楊學(xué)威，　張小發(fā)

(上海交通大學(xué)，上?！?00240)

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電機(jī)殼體Z字型冷卻水道設(shè)計(jì)

楊學(xué)威，張小發(fā)

(上海交通大學(xué)，上海200240)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，高功率密度電機(jī)越來越成為車用電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，隨之而來的電機(jī)散熱問題也越來越受到人們的關(guān)注。軸向Z字型水路因其具有加工制造簡(jiǎn)便，成本低廉，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的平臺(tái)化、批量化生產(chǎn)而受到大量研究和使用。以電動(dòng)汽車用52kW永磁同步電機(jī)水道殼體為研究對(duì)象，按照水路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，具有很好的指導(dǎo)意義。

電動(dòng)汽車； Z字型冷卻水道； 冷卻水路數(shù)； 電機(jī)溫升； 水道寬度

0　引　言

電動(dòng)汽車用電機(jī)通常采用水冷方式進(jìn)行散熱。水冷散熱效果的好壞關(guān)鍵體現(xiàn)在水路設(shè)計(jì)是否合理上，水路設(shè)計(jì)變得尤為重要。

目前使用較多的水路結(jié)構(gòu)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(jìn)出水口溫度的差異，會(huì)使電機(jī)兩端產(chǎn)生溫度梯度，且加工復(fù)雜、成本高，不利于批量化、平臺(tái)化發(fā)展[1-2]。軸向Z字型水路，可以很方便地把進(jìn)出水口設(shè)計(jì)在電機(jī)的同一端，避免了由于進(jìn)出水口溫差而產(chǎn)生的電機(jī)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(gè)優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于通過鋁型材擠壓成型的方式獲得。

本文通過傳熱學(xué)和流體力學(xué)的理論推導(dǎo)，設(shè)計(jì)了一種滿足電機(jī)散熱需求和水阻損失的軸向Z字型水道殼體結(jié)構(gòu)。

1　設(shè)計(jì)思路

參照傳統(tǒng)鋁型材擠壓工藝，可以在圓柱形電機(jī)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(jī)殼形成連通的閉合水路。Z字型水路的結(jié)構(gòu)為單條水路軸向直走，水路之間180°轉(zhuǎn)折，首尾依次連接，進(jìn)出水口被一隔水臺(tái)分隔兩邊[5-6]。

電機(jī)的散熱主要是因?yàn)殡姍C(jī)本體和冷卻介質(zhì)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(jī)體表面與流體之間的對(duì)流換熱，可以通過熱傳導(dǎo)及物質(zhì)傳遞的方式綜合進(jìn)行。當(dāng)機(jī)體表面比流體溫度高時(shí)，熱首先通過傳導(dǎo)從機(jī)體傳給機(jī)體壁附近的流體粒子。被傳遞的能量高于流體粒子的內(nèi)能，通過流體運(yùn)動(dòng)與流體粒子一起被傳遞出去。當(dāng)被加熱的流體粒子到達(dá)低溫區(qū)域時(shí)，熱再通過傳導(dǎo)由高溫粒子傳遞給低溫粒子?；谝陨蠠醾鬟f的理論，設(shè)計(jì)電機(jī)水路時(shí)，需要提高電機(jī)本體與冷卻液之間的對(duì)流換熱系數(shù)[12-17]。

此外，水路的設(shè)計(jì)不僅需要實(shí)現(xiàn)有效的散熱，還要兼顧到整車供水泵的能力，以及對(duì)水降溫的散熱器的能力，需要盡量降低它們的負(fù)荷。這就要求水路的水阻損失要盡可能的低。

2　設(shè)計(jì)方法

本文以某型號(hào)永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)參數(shù)如表1所示。電機(jī)采用水冷結(jié)構(gòu)，機(jī)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(cuò)的通水口連通。在前、后端蓋處增加密封圈進(jìn)行封堵，并在電機(jī)端部增加兩個(gè)水管，實(shí)現(xiàn)冷卻液沿軸向折返后環(huán)繞機(jī)殼一周的循環(huán)流動(dòng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。電機(jī)冷卻水流量為8L/min，要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)水路散熱量≥8000W，水道壓力損失≤15kPa。

表1　電機(jī)基本參數(shù)

電機(jī)殼體水道結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　軸向Z字型水路結(jié)構(gòu)

綜合考慮電機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)尺寸和鋁機(jī)殼擠壓加工的難度要求，電機(jī)水路數(shù)n初步選定為18條均分。

根據(jù)電機(jī)外徑和定子外徑，可以確定機(jī)殼的單邊厚度為15mm。考慮端面平面密封要求和機(jī)殼的強(qiáng)度要求，水道的內(nèi)、外側(cè)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(jī)機(jī)殼的機(jī)械強(qiáng)度，水道的隔水臺(tái)寬度m取8mm。由此得水道的寬度a為

(1)

式中：n——水道數(shù)；

D——水道的平均直徑。

經(jīng)計(jì)算得水道寬a=28.85mm。

3　設(shè)計(jì)校核

3.1散熱效果計(jì)算

散熱效果是電機(jī)冷卻水路帶走電機(jī)內(nèi)部熱量能力的體現(xiàn)，是衡量電機(jī)冷卻水路設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)。冷卻水路的散熱能力，主要由水路的傳熱系數(shù)和水路的面積決定[18-20]。詳細(xì)計(jì)算步驟如下。

流量計(jì)算：

(2)

式中：Q——水流量；

Pi——電機(jī)損耗功率；

ρ——水的密度；

cp——水的比熱容；

ΔT——進(jìn)出水口溫度。

水路截面積：

S=a×b

(3)

水路截面周長(zhǎng)：

l=2(a+b)

(4)

流速：

(5)

當(dāng)量直徑：

(6)

雷諾數(shù)：

(7)

式中：τ——水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，取1.519×10-6。

根據(jù)米海耶夫公式，取努賽爾數(shù)：

(8)

式中：pr——水的布朗克常數(shù)；

prf——已選擇的水溫下水的布朗克常數(shù)；

prw——水路壁溫下的布朗克常數(shù)。

通常這兩個(gè)值很接近，認(rèn)為：prf=prw，故：

Nu=0.021×Re0.8×pr0.43

(9)

傳熱系數(shù)：

(10)

式中：h——傳熱系數(shù)；

α——水的導(dǎo)熱系數(shù)。

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

水路總長(zhǎng)：

L總=n·L軸

(11)

式中：L軸——水道的軸向長(zhǎng)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(jìn)出水口壓差計(jì)算

對(duì)于整車而言，水泵的揚(yáng)程是有限的，為了更好地利用和分配水泵的揚(yáng)程，水道的水阻是衡量水路設(shè)計(jì)是否合理的又一重要指標(biāo)。水道的進(jìn)出水口壓差是由管道的阻力引起的，在計(jì)算過程中水道的阻力以相應(yīng)水柱的高度標(biāo)示，單位為m，表示相應(yīng)高度的水柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。

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(guān)的物理量。計(jì)算公式為

(13)

式中：g——重力加速度。

當(dāng)2300

(14)

當(dāng)105

(15)

水道的局部阻力和水道的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，局部阻力主要是由水路彎折引起的，文獻(xiàn)[21-22]給出了局部阻力系數(shù)和彎折角度的關(guān)系，如表3所示。

表3　局部阻力系數(shù)和彎折角度的關(guān)系

軸向Z字型水路的彎折角度為90°，ζ取0.8，彎折次數(shù)為水路的個(gè)數(shù)減1之后的兩倍，文獻(xiàn)[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(chǎn)生壓強(qiáng)的定義公式：

p=ρgh

(18)

式中：p——水道進(jìn)出水口的壓差；

h——水柱的高度。

代入電機(jī)和水道參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，校核結(jié)果如表4所示。

表4　校核結(jié)果

通過上述計(jì)算校核，水道設(shè)計(jì)滿足散熱效果和水路壓力損失，符合設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)　語

通過對(duì)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(shù)設(shè)計(jì)方法如下：

(1) 根據(jù)對(duì)機(jī)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(shù)量。水路數(shù)的選擇應(yīng)為偶數(shù)條，以便能將其所有水路串聯(lián)成一個(gè)回路。

(2) 根據(jù)電機(jī)電磁計(jì)算和整車布局空間的要求，電機(jī)的軸向長(zhǎng)度和機(jī)殼的內(nèi)、外直徑可以確定；綜合考慮機(jī)殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封結(jié)構(gòu)的要求，水道的高度b可以確定。

(3) 綜合考慮電機(jī)機(jī)殼的機(jī)械強(qiáng)度，水道的隔水臺(tái)寬度m可確定在一定的范圍內(nèi)。

(4) 根據(jù)確定的水道數(shù)、機(jī)殼的直徑和隔水臺(tái)寬度，便可計(jì)算出水道的寬度a。

(5) 通過確定的水道結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行機(jī)殼散熱效果和水道進(jìn)出水口壓差的校核。

水路的設(shè)計(jì)不僅要考慮電機(jī)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(shè)計(jì)過程中，可通過增加水道的數(shù)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(zhǎng)度，提高水道的散熱能力。但在水道數(shù)量增加的同時(shí)，隨著水道截面積的減小，水道的壓力損失也會(huì)快速增加。在軸向Z字型水道設(shè)計(jì)的過程中，可以在滿足壓力損失和加工難度的基礎(chǔ)上，盡可能多地增加水道的數(shù)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(xué)威(1988—)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

張小發(fā)(1974—)，男，碩士研究生，助理工程師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

TM 303.6

A

1673-6540(2016)09- 0062- 04

2016-05-09