電機殼體Z字型冷卻水道設計

楊學威，　張小發

(上海交通大學，上海　200240)

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電機殼體Z字型冷卻水道設計

楊學威，張小發

(上海交通大學，上海200240)

隨著電動汽車的發展，高功率密度電機越來越成為車用電機的發展趨勢，隨之而來的電機散熱問題也越來越受到人們的關注。軸向Z字型水路因其具有加工制造簡便，成本低廉，便于實現產品的平臺化、批量化生產而受到大量研究和使用。以電動汽車用52kW永磁同步電機水道殼體為研究對象，按照水路設計的步驟，綜合考慮水道的散熱效果和水道的壓力損失，給出了軸向Z字型水路的設計方法，具有很好的指導意義。

電動汽車； Z字型冷卻水道； 冷卻水路數； 電機溫升； 水道寬度

0　引　言

電動汽車用電機通常采用水冷方式進行散熱。水冷散熱效果的好壞關鍵體現在水路設計是否合理上，水路設計變得尤為重要。

目前使用較多的水路結構是軸向Z字型水路和周向螺旋型水路兩種。周向螺旋型水路平滑，水流阻力損失小，但由于進出水口溫度的差異，會使電機兩端產生溫度梯度，且加工復雜、成本高，不利于批量化、平臺化發展[1-2]。軸向Z字型水路，可以很方便地把進出水口設計在電機的同一端，避免了由于進出水口溫差而產生的電機兩端的溫度梯度，散熱比較均勻[3-4]。軸向Z字型水路還有一個優點就是結構簡單，易于通過鋁型材擠壓成型的方式獲得。

本文通過傳熱學和流體力學的理論推導，設計了一種滿足電機散熱需求和水阻損失的軸向Z字型水道殼體結構。

1　設計思路

參照傳統鋁型材擠壓工藝，可以在圓柱形電機殼體上擠壓出沿軸向分布的密閉空腔。通過交替地將相鄰空腔的隔斷切低，配合前后端蓋的密封就可以在電機殼形成連通的閉合水路。Z字型水路的結構為單條水路軸向直走，水路之間180°轉折，首尾依次連接，進出水口被一隔水臺分隔兩邊[5-6]。

電機的散熱主要是因為電機本體和冷卻介質之間存在溫度差。溫度差是熱量得以傳遞的前提條件，熱量的傳遞總是由高溫處傳向低溫處[7-11]。由于機體表面與流體之間的對流換熱，可以通過熱傳導及物質傳遞的方式綜合進行。當機體表面比流體溫度高時，熱首先通過傳導從機體傳給機體壁附近的流體粒子。被傳遞的能量高于流體粒子的內能，通過流體運動與流體粒子一起被傳遞出去。當被加熱的流體粒子到達低溫區域時，熱再通過傳導由高溫粒子傳遞給低溫粒子。基于以上熱傳遞的理論，設計電機水路時，需要提高電機本體與冷卻液之間的對流換熱系數[12-17]。

此外，水路的設計不僅需要實現有效的散熱，還要兼顧到整車供水泵的能力，以及對水降溫的散熱器的能力，需要盡量降低它們的負荷。這就要求水路的水阻損失要盡可能的低。

2　設計方法

本文以某型號永磁同步電機為研究對象，電機參數如表1所示。電機采用水冷結構，機殼中沿軸向均勻地分布若干條軸向水道，各水道通過高低交錯的通水口連通。在前、后端蓋處增加密封圈進行封堵，并在電機端部增加兩個水管，實現冷卻液沿軸向折返后環繞機殼一周的循環流動對電機進行冷卻。電機冷卻水流量為8L/min，要求實現電機水路散熱量≥8000W，水道壓力損失≤15kPa。

表1　電機基本參數

電機殼體水道結構如圖1所示。

圖1　軸向Z字型水路結構

綜合考慮電機機殼結構尺寸和鋁機殼擠壓加工的難度要求，電機水路數n初步選定為18條均分。

根據電機外徑和定子外徑，可以確定機殼的單邊厚度為15mm。考慮端面平面密封要求和機殼的強度要求，水道的內、外側殼體各留3mm的密封平面，從而可以確定水道的高度為9mm。

考慮電機機殼的機械強度，水道的隔水臺寬度m取8mm。由此得水道的寬度a為

(1)

式中：n——水道數；

D——水道的平均直徑。

經計算得水道寬a=28.85mm。

3　設計校核

3.1散熱效果計算

散熱效果是電機冷卻水路帶走電機內部熱量能力的體現，是衡量電機冷卻水路設計好壞的重要指標。冷卻水路的散熱能力，主要由水路的傳熱系數和水路的面積決定[18-20]。詳細計算步驟如下。

流量計算：

(2)

式中：Q——水流量；

Pi——電機損耗功率；

ρ——水的密度；

cp——水的比熱容；

ΔT——進出水口溫度。

水路截面積：

S=a×b

(3)

水路截面周長：

l=2(a+b)

(4)

流速：

(5)

當量直徑：

(6)

雷諾數：

(7)

式中：τ——水的運動粘性系數，取1.519×10-6。

根據米海耶夫公式，取努賽爾數：

(8)

式中：pr——水的布朗克常數；

prf——已選擇的水溫下水的布朗克常數；

prw——水路壁溫下的布朗克常數。

通常這兩個值很接近，認為：prf=prw，故：

Nu=0.021×Re0.8×pr0.43

(9)

傳熱系數：

(10)

式中：h——傳熱系數；

α——水的導熱系數。

由式(10)可見，在冷卻水溫度和電機損耗一定的情況下，水路傳熱系數主要由水路截面尺寸確定。

水路總長：

L總=n·L軸

(11)

式中：L軸——水道的軸向長度。

水路的散熱量：

Pi=h×A×ΔTi

(12)

式中：A——水與管道接觸的面積，A=L總·l；

ΔTi——水與管道的溫度差。

3.2進出水口壓差計算

對于整車而言，水泵的揚程是有限的，為了更好地利用和分配水泵的揚程，水道的水阻是衡量水路設計是否合理的又一重要指標。水道的進出水口壓差是由管道的阻力引起的，在計算過程中水道的阻力以相應水柱的高度標示，單位為m，表示相應高度的水柱所產生的壓強。

管道的阻力主要由沿程阻力和局部阻力兩部分組成。沿層阻力是與流體流過的路程、流速及水路的截面尺寸有關的物理量。計算公式為

(13)

式中：g——重力加速度。

當2300

(14)

當105

(15)

水道的局部阻力和水道的結構形式有關，局部阻力主要是由水路彎折引起的，文獻[21-22]給出了局部阻力系數和彎折角度的關系，如表3所示。

表3　局部阻力系數和彎折角度的關系

軸向Z字型水路的彎折角度為90°，ζ取0.8，彎折次數為水路的個數減1之后的兩倍，文獻[7]給出了局部阻力公式：

(16)

故水道的總阻力為

h總=hf+h局

(17)

液體水柱產生壓強的定義公式：

p=ρgh

(18)

式中：p——水道進出水口的壓差；

h——水柱的高度。

代入電機和水道參數進行計算，校核結果如表4所示。

表4　校核結果

通過上述計算校核，水道設計滿足散熱效果和水路壓力損失，符合設計要求。

4　結　語

通過對Z字型水路的散熱效果和水道壓差的分析，可歸納出Z字型水路的參數設計方法如下：

(1) 根據對機殼外形尺寸和鋁擠壓加工難度的綜合考慮，盡可能多地選擇水路的數量。水路數的選擇應為偶數條，以便能將其所有水路串聯成一個回路。

(2) 根據電機電磁計算和整車布局空間的要求，電機的軸向長度和機殼的內、外直徑可以確定；綜合考慮機殼的結構強度和密封結構的要求，水道的高度b可以確定。

(3) 綜合考慮電機機殼的機械強度，水道的隔水臺寬度m可確定在一定的范圍內。

(4) 根據確定的水道數、機殼的直徑和隔水臺寬度，便可計算出水道的寬度a。

(5) 通過確定的水道結構參數，進行機殼散熱效果和水道進出水口壓差的校核。

水路的設計不僅要考慮電機散熱的要求，還要考慮水道的壓力損失。軸向Z字型水道的設計過程中，可通過增加水道的數量去減小水道的寬度，減小水道的截面積，從而獲得較大的冷卻液流速和水路的總長度，提高水道的散熱能力。但在水道數量增加的同時，隨著水道截面積的減小，水道的壓力損失也會快速增加。在軸向Z字型水道設計的過程中，可以在滿足壓力損失和加工難度的基礎上，盡可能多地增加水道的數量來提高水道的散熱能力。

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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

楊學威(1988—)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為電動汽車電機結構設計與優化。

張小發(1974—)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向為電動汽車電機結構設計與優化。

TM 303.6

A

1673-6540(2016)09- 0062- 04

2016-05-09