扇区划分的流量与温度计算
（公式中，i 为扇区索引，j 为层数索引）
热工水力电机试验台的研发
该试验台旨在研究电机端部与油之间的换热特性。为减少环境干扰，定子外壳采用低热导材料制成，并置于两层XPS保温箱中（图8）。
图8：气候试验箱中的受试设备
定子模型
定子由叠片磁芯与8层发卡式绕组构成。绕组经过真空压力浸渍处理，并通过焊接点注入环氧树脂，以防止放电。
图9：焊缝侧特写
温度监测
试验中部署了80个K型热电偶，均匀分布于定子内部。传感器位于铜线绝缘层表面，并经过烘箱校准，以提高数据准确性。
图10：定子温度传感器位置
油温由PT100传感器测量，精度达0.03 K，用于计算油带走的热量。
油流评估与验证
图11展示了试验与模拟中油流场的对比。结果显示油流分布趋势一致，验证了CFD模型的有效性。
图11：油流可视化：焊缝侧视图（左）、滴落特写（中）、排液特写（右）
热平衡
试验中，系统功率通过直流电源输入，直至达到稳态。桑基图（图12）展示了系统功率流分布，功率不平衡率仅5.4%，验证了测量系统的可靠性。
图12：装置中功率流的桑基图
温度分布
图13展示了定子温度分布及其标准偏差，底部扇区温度最高，热点与入口温差达70 K。
图13：测量的定子平均温度及其相对于流体入口温度的标准偏差
图14将模型预测与实测温度进行了对比，显示热点预测误差小于1 K，铁芯误差小于5 K，验证了模型的高精度。
图14：定子温度与流体入口温度的实测值与模型预测值对比
结语
德纳提出的结合多扇区集总参数模型与CFD的虚拟设计方法，成功实现了电机温度预测的高精度与高一致性。该方法不仅提升了研发效率，也为下一代集成冷却与润滑的电驱动系统开发提供了坚实基础。