关于水冷电机散热结构的优化设计分析

关于水冷电机散热结构的优化设计分析

摘要：以电动汽车电机采用的特殊结构为切入点，结合定子机壳内周向螺旋水槽的结构，对其水冷系统进行了优化设计，分析与计算了其散热能力以及流阻损失影响因素，最终得出了对电机水槽结构设计的有益之处。

关键词：水冷电机；散热结构；优化设计

作为新时期电动汽车的关键技术，汽车的电机驱动系统对于其各功能的运行意义重大，需要其电机具备高效率、高可靠性等特点，高功率密度驱动电机的持续运行会加剧电机温升，降低系统可靠性，因此，合理设计电机冷却结构，对于降低电机温升，保证电机可靠性意义重大，本文将结合定子机壳内周向矩形水槽的结构，对其水冷系统进行了优化设计。 1 电机水冷套内流体流动及传热相关计算 1.1 流体运动基本方程

借助于连续性方程和纳斯一斯托克斯方程表示不可压缩流体的运动，具体可用式（1）表示圆管中流体的雷诺数如下[1-2]：

v

d

u e =R （1）

式中，v 为流体动力粘度，且μ

ρ

=

v ，d 为 圆管直径，u 则为平均流速，对非圆形截面的管道，对应的尺寸为管道当量直径为e d ，其满足以下关系：

S

A

4d e =

（2） 其中，S 为道润湿周长，A 为管道截面面积。 管道内总阻力损失f h 具备以下关系：

g

2u

d h 2

1⋅⋅=L f λ （3）

其中，L 为管道长度，λ为沿程阻力系数，u 为水流平均速度，d 为圆管直径，则局部阻力损失2h f 可表示如下：

g

u

f 2h 2

2⋅=ς （4）

其中沿程阻力系数用ς表示，其由道的结构形状决定。 1.2 电机水冷套传热基本方程

用冷却公式表示电机冷却水道表面的对流换热情况如下：

()

f w h T T hA -=Φ （5）

其中，A 为散热面积，h 为流换热系数，f T 为流体温度，w T 为固体壁面温度，h Φ则表

示单位时间内对流换热量。

结合图斯-贝尔特公式及管内紊流换热规律，对对流换热系数进行计算得：

4

.08

.0r

e 023.0u P R N = （6）

其中，Re 为流体雷诺数，Nu 为努塞尔数，流体普朗特殊则用Pr 表示。其中Nu 包含对流换热系数h ，其可用下式计算得到：

e

d Nu h λ

⋅=

（7） 2 水冷电机周向水槽水冷结构及流场 2.1 螺旋水槽水冷电机结构

具体说来，轴向结构和周向结构为常用的典型结构，将水冷电机的水槽内置于电机壳内，如图1，为周向水槽水冷电机结构。

图1 结构及水流流向示意图

周向水槽水冷电机结构常采用螺旋式和折返式两种基本结构型式，螺旋式绕电动机外壳，结构通畅，道截面积比较均衡，本文以螺旋水道为例进行分析。从上图中可看出两端的环形水道和中间的螺旋形水道共同组成了周向水槽

从上图中可看出，周向水槽有着较为复杂的结构，电机的两端间的温差较大，冷却水从其一端流向另一端。

2.2 冷电机周向水槽结构的流场分析

借助于有限元法，笔者研究了水槽流场的分布，对其进行了仿真计算，得出电机周向水槽内的水流速度分布，发现两端的环形水道与中间的螺旋形水道的水流速度不同，这与水道截面积不同有关，且二者间存在过渡区，且在螺旋水道与环形水道的交汇处、入水口后方均存在流动低速区，共同组成了其流场[3]。 3 向水槽结构散热能力影响因素分析

（1）截面尺寸。结合前述的公式（1）~（3）可看出，等效直径会随着截面尺寸的变小而变小，且对应的努赛尔数越大，雷诺数越大，则其散热系数就越大。在设计水道方面，显然不应只看重散热能力，还应对水道的流阻的限制作用进行考虑，结合流阻公式可知，不可任意缩小水道尺寸，所以应考虑到水道的阻力损失。

（2）隔板厚度。螺旋水道中间的隔板的散热效果类似于肋板散热，基于其隔板较薄的

现状，除主散热面是直接将传导来的热量散掉外，水道的四个散热表面中的三个表面皆是借助隔板传递的，所以，对于水道散热能力而言，隔板的厚度的影响较大。

在隔板厚度对水道散热能力的影响的分析方面，笔者借助耦合场汁算的方法，就不同厚度隔板下的电机冷却水套等效散热系数进行了计算。如图2，为仿真用电机水套的结构图[4]。

图2 某车用水冷却电机水套结构图

上图显示出水套与电机定子外表面的接触面，水套加热面积A=0.44mm ²，在此前提下，我们假设电机发热功率为660W ，且对隔板厚度mm 6,mm 4,mm 2t =时水套的等效散热系数进行计算得出的结果具体如表1所示，其中，D 为水套加热面温度/u T ℃，B 为发热功率

W /Φ，G 为等效散热系数h e ／W ／(m 2-k)，A 为隔板厚度t ／mm ，E 为冷却水平均温度/T ℃，

C 为水套加热面积A/m ²，F 为等效散热系数()

k m //h 2e ⋅W 。

表1 不同厚度隔板的水套等效散热系数计算结果 A B C D E F 2

660

0.44

72.46 70.38 5807 4 72.57 70.39 6818 6

73.67

70.82

5250

结合上述计算结果可看出，当隔板厚度分别为2、4、6mm 时，对应的电机的等效散热系数并不相同，等效散热系数最大得时刻出现在的隔板厚度为4mm 时，当其厚度为2mm 和6mm 时，以4mm 时等的等效系数为标准，另外二者的等效散热系数为其的14.8%和23%，所以，就水道的散热能力看来，隔板厚度对其影响较大，本电机中，隔板厚度的最佳值仍然不是4mm ，有待进一步计算分析确定。

（3）加工制造工艺。具体说来，如果水套并非一次成型铸造，会分为外部水套壳和内部水槽部分，基于安装精度及加工制造工艺方面的原因，水槽的水套壳和隔板间存在微小间隙。在其对水冷套散热能力的影响的研究方面，笔者以图2的某车用水冷永磁电机为例，研究了其等效散热系数，最终发现隔板和水槽套外壳之间微小间隙的存在，对向水套壳传热的作用和隔扳的导流作用会形成削弱，并通过对水流平均速度的降低，最终使得水套散热能力被降低，所以，需采取密封措施进行电机水套加工与装配，从而使得隔板的导流作用和传热作用得到保障。 结束语：

综上所述，影响周向水槽散热能力的因素众多，本文结合对水冷电机散热结构的优化