第51卷第7期2020年7月
中南大学学报(自然科学版)
Journal of Central South University(Science and Technology)
V ol.51No.7
刘慧军1,2，陈芬放1，黄瑞1，常晋伟1，韦靖邦1，俞小莉1
(1.浙江大学能源工程学院，浙江杭州，310027；
2.众泰汽车工程研究院，浙江杭州，310018)
摘要：针对车用驱动电机在提高功率密度过程中的冷却问题，以某型号水冷永磁同步电机为研究对象，建立三维流固耦合传热数值仿真模型，采用有限体积法对电机温度场和水道流场进行求解，并用试验数据对计算结果进行验证。在此基础上，计算不同冷却介质入口温度和流量、介质类型、冷却流道截面形状和圈数下电机内部的流动传热情况，以电机温度场、流道压降等参数作为评价指标对不同条件下的冷却性能进
行评价分析。研究结果表明：随着冷却介质入口温度的降低或入口流量的增大，电机各部件的温度显著下降，但增大流量会使泵功指数增加；分别以冷却油、乙二醇水溶液、水作为冷却介质时，相同流量下的散热功率依次增大，而压降则依次降低；机壳上的螺旋形流道圈数越多，散热功率和压降均越大；保持流道截面积不变，改变截面形状对电机温度影响较小，但对压降有较大影响，其影响与换热面积相关。
关键词：驱动电机；冷却系统；传热；流动；温度场
中图分类号：TM301.4文献标志码：A
文章编号：1672-7207（2020）07-2002-11
Simulation study on cooling system of automotive driving motor LIU Huijun1,2,CHEN Fenfang1,HUANG Rui1,CHANG Jinwei1,WEI Jingbang1,YU Xiaoli1
(1.College of Energy Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,China;
2.Zotye Automotive Engineering Research Institute,Hangzhou310018,China)
Abstract:Aiming at the effective cooling for high power density automotive driving motors,a3D coupled f
luid-solid heat transfer numerical model was established for a water-cooled permanent magnet synchronous motor,and the temperature field and flow field within the motor were solved by using finite volume method.The model was verified by experimental data.On this basis,heat transfer and flow characteristics at different coolant inlet temperatures and flow rates,and of coolant types,cross-section shapes and the number of laps of the coolant channel were calculated.The cooling performance was evaluated by taking motor temperature field and pressure loss of the cooling channel as evaluation indicators.The results show that with the decrease of coolant inlet DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.07.025
收稿日期：2019−12−08；修回日期：2020−05−08
基金项目(Foundation item)：浙江省科技计划项目(2018C01057)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2020QNA4008)；
浙江大学高等教育“十三五”第二批教学改革研究项目(ZDJG19091)(Project(2018C01057)supported by the Science and
Technology Program of Zhejiang Province;Project(2020QNA4008)supported by the Fundamental Research Funds for the
Central Universities;Project(ZDJG19091)supported by the Second Batch of Teaching Reform Research Program of Higher
Education"13th Five-Year Plan"of Zhejiang University)
通信作者：黄瑞，助理研究员，从事车辆热管理及可靠性、动力机械结构设计仿真及试验技术研究；E-mail：************
第7期刘慧军，等：车用驱动电机冷却系统仿真研究
temperature or the increase of flow rate,the temperature of motor parts decreases.Increasing coolant flow rate will make the pump power increase exponentially.Using cooling oil,ethylene glycol solution and water as the coolant separately,the heat dissipation power at the same flow rate increases and the pressure drop decreases successively.
The more the laps of the spiral cooling channel in the housing,the greater the heat dissipation rate and pressure drop.When keeping the cross-sectional area of the flow channel unchanged,changing the shape of the cooling channel cross section has little influence on the temperature of the motor but has great influence on the pressure drop,which is related to the heat transfer area of the cooling channel.
Key words:driving motor;cooling system;heat transfer;flow;temperature field
驱动电机是车辆电气化进程中的研发重点。在电机功率密度不断提高的趋势下，适当的冷却能够显著提高电机的性能。目前，主要的电机冷却方式有风冷[1]、水冷和油冷[2]，以及基于热管[3]、基于相变材料[4]和多种方式复合[5]的冷却方法。其中，水冷是车用电机主要的冷却方式。ZHANG 等[6]提出了一种电机水冷方案，通过优化冷却通道截面尺寸使冷却效果显著提高，壳壁的平均温度从364K降低到357K。李翠萍等[7]对比研究了从层流到紊流阶段内的不同冷却水流速对水冷电机温升的影响。王晓远等[8]对螺旋形流道进行了相关研究，在限制入口面积的条件下，将入口长度和宽度作为变量来确定入口尺寸，从流速、散热系数、水泵功率、温度分布等多方面来综合评价分析得出最优方案。刘蕾[9]设计了3种新水道结构：轴向Z字型水道结构、径向Z字型水道结构和轴向工字型水道结构，仿真结果显示径向Z字型水道具有最佳的冷却效果。田玉冬等[10]对比了C型环槽水道和2种螺旋水道的冷却性能，并基于C型环槽水道，计算了入水流量对冷却效果的影响，得出入水口流量的变化对于电机内部散热性能的提高有限。丁杰等[11]研究了进出水管布置方式对压力损失的影响，结果表明：与进出水管法向于水路布置方式相比，进出水管切向于水路布置方式的压降降低了10.7%。郝嘉欣等[12−13]通过在冷却流道中引入扰流板和直肋来强化换热，同时研究了不同扰流板和直肋结构对冷却性能的影响，并提出优化方案。万珍平等[14]计算了螺旋形水道圈数、截面宽度和高度对换热及压损的影响，最终建立了流道设计方法。对于水冷电机，工作时的温升不仅与电机中复杂的传热网络相关，而且受冷却系统中冷却通道形状、冷却介质
特性等因素影响。针对水冷电机冷却系统的传热性能分析与优化，对优化电机工作状态、延长电机寿命、提升电机功率密度具有重要的意义。本文作者以某型号水冷电机为研究对象，利用FLUENT软件，对不同冷却系统参数下的电机温度场和流场进行求解，全面评估电机在不同冷却条件下的热状态和冷却介质流场特性，为电机冷却系统的设计及优化提供依据。
1电机流固耦合传热模型
以某三相48槽永磁同步水冷电机为研究对象，建立包含壳体、水道、定转子、磁钢、绕组等部分的三维计算模型。电机主要性能参数如表1所示。
1.1网格划分
电机模型包含端盖、机壳、定子、绕组、转子、磁钢、转轴。在进行网格划分时根据部件的实际尺寸确定网格尺寸，体网格为四面体和六面体混合网格。图1所示为电机及绕组的网格。
在接触换热的部件间共设置10个接触对，并
表1电机性能参数
Table1Performance parameters of motor
额定转矩/(N·m)
127峰值转矩/(N·m)
260
额定转速/(r·min−1)
4000
最高转速/(r·min−1)
9000
额定电压/V
189
额定功率/kW
53
峰值功率/kW
95
2003
第51卷中南大学学报(自然科学版)且假设各部件接触面光滑平整，接触部件之间没有接触热阻。1.2控制方程
1.2.1传热计算公式
在计算电机温度场时，忽略热辐射，只考虑
热传导及对流换热。其中，计算域内的稳态三维热传导方程为
∇(λi ∇T s )+q i =0
(1)
式中：λi 为各部分的导热系数；T s 为部件温度；q i 为各部分的产热率(热源)。
流固耦合面上的热平衡方程为
-λi
(∂T s
∂n
)
=αfsi (T s -T f )(2)
式中：n 指壁面的法线方向；αfsi 为流固耦合面上的对流换热系数；T f 为冷却介质温度。1.2.2流动计算公式
电机内冷却介质可视为不可压缩流体，其定常流动下的连续性方程、动量方程和能量方程分别为：
∇⋅v =0
(3)ρf
d v
d t =-∇p +μ∇2v (4)ρf C p,f
∂T f
51汽车网∂t
+∇⋅(ρf C p,f v T f )=∇⋅(λf ∇T f )(5)
式中：t 为时间；v 为冷却介质的速度向量；μ为冷却介质动力黏度；p 为冷却介质压力；ρf ，C p,f 和λf 分别为冷却介质密度、比热容和导热率。
此外，在冷却介质的流动计算中，还需采用标准k −ε湍流模型和标准壁面函数[15]。1.3
边界条件
本文主要对此电机在额定工况下冷却系统的冷却能力进行研究，忽略绕组集肤效应，假设电
流在导线内均匀分布。电机在运行时的热负荷全
部源自损耗，主要包括铁芯损耗、绕组铜耗、机械损耗、杂散损耗等。已知该电机在额定工况下的运行效率为96%，因此直接将4%的损耗等效为2.2kW 的热源按比例加载在定子、绕组、转子、永磁体上。
电机机壳表面和端盖与环境空气进行自然对流换热，通过下式可以计算得到其换热系数：
αc =14(1+0.5ω
)
3
(6)
式中：ω为机壳外部的风速，在本研究中假设为0m/s ；T c 为机壳外环境温度。
转子转动时会引起电机内部空气扰动，从而增强端部绕组与内部空气之间的换热，其对流换热系数可由经验公式[16]得出：
αs =
1+0.04v r
0.045
(7)
式中：v r 为转子外径上的线速度。
转子端部与内部空气之间的对流换热系数的经验公式[17]为
αr =28(
1+
0.45v r
)
(8)
将转子与定子之间的气隙的传热简化为静止流体的导热，气隙的等效导热系数可用下式[11]求出：
λcff =0.0019⋅η-2.9084⋅R e 0.46141ln ()
3.3331-η(9)R e =
2πn r R 2δ/60
v r
(10)η=
R 2R 1
(11)
式中：n r 为转子转速；R 2为转子外径；R 1为定子内径；δ为气隙厚度。
为简化计算，将绕组与定子之间的绝缘层简化为一个等效导热系数，其值通过以下公式计算[17]：
λe
=
∑i =1
n δ
i
∑i =1
n ()
δi
/λi
(12)
式中：δi 为各绝缘材料的厚度。电机各部件材料的物性参数如表2所示。1.4
模型验证
在针对电机温度场、流场进行深入分析之前，需要验证本模型的准确性。沈天浩[18]
对采用与本文
(a)电机；(b)绕组图1
网格划分示意图
Fig.1Schematic diagram of meshing
2004
第7期刘慧军，等：车用驱动电机冷却系统仿真研究
研究对象同款电机的电动汽车动力总成进行能量流测试，测得了电机绕组在额定工况下的最高温度为115℃。
根据文献[18]，仿真中设置环境温度为15℃，冷却介质为水，其流量为10L/min，入口温度为45℃。换热边界条件采用1.3节中所述的方法计算得到：机壳与外部空气换热系数为22W/(m2·K)，绕组端面换热系数为55W/(m2·K)，气隙等效导热系数为0.097W/(m·K)，绕组绝缘层等效导热系数为25W/(m·K)，转子端面对流换热系数为135W/(m2·K)。
采用以上边界条件，计算得到电池稳定工作达到热平衡后绕组的最高温度为112℃，与实验结果的偏差在5%以内，认为仿真结果可信。
1.5额定工况下的电机温度场仿真结果分析
电机及其主要部件的温度场云图如图2
所示。
(a)电机剖面；(b)电机内部；(c)机壳；(d)冷却介质；(e)定子；(f)绕组；(g)转子；(h)磁钢；(i)端盖
图2电机及其主要部件温度场云图
Fig.2Temperature contours of key parts of motor
表2电机部件材料物性参数
Table2Material properties of motor parts
部件
转轴、磁钢、转子、定子
绕组
端盖、机壳
材料
钢
铜
铝
密度/(kg·m−³)
8030
8978
2719
比热容/(J·kg−1·K−1)
502
381
871
导热率/(W·m−1·K−1)
16.3
25.0
202.4
2005
第51卷中南大学学报(自然科学版)从图2(a)和(b)可以看出：电机最高温度为112℃，出现在绕组端部，低于绕组的最高温度限值180℃(电机绝缘等级为H 级)和整车厂设定的保护值150℃。绕组温度分布自端部起到中部呈下降趋势，最低温度出现在与定子槽底面接触的位置。电机中温度较高的部件还有转子与磁钢，转子最高温度为90.5℃，且温度自端面至中部上升。由于转子可以通过内接触面将热量传递到转轴，因此，转子温度在径向方向上由外而内呈下降趋势。磁钢最高温度出现在磁钢中部，为90.5℃；最低温度出现在与空气的接触面，为85.5℃。受传热方式的限制，转子与定子的最高温度与最低温度相差不大，也呈现出相同的温度分布。
机壳温度为44.5~54.1℃，最高温度出现在机壳与定子接触的壁面上，入水口侧至出水口侧存在明显的温度梯度。定子最高温度出现在定子槽的齿部，齿部温度自齿顶到齿根再到定子轭部依次下降，最高、
最低温度分别为92.4℃和51.4℃。端盖温度为46~47℃，由于机壳中的水道为螺旋形，因此，端盖左右呈现出小幅温度差异。
冷却水温度自入水口开始沿着流程递增，出
水温度约47℃，进出水口温差2.5℃，冷却液最高温度出现在流道中部。
2冷却介质对冷却性能的影响
2.1
冷却液入口温度对电机温度场的影响冷却介质与机壳之间的温差是对流换热发生的条件，不同温度的冷却介质具有不同的冷却性能。
边界条件中的对流换热系数和等效导热系数按1.4节设置，环境温度设置为27℃。冷却介质为水，流量设置为实车流量10L/min 。采用截面为长方形的螺旋形冷却流道。在此条件下，以2.5℃为步长，在35.0~47.5℃范围内共设置6组不同冷却介质入口温度。
图3(a)和(b)所示为绕组温度计算结果。从图3(a)可见：绕组的最高、最低和平均温度都随着冷却介质温度的上升而上升，绕组最高温度在106~113℃之间。从图3(b)
可见：冷却介质入口温度每
(a)绕组温度；(b)绕组温升；(c)定子温度；(d)定子温升；(e)转子温度；(f)转子温升
1—最低温度；2—平均温度；3—最高温度。图3电机各部件温度受冷却液入口温度变化的影响
Fig.3
Influence of coolant inlet temperature on temperatures of different parts of motor
2006
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