电机壳体Z字型冷却水道设计

杨学威，　张小发

(上海交通大学，上海　200240)



电机壳体Z字型冷却水道设计

杨学威，张小发

(上海交通大学，上海200240)

随着电动汽车的发展，高功率密度电机越来越成为车用电机的发展趋势，随之而来的电机散热问题也越来越受到人们的关注。轴向Z字型水路因其具有加工制造简便，成本低廉，便于实现产品的平台化、批量化生产而受到大量研究和使用。以电动汽车用52kW永磁同步电机水道壳体为研究对象，按照水路设计的步骤，综合考虑水道的散热效果和水道的压力损失，给出了轴向Z字型水路的设计方法，具有很好的指导意义。

电动汽车； Z字型冷却水道； 冷却水路数； 电机温升； 水道宽度

0　引　言

电动汽车用电机通常采用水冷方式进行散热。水冷散热效果的好坏关键体现在水路设计是否合理上，水路设计变得尤为重要。

目前使用较多的水路结构是轴向Z字型水路和周向螺旋型水路两种。周向螺旋型水路平滑，水流阻力损失小，但由于进出水口温度的差异，会使电机两端产生温度梯度，且加工复杂、成本高，不利于批量化、平台化发展[1-2]。轴向Z字型水路，可以很方便地把进出水口设计在电机的同一端，避免了由于进出水口温差而产生的电机两端的温度梯度，散热比较均匀[3-4]。轴向Z字型水路还有一个优点就是结构简单，易于通过铝型材挤压成型的方式获得。

本文通过传热学和流体力学的理论推导，设计了一种满足电机散热需求和水阻损失的轴向Z字型水道壳体结构。

1　设计思路

参照传统铝型材挤压工艺，可以在圆柱形电机壳体上挤压出沿轴向分布的密闭空腔。通过交替地将相邻空腔的隔断切低，配合前后端盖的密封就可以在电机壳形成连通的闭合水路。Z字型水路的结构为单条水路轴向直走，水路之间180°转折，首尾依次连接，进出水口被一隔水台分隔两边[5-6]。

电机的散热主要是因为电机本体和冷却介质之间存在温度差。温度差是热量得以传递的前提条件，热量的传递总是由高温处传向低温处[7-11]。由于机体表面与流体之间的对流换热，可以通过热传导及物质传递的方式综合进行。当机体表面比流体温度高时，热首先通过传导从机体传给机体壁附近的流体粒子。被传递的能量高于流体粒子的内能，通过流体运动与流体粒子一起被传递出去。当被加热的流体粒子到达低温区域时，热再通过传导由高温粒子传递给低温粒子。基于以上热传递的理论，设计电机水路时，需要提高电机本体与冷却液之间的对流换热系数[12-17]。

此外，水路的设计不仅需要实现有效的散热，还要兼顾到整车供水泵的能力，以及对水降温的散热器的能力，需要尽量降低它们的负荷。这就要求水路的水阻损失要尽可能的低。

2　设计方法

本文以某型号永磁同步电机为研究对象，电机参数如表1所示。电机采用水冷结构，机壳中沿轴向均匀地分布若干条轴向水道，各水道通过高低交错的通水口连通。在前、后端盖处增加密封圈进行封堵，并在电机端部增加两个水管，实现冷却液沿轴向折返后环绕机壳一周的循环流动对电机进行冷却。电机冷却水流量为8L/min，要求实现电机水路散热量≥8000W，水道压力损失≤15kPa。

表1　电机基本参数

电机壳体水道结构如图1所示。

图1　轴向Z字型水路结构

综合考虑电机机壳结构尺寸和铝机壳挤压加工的难度要求，电机水路数n初步选定为18条均分。

根据电机外径和定子外径，可以确定机壳的单边厚度为15mm。考虑端面平面密封要求和机壳的强度要求，水道的内、外侧壳体各留3mm的密封平面，从而可以确定水道的高度为9mm。

考虑电机机壳的机械强度，水道的隔水台宽度m取8mm。由此得水道的宽度a为

(1)

式中：n——水道数；

D——水道的平均直径。

经计算得水道宽a=28.85mm。

3　设计校核

3.1散热效果计算

散热效果是电机冷却水路带走电机内部热量能力的体现，是衡量电机冷却水路设计好坏的重要指标。冷却水路的散热能力，主要由水路的传热系数和水路的面积决定[18-20]。详细计算步骤如下。

流量计算：

(2)

式中：Q——水流量；

Pi——电机损耗功率；

ρ——水的密度；

cp——水的比热容；

ΔT——进出水口温度。

水路截面积：

S=a×b

(3)

水路截面周长：

l=2(a+b)

(4)

流速：

(5)

当量直径：

(6)

雷诺数：

(7)

式中：τ——水的运动粘性系数，取1.519×10-6。

根据米海耶夫公式，取努赛尔数：

(8)

式中：pr——水的布朗克常数；

prf——已选择的水温下水的布朗克常数；

prw——水路壁温下的布朗克常数。

通常这两个值很接近，认为：prf=prw，故：

Nu=0.021×Re0.8×pr0.43

(9)

传热系数：

(10)

式中：h——传热系数；

α——水的导热系数。

由式(10)可见，在冷却水温度和电机损耗一定的情况下，水路传热系数主要由水路截面尺寸确定。

水路总长：

L总=n·L轴

(11)

式中：L轴——水道的轴向长度。

水路的散热量：

Pi=h×A×ΔTi

(12)

式中：A——水与管道接触的面积，A=L总·l；

ΔTi——水与管道的温度差。

3.2进出水口压差计算

对于整车而言，水泵的扬程是有限的，为了更好地利用和分配水泵的扬程，水道的水阻是衡量水路设计是否合理的又一重要指标。水道的进出水口压差是由管道的阻力引起的，在计算过程中水道的阻力以相应水柱的高度标示，单位为m，表示相应高度的水柱所产生的压强。

管道的阻力主要由沿程阻力和局部阻力两部分组成。沿层阻力是与流体流过的路程、流速及水路的截面尺寸有关的物理量。计算公式为

(13)

式中：g——重力加速度。

当2300

(14)

当105

(15)

水道的局部阻力和水道的结构形式有关，局部阻力主要是由水路弯折引起的，文献[21-22]给出了局部阻力系数和弯折角度的关系，如表3所示。

表3　局部阻力系数和弯折角度的关系

轴向Z字型水路的弯折角度为90°，ζ取0.8，弯折次数为水路的个数减1之后的两倍，文献[7]给出了局部阻力公式：

(16)

故水道的总阻力为

h总=hf+h局

(17)

液体水柱产生压强的定义公式：

p=ρgh

(18)

式中：p——水道进出水口的压差；

h——水柱的高度。

代入电机和水道参数进行计算，校核结果如表4所示。

表4　校核结果

通过上述计算校核，水道设计满足散热效果和水路压力损失，符合设计要求。

4　结　语

通过对Z字型水路的散热效果和水道压差的分析，可归纳出Z字型水路的参数设计方法如下：

(1) 根据对机壳外形尺寸和铝挤压加工难度的综合考虑，尽可能多地选择水路的数量。水路数的选择应为偶数条，以便能将其所有水路串联成一个回路。

(2) 根据电机电磁计算和整车布局空间的要求，电机的轴向长度和机壳的内、外直径可以确定；综合考虑机壳的结构强度和密封结构的要求，水道的高度b可以确定。

(3) 综合考虑电机机壳的机械强度，水道的隔水台宽度m可确定在一定的范围内。

(4) 根据确定的水道数、机壳的直径和隔水台宽度，便可计算出水道的宽度a。

(5) 通过确定的水道结构参数，进行机壳散热效果和水道进出水口压差的校核。

水路的设计不仅要考虑电机散热的要求，还要考虑水道的压力损失。轴向Z字型水道的设计过程中，可通过增加水道的数量去减小水道的宽度，减小水道的截面积，从而获得较大的冷却液流速和水路的总长度，提高水道的散热能力。但在水道数量增加的同时，随着水道截面积的减小，水道的压力损失也会快速增加。在轴向Z字型水道设计的过程中，可以在满足压力损失和加工难度的基础上，尽可能多地增加水道的数量来提高水道的散热能力。

[1]刘兆江.采煤机用防爆型水冷电机设计[D].哈尔滨： 哈尔滨理工大学，2009.

[2]黄苏融,张琪，谢国栋，等.直接液冷和热屏蔽的三明治结构电机电枢： 中国，201010291003．7[P]．2010-09-21.

[3]TONG W M, TANG R Y, AN Z L, et al. Water cooling system design and thermal analysis for low speed permanent magnet machines[C]∥ International Conference on Electrical Machines and Systems,2011： 1- 4.

[4]王继强，王风翔，孔晓光．高速永磁发电机的设计与电磁性能分析[J]．中国电机工程学报，2008，28(20)： 105-110．

[5]梁培鑫.水冷电机水路设计的研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2013.

[6]和伟超．电动汽车用永磁同步电机水冷系统设计及温升分析[D]．杭州： 浙江大学，2013．

[7]徐建国.基于有限元温度与结构分析的电机设计与优化[D].武汉： 华中科技大学，2009.

[8]DRAGOS I D， CONSTANTIN G， AUREL I C． Thermal study of induction machine using motor-CAD[C]∥ 3rd International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEEE)，16-18 Sept，Galati Romania，2010： 23-27．

[9]CHEBAK A， VIAROUGE P, CROS J. Analytical computation of the full load magnetic losses in the soft magnetic composite stator of high-speed slot less permanent magnet machines[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2009，45(3)，952-955．

[10]PFISTER P D, PERRIARD Y. Very high-speed slot less permanent magnet motors： analytical modeling, optimization, design, and torque measurement methods [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(1)： 296-303．

[11]李伟力，陈玉红，霍菲阳，等．大型水轮发电机转子旋转状态下磁极间流体流动与温度场分析[J]．中国电机工程学报，2012,32(9)： 132-139．

[12]李伟力，丁树业，靳慧勇．基于耦合场的大型同步发电机定子温度场的数值计算[J]．中国电机工程学报，2005，25(131)： 129-134．

[13]邰永，刘赵淼．感应电机全域三维瞬态温度场分析[J]．中国电机工程学报，2010，30(30)： 114-120．

[14]西川兼康，藤田恭伸.传热学[M].北京： 兵器工业出版社，1990.

[15]丁树业，葛云中，孙兆琼，等．高海拔用风力发电机流体场与温度场的计算分析[J]．中国电机工程学报,2012，32(24)： 74-79．

[16]丁树业，孙兆琼，苗立杰，等．永磁风力发电机流体流动及传热性能数值研究[J]．电机与控制学报,2012，16(8)： 74-81．

[17]ZHANG Y J， RUAN J J， HUANG T， et al． Calculation of temperature rise in air-cooled induction motors through 3-D coupled electromagnetic fluid-dynamical and thermal finite-element analysis[J]． IEEE Transactions on Magnetics，2012，48 (2)： 1047-1050．

[18]宋科璞，陈卫东，刘元度．基于多场耦合的开关磁阻起动/发电机油冷结构设计[J]．电机与控制应用，2012，39(6)： 6-11．

[19]LI G J, OJEDA J, HOANG E, et al. Thermal-electromagnetic analysis for driving cycles of embedded flux-switching permanent-magnet motors vehicular technology[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2012，61(1)： 140-151．

[20]张育兴，马伟明，陈伯义，等．周期脉冲式直线感应电机定子瞬态温度特性[J]．中国电机工程学报，2012，32(9)： 86-92．

[21]贾月梅，赵秋霞，赵广慧.流体力学[M].北京： 国防工业出版社，2006.

[22]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京： 清华大学出版社,2004.

Z-Shaped Cooling Channels of Motor Shell Designs

YANGXuewei,ZHANGXiaofa

(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

With the development of electric vehicles, the high power density motors increasingly become the development trend of the motor vehicle, motor heat attendant problems more and more people’s attention. Axial Z-shaped waterway because of its simple manufacturing, low cost, facilitate the realization of the product platform, and mass production suffered extensive research and use. Electric cars with 52kW permanent magnet synchronous motor housing waterway research object, following the procedure of waterway design, considering the cooling effect watercourse and watercourse pressure loss, offer design method of Axial Z-shaped waterway, had a good instruction significance.

electric vehicle； Z-shaped cooling water； number of cooling water； motor temperature rise； the cooling water

杨学威(1988—)，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向为电动汽车电机结构设计与优化。

张小发(1974—)，男，硕士研究生，助理工程师，研究方向为电动汽车电机结构设计与优化。

TM 303.6

A

1673-6540(2016)09- 0062- 04

2016-05-09