电机冷却水道设计

螺旋形电机水冷系统设计与散热计算
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<<r P ， ④
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；
[2] 吴桂珍等.高能量密度水冷电机冷却系统设计与热力计算.防爆电机.2008.3；
[3] 杨世铭、陶文铨.传热学[M].高等教育出版社,2006。