永磁同步電機(jī)因具有功率密度高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選。隨著電機(jī)容量的不斷增加及其小型化和輕量化的發(fā)展，再加上新能源汽車用永磁同步電機(jī)的密閉式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)散熱環(huán)境惡劣，電機(jī)溫升過高，成為制約新能源汽車用永磁同步電機(jī)向高功率密度、高效率發(fā)展的重要因素。

新能源汽車用永磁同步電機(jī)大都采用水冷方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，冷卻水道布置在機(jī)殼內(nèi)部，通過機(jī)殼內(nèi)部水道中的循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走熱量，從而控制電機(jī)溫升。目前，新能源汽車用永磁同步電機(jī)冷卻水道的結(jié)構(gòu)主要有折返型和軸向螺旋型兩種。

軸向螺旋型水道的水路平順，水道壓降小，但由于冷卻介質(zhì)從電機(jī)一端流入另一端流出，電機(jī)兩端的溫度梯度較大，不利于對(duì)電機(jī)整體的溫升控制。

折返型水道的水路呈迷宮狀，不會(huì)在電機(jī)兩端產(chǎn)生溫度梯度，同時(shí)入水口與出水口可布置在電機(jī)同一端，方便水冷系統(tǒng)的布置，因而被廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)折返型水道進(jìn)行了許多研究。佟文明等列舉了螺旋型、折返型水道的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)一臺(tái)低速永磁水冷電機(jī)建立了三維流體場(chǎng)和三維溫度場(chǎng)模型，通過有限元法準(zhǔn)確計(jì)算出了定子的溫升。田玉冬等針對(duì)高功率密度電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究了一種折返型水路結(jié)構(gòu)，依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，采用有限體積法進(jìn)行計(jì)算，證明其傳熱性能良好。

錢洪比較分析了折返型、螺旋型不同水道布置形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)電機(jī)散熱的影響。郝嘉欣等以水冷永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，細(xì)化分析了水道中的直肋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)不同方案的電機(jī)定子進(jìn)行熱仿真計(jì)算后得到最為優(yōu)化的肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)。王淑旺等建立了電機(jī)三維瞬態(tài)熱分析模型，研究了對(duì)流換熱系數(shù)以及壓降與水道結(jié)構(gòu)截面尺寸參數(shù)間的關(guān)系，給出了一種折返型水道截面尺寸的選擇方法。

現(xiàn)有研究多采用基于積分形式守恒方程的有限體積法對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行仿真，從而研究電機(jī)的溫升，但并未對(duì)永磁同步電機(jī)常用的折返型水道的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行細(xì)化研究，對(duì)折返型水道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)特性、水道壓降以及電機(jī)溫升變化的影響的研究也還不夠深入。

本文對(duì)一臺(tái)額定功率68kW的永磁同步電機(jī)的折返型水道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。建立電機(jī)流-固耦合有限元模型，對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)、水道流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并通過電機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性。進(jìn)而通過仿真模型分析了水道內(nèi)冷卻水的流動(dòng)特性，綜合考慮分析入水口水道寬度與水道圓角半徑對(duì)水道壓降的影響，據(jù)此得到水道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)低溫升的設(shè)計(jì)目標(biāo)，最后進(jìn)行電機(jī)溫升與水道壓降實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 永磁同步電機(jī)三維模型

圖2 電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖3 水道結(jié)構(gòu)二維展開圖

圖9 電機(jī)溫升、壓降實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

結(jié)論

通過建立流-固耦合的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)仿真模型對(duì)折返型水道進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，并通過電機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

結(jié)果表明，水道寬度為45mm，水道圓角半徑為20mm時(shí)，額定功率68kW的新能源汽車用永磁同步電機(jī)水道壓降減少了13.1%，電機(jī)繞組溫升降低了8.4℃。

并得出折返型水道有以下規(guī)律：

• 當(dāng)入水口水道寬度一定時(shí)，隨著水道圓角半徑的增大，水道壓降呈先下降再上升的趨勢(shì)；
• 每一特定入水口水道寬度，都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的水道圓角半徑尺寸可以使水道壓降最小，且使電機(jī)溫升降低；
• 基于流型調(diào)控合理選取入水口水道寬度和水道圓角半徑，先確定入水口水道寬度，再綜合考慮水道的換熱性能和壓降，獲得最佳的水道圓角半徑的設(shè)計(jì)方法，為水冷電機(jī)流道設(shè)計(jì)提供參考。