新能源車用驅動電機水道優化設計

喻 皓 王 配 譚立真 覃云萍

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434）

0 引言

為提升電機性能，新能源車用驅動電機多采用強制水冷，水道設計是否合理直接關系到電機的冷卻效果。根據水道走向的不同，驅動電機水道分為周向螺栓水道和軸向S型水道。螺旋水道流阻小，渦流少，水路平滑，冷卻效率高，但由于其進出水口布置在電機兩端部，使電機兩端部溫度不同，出水口側因熱量帶走較少，溫升壓力較大，因電機最高溫度點的冷卻效果未得到改善，電機總體設計未達到最優。軸向水道相比螺旋水道，流阻大，容易形成渦流，但因其加工成型簡單，成品率高，成本低，使其得到了大量應用。

本文從流阻和渦流角度出發，建立了評價電機軸向水道方法，并通過試驗進行了驗證。

1 物理模型及仿真模型

本文以廣汽集團開發的某款新能源汽車用驅動電機為研究對象，設計了3款均勻分布的軸向水道，分別是8流道方案、16流道方案和20流道方案。電機水道高度相等，水道周向均勻分布。電機參數如表1所示，電機水道的物理模型如圖1～圖3所示。

表1 電機參數

圖1 8流道方案

圖2 16流道方案

圖3 20流道方案

2 仿真結果對比

本文運用star-ccm+流體仿真軟件對3個類型的水道進行仿真分析。仿真冷卻液采用與整車相同的冷卻液：50%乙二醇溶液。水道模型采用六面體網格。模型做以下假定：

（1）電機熱量全部通過水道冷卻交換；

（2）機殼內的冷卻液做湍流運動。

對3種類型的水道進行仿真分析，仿真分析結果如表2和圖4～圖6所示。

表2 流阻仿真結果

圖4 8流道方案

圖5 20流道方案

圖6 16流道方案

仿真結果表明：

（1）8流道方案因為水道層數少，單個水道橫截面積比較大，水道流阻比較小，因此進出水口壓差也比較小，但渦流區太大，容易使部分流體內循環，降低電機散熱效率；20流道方案幾乎無渦流，但流阻較大。

（2）16流道方案因水道層數增加，水道流阻提高，因此，進出水口的壓差也較8流道方案增加。局部有少許渦流。

（3）20流道方案水道層數最多，幾乎沒有渦流，但因其水道最長，相對“彎折”的次數也最多，流阻最大，因此水道進出水口的壓差也最大。

綜合流阻及渦流情況考慮，16路水道對于電機整體散熱最好。

3 溫度場仿真

基于star-ccm+對電機進行了三維溫升仿真，對模型做以下簡化：

（1）忽略轉速脈動影響；

（2）初始時刻，電機溫度與環境溫度相同；

（3）只考慮電機冷卻水道散熱，忽略空氣、熱輻射等熱量散失；

（4）定子鐵心端部溫度均勻；

（5）轉子發熱對溫度場的影響轉化為定子齒、槽楔和氣隙內空氣的溫度場變化，對流換熱系數在電機軸向是相同的。

根據以上假設條件，建立幾何模型，并對電機定子進行三維溫升仿真分析。仿真分析工況及分析結果如表3所示。最低，為145℃，峰值扭矩296 N·m時，3種類型水道仿真溫度結果相當，均為140℃，說明16層水道冷卻效果最好；

（2）轉速4 000 r/min，額定扭矩133 N·m時，16層水道溫度最低，為141℃，峰值扭矩293 N·m時，3種類型水道仿真溫度結果相當，均為140℃，說明16層水道冷卻效果最好；

（3）轉速8 000 r/min，額定扭矩85 N·m時，16層水道溫度最低，為144℃，峰值扭矩150 N·m時，3種類型水道仿真溫度結果相當，均為140℃，說明16層水道冷卻效果最好；

（4）轉速12 000 r/min，額定扭矩47 N·m時，16層水道溫度最低，為149℃，峰值扭矩90 N·m時，3種類型水道仿真溫度結果相當，均為140℃，說明16層水道冷卻效果最好。

綜上所述，16層水道冷卻效果最好，三維溫升仿真論證了電機水道流體仿真的結論。

4 試驗驗證

根據水道流體仿真分析和三維溫升仿真分析結論，選擇16層水道方案作為電機冷卻水道最終方案，進行了樣機制作以及水道壓差測試。

在電機進出水口埋入壓力傳感器，通入冷卻介質50%乙二醇溶液，流量為0～16 L/min，每隔2 L/min作為一個流量測試點，試驗溫度為65℃。檢測在不同流量下，電機進出水口的壓力，二者差值即為進出水口壓力差，檢測結果如表4所示。

表4 不同流量下水道壓差測試結果

測試結果表明：16層水道方案，當流量為8 L/min時，進出水口壓差為0.129×105Pa。仿真結果為0.125×105Pa，與實測結果很接近，相差3%左右，說明建立的仿真模型比較準確，通過仿真模型可以比較準確地計算水道冷卻效果。同時也說明本文所研究的16層水道方案冷卻效果較好。

5 結語

電機冷卻水道的設計對電機冷卻效果有著直接的影響，

表3 不同工況下的溫升仿真結果

仿真分析結果表明：

（1）轉速1 000 r/min，額定扭矩152 N·m時，16層水道溫度而電機冷卻效果又直接決定著電機輸出性能。本文通過研究，電機軸向水道設計可參考如下設計方法：為了降低流阻，盡可能減小電機水道層數，然而水道層數減少，必然會帶來渦流的增加，反而于電機散熱不利，可以設計多重層數的水道，進行流阻和渦流的比較，選擇合理的水道層數。