新能源车用驱动电机水道优化设计

喻 皓 王 配 谭立真 覃云萍

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州511434）

0 引言

为提升电机性能，新能源车用驱动电机多采用强制水冷，水道设计是否合理直接关系到电机的冷却效果。根据水道走向的不同，驱动电机水道分为周向螺栓水道和轴向S型水道。螺旋水道流阻小，涡流少，水路平滑，冷却效率高，但由于其进出水口布置在电机两端部，使电机两端部温度不同，出水口侧因热量带走较少，温升压力较大，因电机最高温度点的冷却效果未得到改善，电机总体设计未达到最优。轴向水道相比螺旋水道，流阻大，容易形成涡流，但因其加工成型简单，成品率高，成本低，使其得到了大量应用。

本文从流阻和涡流角度出发，建立了评价电机轴向水道方法，并通过试验进行了验证。

1 物理模型及仿真模型

本文以广汽集团开发的某款新能源汽车用驱动电机为研究对象，设计了3款均匀分布的轴向水道，分别是8流道方案、16流道方案和20流道方案。电机水道高度相等，水道周向均匀分布。电机参数如表1所示，电机水道的物理模型如图1～图3所示。

表1 电机参数

图1 8流道方案

图2 16流道方案

图3 20流道方案

2 仿真结果对比

本文运用star-ccm+流体仿真软件对3个类型的水道进行仿真分析。仿真冷却液采用与整车相同的冷却液：50%乙二醇溶液。水道模型采用六面体网格。模型做以下假定：

（1）电机热量全部通过水道冷却交换；

（2）机壳内的冷却液做湍流运动。

对3种类型的水道进行仿真分析，仿真分析结果如表2和图4～图6所示。

表2 流阻仿真结果

图4 8流道方案

图5 20流道方案

图6 16流道方案

仿真结果表明：

（1）8流道方案因为水道层数少，单个水道横截面积比较大，水道流阻比较小，因此进出水口压差也比较小，但涡流区太大，容易使部分流体内循环，降低电机散热效率；20流道方案几乎无涡流，但流阻较大。

（2）16流道方案因水道层数增加，水道流阻提高，因此，进出水口的压差也较8流道方案增加。局部有少许涡流。

（3）20流道方案水道层数最多，几乎没有涡流，但因其水道最长，相对“弯折”的次数也最多，流阻最大，因此水道进出水口的压差也最大。

综合流阻及涡流情况考虑，16路水道对于电机整体散热最好。

3 温度场仿真

基于star-ccm+对电机进行了三维温升仿真，对模型做以下简化：

（1）忽略转速脉动影响；

（2）初始时刻，电机温度与环境温度相同；

（3）只考虑电机冷却水道散热，忽略空气、热辐射等热量散失；

（4）定子铁心端部温度均匀；

（5）转子发热对温度场的影响转化为定子齿、槽楔和气隙内空气的温度场变化，对流换热系数在电机轴向是相同的。

根据以上假设条件，建立几何模型，并对电机定子进行三维温升仿真分析。仿真分析工况及分析结果如表3所示。最低，为145℃，峰值扭矩296 N·m时，3种类型水道仿真温度结果相当，均为140℃，说明16层水道冷却效果最好；

（2）转速4 000 r/min，额定扭矩133 N·m时，16层水道温度最低，为141℃，峰值扭矩293 N·m时，3种类型水道仿真温度结果相当，均为140℃，说明16层水道冷却效果最好；

（3）转速8 000 r/min，额定扭矩85 N·m时，16层水道温度最低，为144℃，峰值扭矩150 N·m时，3种类型水道仿真温度结果相当，均为140℃，说明16层水道冷却效果最好；

（4）转速12 000 r/min，额定扭矩47 N·m时，16层水道温度最低，为149℃，峰值扭矩90 N·m时，3种类型水道仿真温度结果相当，均为140℃，说明16层水道冷却效果最好。

综上所述，16层水道冷却效果最好，三维温升仿真论证了电机水道流体仿真的结论。

4 试验验证

根据水道流体仿真分析和三维温升仿真分析结论，选择16层水道方案作为电机冷却水道最终方案，进行了样机制作以及水道压差测试。

在电机进出水口埋入压力传感器，通入冷却介质50%乙二醇溶液，流量为0～16 L/min，每隔2 L/min作为一个流量测试点，试验温度为65℃。检测在不同流量下，电机进出水口的压力，二者差值即为进出水口压力差，检测结果如表4所示。

表4 不同流量下水道压差测试结果

测试结果表明：16层水道方案，当流量为8 L/min时，进出水口压差为0.129×105Pa。仿真结果为0.125×105Pa，与实测结果很接近，相差3%左右，说明建立的仿真模型比较准确，通过仿真模型可以比较准确地计算水道冷却效果。同时也说明本文所研究的16层水道方案冷却效果较好。

5 结语

电机冷却水道的设计对电机冷却效果有着直接的影响，

表3 不同工况下的温升仿真结果

仿真分析结果表明：

（1）转速1 000 r/min，额定扭矩152 N·m时，16层水道温度而电机冷却效果又直接决定着电机输出性能。本文通过研究，电机轴向水道设计可参考如下设计方法：为了降低流阻，尽可能减小电机水道层数，然而水道层数减少，必然会带来涡流的增加，反而于电机散热不利，可以设计多重层数的水道，进行流阻和涡流的比较，选择合理的水道层数。