永磁同步電機(jī)水道優(yōu)化設(shè)計(jì)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u653永磁同步電機(jī)水道優(yōu)化設(shè)計(jì)分析案例 1325531.1引言 1283071.2冷卻水道的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 153861.2.1對流換熱 156861.2.2管流壓降 2319821.3水道優(yōu)化設(shè)計(jì) 2292481.4兩種冷卻水道結(jié)構(gòu)下的溫度場對比 31.1引言永磁同步電機(jī)功率密度高、功率因數(shù)高、效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、噪聲小，是新能源汽車牽引電機(jī)的主流機(jī)型。該電機(jī)作為新能源汽車牽引系統(tǒng)的核心部件，其溫升直接影響牽引系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，對電機(jī)溫升的準(zhǔn)確計(jì)算和冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，對于新能源汽車的安全性和可靠性具有非常重要的意義[27]。冷卻水道是降低永磁同步電機(jī)內(nèi)部溫度的重要部件，本章我們將通過修改冷卻水道模型來優(yōu)化電機(jī)的溫度場，徑向Z字型管道是我們優(yōu)化后的水道模型。1.2冷卻水道的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.2.1對流換熱電機(jī)在工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量多數(shù)是由機(jī)殼和冷卻水之間的對流換熱散掉的。式（1.1）是牛頓冷卻公式：（1.1）公式（1.1）可以看出，若要提高對流換熱量，就要提高—流體與固體之間的溫差；—對流換熱系數(shù)和—對流換熱面積。對于提高溫差，一般會(huì)降低冷卻液的入水口的初始溫度來達(dá)成，不會(huì)涉及到水道的結(jié)構(gòu)，故這里不作過多考慮。該電機(jī)中水道對流換熱面面積計(jì)算：（1.2）其中：，—水道數(shù)，—?dú)んw外徑，—?dú)んw內(nèi)徑。對流換熱是非常復(fù)雜的熱量變換過程。其換熱系數(shù)會(huì)受到流體狀態(tài)、流體介質(zhì)、熱表面幾何形狀和是否有相變等多種因素的影響。式（1.3）是單項(xiàng)強(qiáng)制對流換熱系數(shù)的表達(dá)公式[28]：（1.3）公式中：—流體的恒壓熱容；—流速；—特征尺寸。1.2.2管流壓降在工程計(jì)算管流壓降是十分重要的，設(shè)計(jì)水道也是要考慮到綜合壓降對模型的影響。式（1.4）是管流壓降的計(jì)算公式[29]：（1.4）優(yōu)化之后的水道是折返式水道，即相鄰水道連接存在直角彎折，經(jīng)過其中的水流方向是會(huì)發(fā)生變化的，式（1.5）是局部壓降的公式：（1.5）公式中：—局部阻力系數(shù)。在水道中，管道總壓降等于局部壓降與管流壓降之和，即：（1.6）1.3水道優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)機(jī)殼水道結(jié)構(gòu)的不同，將直接影響冷卻液流速的大小和流速的分布，進(jìn)而影響電機(jī)散熱的效果。合理設(shè)計(jì)水道結(jié)構(gòu)是電機(jī)散熱的基礎(chǔ)，合理優(yōu)化水道結(jié)構(gòu)是電機(jī)散熱的保障[30]。為了選取最優(yōu)的冷卻水道結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在把原來的螺旋型水道利用Pro/Engineer軟件改為徑向Z字型水道。修改后的水道模型如圖1.1所示。水道設(shè)計(jì)的過程中，為了能夠更加準(zhǔn)確地研究出不同水道類型對電機(jī)溫度場的影響，兩種水道結(jié)構(gòu)的水道周長、進(jìn)出口直徑和水道的截面面積均保持不變。圖1.1徑向Z字型水道模型水道修改完成后，把現(xiàn)在的模型進(jìn)行溫度場仿真，設(shè)置相同的材料，邊界條件和熱源。相同的冷卻水入水口處，設(shè)置初始溫度為60℃，流速為0.5ms^-1，出口處設(shè)置相對壓強(qiáng)為0Pa。全部設(shè)置完成后，進(jìn)行徑向Z字型水道永磁同步電機(jī)模型的仿真。1.4兩種冷卻水道結(jié)構(gòu)下的溫度場對比徑向Z字型水道電機(jī)也在在冷卻水流速度為0.5ms^-1，初始溫度為60℃，以38KW、4000rpm額定工況下運(yùn)行，得到溫度場分布后，與螺旋水道溫度場對比。圖1.2所示：（a1）定子溫度分布圖（a2）定子溫度分布圖（b1）轉(zhuǎn)子溫度分布圖（b2）轉(zhuǎn)子溫度分布圖（c1）繞組溫度分布圖（c2）繞組溫度分布圖（d1）永磁體溫度分布圖（d2）永磁體溫度分布圖（e1）水道溫度分布圖（e2）水道溫度分布圖圖1.2永磁同步電機(jī)兩種水道結(jié)構(gòu)溫度對比圖如圖所示，（a1）（b1）（c1）（d1）（e1）為螺旋水道的溫度分布，（a2）（b2）（c2）（d2）（e2）為徑向Z字型水道的溫度分布。對比之后可以知道，Z字型水道各部位的最高溫度均大于螺旋水道的最高溫度，且溫度分布更加均勻。其中機(jī)殼和定子的最高溫度的差值是最高的，這是由于徑向Z字型存在著彎曲管道部分，會(huì)導(dǎo)致水的流阻變大，從而降低其換熱能力，而機(jī)殼和定子是距離水道最近的，換熱能力的減弱或?qū)е聝刹考纳崴俣葴p慢，導(dǎo)致最大溫度的上升。圖1.3是兩種水道的溫度，壓強(qiáng)，流速對比圖。（f1）螺旋水道溫度分布圖（f2）徑向Z字型水道溫度分布圖（g1）螺旋水道壓強(qiáng)分布圖（g2）徑向Z字型水道壓強(qiáng)分布圖（h1）螺旋水道流速分布圖（h2）徑向Z字型水道流速分布圖圖1.3兩種水道結(jié)構(gòu)的溫度，壓強(qiáng)，流速對比圖結(jié)合圖1.3來看，觀察螺旋水道和徑向Z字型水道的溫度分布云圖，可知徑向Z字型水道最高溫度低于螺旋水道最高溫度，即相同條件內(nèi)，前者吸收的熱量少于后者，可見徑向Z字型水道的換熱能力確實(shí)低于螺旋水道。再對比兩水道的壓強(qiáng)圖，徑向Z字型水道的最高壓強(qiáng)遠(yuǎn)高于螺旋水道