电动车电机冷却水道计算

螺旋形电机水冷系统设计

庞瑞

上海联孚新能源科技集团有限公司

摘要：本文从传热基本理论出发，针对表面冷却中小型电机体积小，功率大，能量密度高的特点，给出了电机水冷螺旋型结构的详细计算过程，为电机冷却设计提供参考方案。

关键词：水冷，散热，螺旋型

1.引言

现代工业的发展对电机性能要求越来越高。电机热损耗问题制约着大容量电机设计发展。

根据冷却介质是否通过电机内部，电机冷却方式分为内部冷却和表面冷却[1]。中小型电机由于体积的限制，常采用表面冷却的方式。按冷却介质的不同，可以把电机分为分为空气冷却和液体（水或油）冷却。空气冷却，运行成本低，摩擦损耗大，散热效率低，常用在能量密度低，发热较低的电机结构中。水冷电机，运行成本高，摩擦损耗小，散热效率高，常用在能量密度高，发热量大的电机结构中。

水冷技术应用于电机散热具有很好的冷却效果。电机水冷结构设计的核心任务是电机散热计算，使得电机损耗生热与冷却介质带走的热量达到平衡，从而控制电机温升再允许范围内。此外，冷却介质流速是散热能力重要影响因素之一。冷却介质的流速与压头及流经管道阻力有关。压头由水循环系统的泵产生。流经管道阻力取决于冷却结构的具体形式。螺旋型结构是指水槽在壳体中成螺旋型分布以往的设计过程[2]是首先设计好水槽的机构尺寸，设定入水口温度、水槽温度、水流速度等参数，计算出水口温度，进而校核冷却系统的散热情况。这种方法，把设计的散热方案的散热功率作为计算结果，与实际需求的散热功率对比。设计方案的散热能力高于实际需要的散热能力，则视为方案可行；反之，方案失败。修改预先设计的水槽尺寸并重新计算直到满足散热条件。散热能力在设计之初是未知的，计算之后才能知道其散热能力。本文采用另一种方法，对散热结构进行设计。

2.水冷计算

2.1结构设计

电机的基本结构尺寸如图1所示，水套外径200mm，水套截面尺寸为宽24mm，高4mm，

图1

1.转子

2.定子

3.外壳

4.水套

电机的功率为7.5KW。经过电磁计算，电机总的损耗为

KW

P137

.1

=

损

（1）设所有损耗都转化为热能，在电机稳定运行过程中，热能被水带走。因此实际需要的散热功率为

KW

P

P137

.1

=

=

损

散

（2）冷却水相关参数见表1，

表1 水的相关物理参数

名称单位符号数值

流量

min

L

Q10

进口温℃

in

t30

出口温 ℃ out t 35 避温

℃

w t

40 导热系

数

k

m W ⋅

λ 0.620663

运动粘度

s

m 2

ν 710125.8-⨯

动力粘

度

()s m kg ⋅

f μ

0.00081

动力粘

度

()

s m kg ⋅

w μ 0.00049

普朗特数

r P 5.52167

（1）当量直径

()

m b a b a U A D e 00833.0244=+⨯⨯==（3）

式中：a 、b 分别为水槽的宽和高，A

为水槽截面积，U 为水槽湿润周长。 （2）雷诺数 平均温度

℃5.322

=+=out in f t

t t （4）

平均温升

℃5.7=-=∆f w t t t （5）

流速

s m A Q

w /389.1==

（6） 雷诺数

2.13675==

ν

e

e wD R （7）

由此可以判断，水系统流态为湍流。 （3）水流吸收的热量

()in out p t t m C -=Φ （8）

式中，m 为单位实际内流过水槽截面的质量。

（4）冷却水从水套壁吸收热量

t L D e ∆=Φπα （9）

α为对流换热系数，L 为螺旋水槽伸直后的长度。

（5）怒谢尔特数[3]

r m r e f

e u P R D N ελα8

.0023.0==

（10） 上式适用范围如下： ①壁面与水流间温差小于20℃~30℃，

②410>e R

③1207.0<

60≥e

D L

； 式中：r ε为考虑螺旋管道的修正系数，表达式如下：

3

3.101⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=o e

r R

D ε （11） 式中：0R 为螺旋管的曲率半径。 （6）水套长度计算

由式（8）~（11）联立求解得水槽长度

m L 578.2= （12）

螺旋槽圈数

19.410

190578

.23

≈⨯⨯=-πn （13） 取螺旋槽圈数为5 则水槽段长度为，

()mm L s 1651015255=⨯-+⨯=（14） 结论

本文从散热能力出发，选择进水口温度，出水口温度，水槽截面尺寸，利用传热学对流换热原理，设计了中小型电机表面冷却系统。 参考文献

[1] 陈世坤.电机设计[M].北京:机械工业出版社.2005；