某電機環形水套流場計算流體動力學模擬及結構優化

徐英英， 文懷興， 譚禮斌， 袁越錦

(陜西科技大學機電工程學院， 西安 710021)

驅動電機作為電動摩托車的核心部件，冷卻系統對發動機的正常運行具有關鍵性的作用。隨著功率、輕量化指標及空間布置等指標要求的提高，電機的發熱和冷卻問題逐漸成為動力系統的核心問題[1-2]。由于摩托車用電機的散熱環境相對惡劣，空間位置較小，因此對其冷卻系統的合理設計是保證電機散熱冷卻性能較好的重要環節[3-4]。目前，隨著計算機技術及高性能計算求解器的迅速發展，基于計算流體動力學(computational fluid dyna-mics，CFD)技術進行“虛擬仿真設計與開發”已逐漸成為機械產品研發的趨勢。通過流體仿真可快速獲取溫度場、流速場等流動細節信息，為方案設計及產品評估提供最直觀的數據支撐。程樹康等[5]研究了不同冷卻介質對電機溫升的影響；沈啟平等[6]對電動機內的空氣和機殼 內的水流動特性進行了分析，得到電動機的重要散熱參數，并進行了實驗驗證。郭軍朝等[7]運用流體仿真技術對冷卻水套的流阻進行仿真分析，結合實驗驗證了模擬結果的可靠性。張健等[8]采用ANSYS對H形壓電振子進行了優化設計，快速完成了試驗樣機制作。由此可見，CFD模擬結可靠，獲取流場結果信息較迅速，可縮短開發周期，減少實驗成本[9-13]。

為了研究某電動摩托車電機內環形冷卻水套的流動特性及電機散熱情況，利用CFD分析軟件對某摩托車用電機環形水套的內部流場及電機固體溫度場進行數值模擬分析，并探究不同水套結構、水泵轉速、電機間隙環氧樹脂填充對整體流動特性及電機線圈溫度的影響，確定電機環形水套的結構優化方案及各研究方案可達到的散熱效果程度，為后續電機環形水套的結構設計及電機選型提供理論參考及仿真數據支撐。

1 電機環形水套的CFD分析

1.1 物理模型

某摩托車用的電機環形水套模型采用CATIA軟件按照實物1∶1繪制而成。將繪制而成的三維模型以stp格式導出，選取 STAR-CCM+ 讀取導出的幾何模型，采用 STAR-CCM+軟件中流體計算域體積抽取的功能進行流體計算域的提取，提取完成后的計算域模型如圖 1 所示。流體域模型包括水泵、水套、散熱器及連接的管路，固體域模型包括電機線圈、電機硅鋼片和電機水套箱體。

圖1 電機環形水套計算域模型示意圖

在進行計算域賦予及邊界設置前，需要對計算域進行網格劃分。針對流體計算域的網格采用STAR-CCM+流體域網格采用STAR-CCM+ 中多面體網格和邊界層網格生成技術進行網格生成，對散熱器流道、水泵葉輪旋轉部件進行局部網格加密處理，劃分完成后的流體域網格數為5×106個；采用多面體網格和薄壁層網格技術對固體域模型進行網格劃分，劃分完成后的固體域網格數為2×106個。流體域網格模型和固體域網格模型如圖2所示。

圖2 網格模型示意圖

為了后續對每個線圈的溫度進行監測，對線圈進行了命名，線圈命名示意圖如圖3所示。圖4為不同電機環形水套結構，主要是針對原結構進行結構微調，研究不同環形水套對支路流量、線圈溫度、總體壓降等的影響，為環形水套結構的優化設計提供參考。其中方案1是在原方案基礎上改為U形串聯的水套結構，方案2是更改為單U形的水套結構，方案3是在方案1的基礎上將兩側箱蓋上的水套流動空間增大，方案4是在方案3基礎上將進口至長支路上半部分的水套連通，方案5是在方案4的基礎上將長支路至最后一個水套的拐角加高，加高深度約為4 mm，方案6是在方案4基礎上將長支路至最后一個水套上半部分連通，連通厚度為3 mm。

圖3 電機線圈命名示意圖(水泵側視圖)

圖4 不同水套結構示意圖

1.2 數學模型及邊界條件

本文中選取的冷卻液介質為 50%的乙二醇和50%的水的混合溶液，假設冷卻液在整個冷卻系統循環流動中的流動為絕熱不可壓縮的黏性湍流流動。選用STAR-CCM+中的realizable two-layerk-ε湍流模型進行求解。需要求解環形水套內部流場分布、電機溫度場等，因此需要求解的控制方程包括流動基本方程(連續性方程、動量方程和能量方程)、湍流模型方程(k方程、ε方程)[14-15]。

流體計算域邊界條件：入口邊界設置為總壓入口，相對壓力0；出口邊界設置為壓力出口，相對壓力為0。整個冷卻系統的冷卻液循環驅動源來自于水泵。采用旋轉坐標系法(moving reference frame, MRF)方法實現水泵葉輪的旋轉，旋轉速度設置為3 125 r/min。

固體計算域邊界條件：線圈材料設置為銅，硅鋼片的材料設置為鐵，電機水套殼體的材料設置為鋁合金，均為定常固體能量模型，給定初始溫度為80 ℃。采用STAR-CCM+中體平均的方法監測線圈的溫度變化。

壁面邊界條件：壁面采用STAR-CCM+中的Two-layer All Y+ Wall Treatment函數處理，采用無滑移壁面條件[16]。

2 CFD模擬結果

為了建立準確有效的仿真分析模型，采用文獻[17]中流阻測試方法對電機環形水套進出口壓降進行了測試，并與仿真模擬獲得的數據進行對比分析。分析工況(水泵轉速3 125 r/min)下模擬獲得的進出口壓降值為14.7 kPa，實驗測得的進出口壓降值為13.5 kPa，兩者間的誤差為8.16%。仿真值與實測值的對比分析結果充分驗證了CFD計算結果的可靠性。圖5所示為不同水套結構下流量對比。從圖5中可以看出，原水套結構下總流量為9.35 L/min，其中長支路流量為3.88 L/min，短支路流量為5.47 L/min，長、短兩支路的流量分配不均勻。水套結構方案1、方案2、方案3的總流量比原方案小，不利于電機水套殼體及電機線圈的散熱。水套結構方案4、方案5、方案6的總流量與原方案的總流量相差不大，且水套結構方案6長支路流量和短支路流量基本一致，分布均勻。

圖5 不同水套結構下流量對比分析

圖6所示為不同水套結構下流量占比對比。從圖中可以看出，原水套結構下短支路流量占比遠遠大于長支路流量占比。通過水套結構方案不斷細致調整，短支路流量占比與長支路流量占比間的差值越來越小。水套結構方案6下長支路流量占比與短支路流量占比基本一致。

圖6 不同水套結構下流量占比分析

圖7所示為不同水套結構下水套壓降分析。水套結構方案2的水套壓降最大，原因是單U形結構的水套流動路徑單一，流動路徑更長且拐角增加，從而造成壓損較大。水套結構方案3的水套壓降比原水套結構方案的壓降小，原因是流動空間增大，流動更順暢，壓損減小。水套結構方案5、6的水套壓降比原水套結構方案略高，但相差不大。

圖7 不同水套結構下水套壓降分析

圖8所示為不同水套結構下線圈溫度對比分析。從圖8中可以看出，原水套結構方案的線圈溫度相對較高。通過對水套結構的改進，線圈溫度都呈現減小的趨勢。其中，水套結構方案5、6下的線圈溫度降低較明顯。考慮到水套結構方案5的加工及安裝不如水套結構方案6，因此水套結構方案6可以作為該水套相對較優的結構改進設計方案。

圖8 不同水套結構下各線圈溫度對比

圖9、圖10所示分別為水套內速度流線圖和速度矢量圖。可以明顯看出原方案雖然流量大，但電機水套內的流速非常小。水套結構方案6的流量與原方案基本一致，但電機水套內的流速較大，且基本不存在流動死區，有利于電機線圈及電機水套殼體等固體部件的冷卻。圖11所示為線圈溫度場分布云圖。從線圈溫度分布也可以看出，原方案的線圈溫度分布極不均勻，溫度梯度大。造成這種現象的原因是原方案電機水套內速度分布很差，冷卻液大都在兩側箱體的水槽內流動(流經電機水套的冷卻液較少)，且58.5%的冷卻液通過短支路流出，冷卻液的利用率較差，導致線圈溫度較高且存在較大的溫度梯度。水套結構方案6下的線圈溫度分布較均勻，整體平均溫度比原方案低。

圖9 水套內速度流線圖

圖10 水套內速度矢量圖

圖11 線圈溫度場

3 分析及討論

通過改變水套結構，對水套內部速度場分布及線圈溫度有一定的改善，但改善程度不大。因此，若要大幅度地提升水套速度場或降低線圈溫度，可以嘗試在水套結構方案6的基礎上提升水泵能力來提升整個冷卻循環的總流量、填充環氧樹脂來阻擋熱擴散的速度。

圖12、圖13所示為水泵轉速提升、環氧樹脂填充、水泵轉速提升并增加環氧樹脂填充的方案與原冷卻循環方案的流量對比和線圈溫度對比。水泵轉速提升，總體流量會明顯增加，對于總體散熱是有利的。僅僅是環氧樹脂填充，未改變水套結構，對流量不會產生影響，與水套結構方案6的流量是一致的。

圖12 流量對比

圖13 線圈溫度對比

圖14所示為線圈溫度場對比。結合圖11的線圈溫度場綜合分析可知原方案線圈溫度最高且梯度較大，將原方案水套優化為水套結構方案6后，線圈溫度較原方案整體降低2 ℃，水泵轉速提升后，線圈溫度較原方案整體降低5 ℃左右，環氧樹脂填充后線圈溫度較原方案整體降低13 ℃左右，如環氧樹脂填充后再提升水泵轉速，則線圈溫度較原方案整體降低16 ℃。通過電機溫升實驗驗證獲得優化方案6的電機最高溫度可降低1.5 ℃，轉速提升可降低4 ℃，若添加環氧樹脂和提轉速，電機最高溫度可降低13.5 ℃，與仿真值基本吻合。故綜合幾種優化結果，可知：水套優化效果<轉速提升效果<環氧樹脂填充效果。圖15所示為電機截面示意圖，圖16所示為電機截面溫度場對比。可以看出，環氧樹脂填充后電機截面溫度明顯降低，表明電機的散熱得到明顯的改善。

圖14 線圈溫度場

圖16 電機截面溫度場對比

4 結論

利用STAR-CCM+對某摩托車用電機環形水套進行了數值模擬分析及結構優化，研究了不同水套結構、水泵轉速及環氧樹脂填充對電機散熱的影響，依據研究結果可得出如下結論。

(1)原方案電機水套內速度分布很差，短支路流量占比為58.5%，長支路流量占比為41.5%，較多冷卻液通過短支路流出，冷卻液的利用率較差，導致線圈溫度較高且存在較大的溫度梯度。

(2)通過不同水套結構的流場分析，確定了水套優化結構。優化后的水套內速度分布變好且流量與原方案相當，同時短支路的冷卻液流量比例減小至49%，冷卻液的利用率得到提高，最終使線圈溫度較原方案整體降低2 ℃，溫度梯度也得到明顯的改善。

(3)水泵轉速從3 125 r/min提升到5 000 r/min，線圈溫度較原方案整體降低5 ℃左右；環氧樹脂填充后線圈溫度較原方案整體降低13 ℃左右；若環氧樹脂填充后再提升水泵轉速，則線圈溫度較原方案整體降低16 ℃。就優化散熱效果來說，優化電機水套流場<優化電機水套流量大小<優化電機傳熱路徑。