考虑温度场和流场的永磁同步电机折返型冷却水道设计

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摘要

华南理工大学机械与汽车工程学院、佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司的研究人员吴柏禧、万珍平、张昆、席荣盛、何茂兴，在2019年第11期《电工技术学报》上撰文，针对永磁同步电机应用广泛的折返型水道结构，对一台额定功率68kW的永磁同步电机建立流-固耦合的温度场、流场数值仿真模型来准确计算电机的温升与压降，并通过电机温升、压降实验对模型的正确性进行验证。

然后利用该模型分析了水道中流体的流动特性，建立入水口水道宽度、水道圆角半径与水道压降的关系，得到当入水口水道宽度为45mm，水道圆角半径为20mm时水道压降最小，电机温升得到改善。

通过对水道结构参数设计前后的样机进行温升及水道压降台架实验，测得经过设计后的电机绕组温升降低8.4℃，水道压降减小13.1%。

永磁同步电机因具有功率密度高、效率高、结构紧凑等优点，成为新能源汽车驱动电机的首选。随着电机容量的不断增加及其小型化和轻量化的发展，再加上新能源汽车用永磁同步电机的密闭式结构，导致电机运行时散热环境恶劣，电机温升过高，成为制约新能源汽车用永磁同步电机向高功率密度、高效率发展的重要因素。

新能源汽车用永磁同步电机大都采用水冷方式对电机进行冷却，冷却水道布置在机壳内部，通过机壳内部水道中的循环冷却介质带走热量，从而控制电机温升。目前，新能源汽车用永磁同步电机冷却水道的结构主要有折返型和轴向螺旋型两种。

轴向螺旋型水道的水路平顺，水道压降小，但由于冷却介质从电机一端流入另一端流出，电机两端的温度梯度较大，不利于对电机整体的温升控制。

折返型水道的水路呈迷宫状，不会在电机两端产生温度梯度，同时入水口与出水口可布置在电机同一端，方便水冷系统的布置，因而被广泛应用。

国内外学者对折返型水道进行了许多研究。佟文明等列举了螺旋型、折返型水道的优缺点，对一台低速永磁水冷电机建立了三维流体场和三维温度场模型，通过有限元法准确计算出了定子的温升。田玉冬等针对高功率密度电动车用驱动电机研究了一种折返型水路结构，依据流体动力学原理，采用有限体积法进行计算，证明其传热性能良好。

钱洪比较分析了折返型、螺旋型不同水道布置形式的结构特点及其对电机散热的影响。郝嘉欣等以水冷永磁同步电机为研究对象，细化分析了水道中的直肋的结构参数，对不同方案的电机定子进行热仿真计算后得到最为优化的肋片结构参数。王淑旺等建立了电机三维瞬态热分析模型，研究了对流换热系数以及压降与水道结构截面尺寸参数间的关系，给出了一种折返型水道截面尺寸的选择方法。

现有研究多采用基于积分形式守恒方程的有限体积法对电机的温度场、流场进行仿真，从而研究电机的温升，但并未对永磁同步电机常用的折返型水道的结构参数进行细化研究，对折返型水道结构参数对流体流动特性、水道压降以及电机温升变化的影响的研究也还不够深入。

本文对一台额定功率68kW的永磁同步电机的折返型水道结构参数进行设计。建立电机流-固耦合有限元模型，对电机温度场、水道流场进行仿真分析，并通过电机台架实验验证了仿真模型的正确性。进而通过仿真模型分析了水道内冷却水的流动特性，综合考虑分析入水口水道宽度与水道圆角半径对水道压降的影响，据此得到水道结构几何参数，实现了电机低温升的设计目标，最后进行电机温升与水道压降实验验证。

图1 永磁同步电机三维模型

图2  电机定转子结构

图3  水道结构二维展开图

图9 电机温升、压降实验测试平台

结论

通过建立流-固耦合的温度场、流场仿真模型对折返型水道进行了参数设计，并通过电机台架实验验证了仿真结果。

结果表明，水道宽度为45mm，水道圆角半径为20mm时，额定功率68kW的新能源汽车用永磁同步电机水道压降减少了13.1 %，电机绕组温升降低了8.4℃。

并得出折返型水道有以下规律：

• 当入水口水道宽度一定时，随着水道圆角半径的增大，水道压降呈先下降再上升的趋势；

• 每一特定入水口水道宽度，都有一个与之对应的水道圆角半径尺寸可以使水道压降最小，且使电机温升降低；

• 基于流型调控合理选取入水口水道宽度和水道圆角半径，先确定入水口水道宽度，再综合考虑水道的换热性能和压降，获得最佳的水道圆角半径的设计方法，为水冷电机流道设计提供参考。

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