杨学威;张小发
【摘 要】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52 kW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. 【期刊名称】《电机与控制应用》
【年(卷),期】2016(043)009
【总页数】4页(P62-65)
【关键词】电动汽车;Z字型冷却水道;冷却水路数;电机温升;水道宽度
【作 者】杨学威;张小发
【作者单位】上海交通大学,上海200240;上海交通大学,上海200240
【正文语种】中 文
【中图分类】TM303.6
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。
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。
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。
电机壳体水道结构如图1所示。
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
式中： n——水道数；
D——水道的平均直径。
经计算得水道宽a=28.85mm。
水台
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：
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：
水路截面周长：
流速：
当量直径：
雷诺数：
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：
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：
传热系数：
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：
式中： L轴——水道的轴向长度。
水路的散热量：
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
式中： g——重力加速度。
当2300<Re<105时，沿程阻力系数为
当105<Re<3×106时，沿程阻力系数为
由前面的公式可计算出Re=3090，故取。
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。
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：
故水道的总阻力为
液体水柱产生压强的定义公式：
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。
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。
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。
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。
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