冷卻流道結構對電機散熱性能影響

陳暉　黃鎮財　賓海華

摘 要：以135kW永磁同步電機為研究對象，利用CFD仿真方法分析了螺旋型流道、單通道周向Z型流道、和軸向Z型流道對電機散熱性能的影響，結果表明：采用螺旋型流道電機機殼散熱效果最好，殼體內壁最高溫度為358.93K，相比單通道周向Z型流道和軸向Z型流道分別下降了1.69K、46.47K；螺旋型流道的速度均勻性和壓力損失均最優，速度均勻性系數和進出口壓力差分別為0.948和14.78kpa，永磁同步電機的流道結構可以優先考慮采用螺旋型流道的形式。

關鍵詞：電機 流道結構 散熱分析 數值模擬 冷卻

1 前言

在“雙碳”目標的大背景下，我國汽車產業加速電動化轉型，使得新能源汽車發展迅速[1]。新能源汽車驅動電機裝機需求大幅提升[2]。電機是機械系統的重要部件。研究電機冷卻流道的結構設計和散熱，可以提高電機的可靠性和使用壽命，同時還可以減少電機的能源消耗。研究電機的冷卻流道結構設計和散熱分析，有助于提高電機的散熱效率，從而更好地控制電機的運行溫度，實現性能優化。

近年來，國內外學者通過不同的流道設計對電機冷卻方式進行了各種研究，均取得不同成果。Yao等[3]設計并檢驗了一種緊湊的新型高功率密度電動機熱管理系統，提出了四種不同結構的流道結構：圓形流道結構、單一矩形、兩段和三段平行矩形流道結構。圓形流道結構具有最高的結構完整性，但其狹窄的流體區域需要高的壓降和泵送功率。李成功等[4]從流道結構上對某型液冷電機常用的四種流道的特性進行了綜合比較，同時考慮了流道的冷卻效果和進水口之間的壓差和流道的出口，比較四種流道的特點并得到優化后續流道結構類型。

電機冷卻流道結構設計與散熱分析是電機設計中不可或缺的環節，本文對利用CFD仿真方法對比研究螺旋型流道、單通道周向Z型流道和軸向Z型流道對135Kw永磁同步電機散熱性能的影響，為電機流道的優化設計提供理論參考。

2 模型建立

2.1 幾何模型

本文以一臺額定功率為額定功率為135 kW，功率密度大于13.5kW/kg的永磁同步電機為研究對象。由外部機殼，定子、轉子等部件構成，為了簡化分析，忽略定子、轉子和繞組等部件的影響[5]，重點分析流道結構對機殼內壁面溫升的影響。電機機殼和內部流道結構尺寸如圖1所示，電機高h為180mm，內殼半徑為R1為125mm，殼體半徑為R2為143mm，機殼內壁即為熱源所在區域。流道區域高h1為115mm，出入口直徑d為12mm，流道截面尺寸為10mm×8mm。為了對比研究不同流道對電機散熱性能的影響，設計了螺旋型流道、單流道周向Z型流道和軸向Z型流道三種不同結構的流道，如圖2所示。

2.2 邊界條件

電機冷卻流道冷卻液入口流速為10L/min，溫度為338K，出口設置為壓力出口邊界條件，數值為標準大氣壓值。電機的散熱量為13.5kW，通過計算，熱流密度為95494.32W/m2，模擬過程中不考慮機殼與外界之間的熱交換，假設流體為不可壓縮流體且處于定長流動[6]。管道內流體為湍流，湍流模型選擇SSTk-ω模型進行計算。

3 仿真結果分析

3.1 溫度場分析

圖3是不同流道結構內壁溫度分布云圖，螺旋型流道結構和單通道周向Z型流道結構殼體溫度場分布幾乎相同，而內壁的溫度場螺旋型流道結構比周向Z型流道結構分布的更均勻，殼體與內壁的最高溫相差無幾。軸向Z型流道結構的溫度場分布不均勻，溫升大，機殼的上下兩端有明顯的局部高溫現象。根據表１可知，螺旋型流道結構殼體、內壁最高溫度相對較低，為358.64K和358.93K；周向Z型流道結構次之，其殼體、內壁最高溫度為360.33K和360.62K；軸向Z型流道結構最高，其殼體、內壁最高溫度為405.13K和405.40K。而殼體平均溫度，周向Z型流道結構最低，為329.19K；其次是螺旋型流道結構，為331.24K；軸向Z型流道結構最高，為375.24K。

3.2 速度場分析

圖8是不同流道速度場流速分布圖，從圖中可以看到，螺旋型流道是一種螺線形流道結構，沒有拐角折彎的地方，流體的流動阻力小，造成的壓力損失較小。單通道周向Z型流道和軸向Z型這兩種流道結構存在拐角多，增加流動阻力，在折彎拐角處流體的旋轉強度較大，產生大量的渦旋，增加了流體的阻力和能量損失。流道內平均流速如下表２所示。根據評估流體速度均勻性方程（1.5）計算得出均勻性系數分別為：0.948、0.947和0.948，說明流體速度均勻性符合要求。流道內的平均流速和速度均勻性系數如表4所示。對比流道平均流速，螺旋型流道結構和周向Z型流道結構分別為1.19m/s和1.20m/s；軸向Z型流道結構流速最快，平均流速達到為1.34m/s。

3.2 壓力場仿真結果分析

圖9為不同流道壓力分布云圖，從圖中可以看出，螺旋型流道結構和單流道周向Z型流道結構壓力呈軸向梯度分布，軸向Z型呈軸向圓周梯度分布。螺旋型流道結構是一種螺線形流道結構，流體只在流道內遇到較小的摩擦力，沿程力較小，所產生的壓力也相對較小。兩種Z字型在流道的入口處，由于流體的速度較低，壓力較高；而在流道的彎曲處，遇到阻力，產生渦流。在流道的出口處，由于流體的速度增加，壓力也會降低。螺旋型流道結構入、出口壓差最小，為14.78kpa；周向Z型流道結構次之，為24.03kpa；軸向Z型流道結構最小，為45.51kpa；入、出口壓差如下表3所示。

4 總結

螺旋型流道是一種流線型流道結構，流體只在流道內遇到較小的摩擦力，沿程力較小，所產生的壓力也相對較小。單流道、雙流道周向Z型流道結構和軸向Z型流道結構這三種Z字型在流道的入口處，由于流體的速度較低，壓力較高；而在流道的彎曲處，遇到阻力，易產生渦流，使得冷卻效果有所下降。采用螺旋型流道電機機殼散熱效果最好，殼體內壁最高溫度為358.93K，相比單通道周向Z型流道、雙通道周向Z型流道和軸向Z型流道分別下降了1.69K、10.65K、46.47K；螺旋型流道的速度均勻性和壓力損失均最優，速度均勻性系數和進出口壓力差分別為0.948和14.78kpa，永磁同步電機的流道結構可以優先考慮采用螺旋型流道的形式。

基金項目：廣西高校中青年教師基礎能力提升項目（2021KY1043）；柳州職業技術學院科研基金項目（2020KB07）。

參考文獻：

[1]朱威林，劉遠洋.雙碳政策下對新能源汽車發展趨勢的研究[J].電器工業，2023，（10）：52-55.

[2]莊勛.新能源汽車驅動電機發展現狀及趨勢研究[J].時代汽車，2020（01）：47-48.

[3]Yao Z，Saadon Y，Mandel R，et al. Cooling of Integrated Electric Motors[C]// 2020 19th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems. IEEE， 2020.

[4]李成功，楊建璽，趙遠方，金樂佳. 高功率密度電機冷卻流道的研究[J]. 機械設計與制造，2022（10）：129-133+138.

[5]沈超，余鵬，楊建中，張東偉，魏新利.基于CFD的電動汽車驅動電機冷卻流道對比研究[J].鄭州大學學報（工學版），2018，39（04）：41-45+69.

[6]趙志文，胡巖，曹力，等.基于CFD的高速電機冷卻結構設計與溫度場分析[J].微特電機，2023，51（03）：25-30.