郝嘉欣，唐志国，李荟卿，李晓艺，周 嘉

(合肥工业大学，合肥 230009)

永磁同步电机水道肋片结构参数优化

郝嘉欣，唐志国，李荟卿，李晓艺，周 嘉

(合肥工业大学，合肥 230009)

为提高永磁同步电机的散热效率以保证电动汽车的安全行驶，以水冷永磁同步电机为对象展开研究，对加入水道中的直肋的结构参数进行细化的优化分析，从直肋的厚度、高度、侧面倾斜角度3方面展开研究。在对不同参数方案的电机定子进行三维建模与计算流体力学(CFD)热仿真计算后，通过对比分析仿真所得到的电机定子流场与温度场，得到最为优化的肋片结构参数值。并进一步使用Simulink软件对CFD仿真结果的可靠性进行验证。

电动汽车；永磁同步电机；冷却水道；肋片；热仿真

0 引 言

对于电动汽车来说，永磁同步电机是为其提供动力的核心部件之一，保证其工作性能的优良至关重要。永磁同步电机运转时所产生的大量热量会严重影响电机的工作性能及寿命。所以，为保证电机的正常运行，必须选择合适的冷却方式。

根据电动汽车用永磁同步电机的小型化，大功率化，空间密闭化的工作特性，选择冷却效果更强，更适应电机工作环境的水冷散热方式对永磁同步电机进行散热[1-4]。常见的冷却水道结构包括平行水道道、轴向水道、螺旋流道等。目前，国内外学者已对不同水道结构的散热性能、冷却水流通性、结构工艺性等展开了详细的研究[5-8]。

对常规水道结构进行优化设计，从而增强其冷却性能，对电机的结构设计具有重大意义。目前，在冷却水道中加入肋片[9]是应用较为广泛的优化方式，加入肋片的优化原理为增大了流固热交换的接触面积，从而使得热量被更加充分得带走。

文章针对直肋展开细化研究，使用计算流体力学三维仿真软件，对其厚度、高度、侧面倾斜角度的数值进行优化分析，选出冷却效果最佳的参数值，并使用Simulink软件验证优化结果。

1 电机的散热模型

1.1 物理模型

本文所研究的永磁同步电机定子冷却水道采用平行结构，如图1所示。

电机定子总装图

图1 电机定子结构图

电机的主要基本参数如表1所示。定子主要由3部分组成：绕组、铁心和水道机壳。绕组嵌绕于铁心周向均布的闭口槽内，水道机壳则包围在铁心外围。

表1 电机基本参数

1.2 数学模型

本文所研究的是电机定子的三维温度场，在三维直角坐标系下，电机的热传导方程[10]：

(1)

式中：T为电机的温度；Kx，Ky，Kz为电机各介质三维方向上的导热系数；q为热源密度；c为比热容；ρ为密度；S1为电机绝缘边界面；S2为电机散热边界面；Te为散热边界面周围介质的温度；α为散热边界面的散热系数；K为绝缘边界面和散热边界面法向热传导系数。

如图2所示，热量主要由3条途径传递到电机外部：由铁心传递到冷却水道，再通过冷却水将热量带走；通过绕组两侧端部与所接触的空气进行对流换热；通过电机外壳与外部空气的对流换热。然而，由于电机的工作环境狭小而相对密闭，电机周围空气的流通性很差，所以后两种途径的散热效果非常微弱。所以，电机在运行时所产生的热量主要由冷却水带出电机外部，所以电机冷却水道的冷却效率就变得十分重要。而对电机冷却水道进行散热效果的优化就会得到较大的收益。

图2 电机定子散热示意图

当永磁同步电机运行时，定子的热量来源主要由绕组中的铜损耗及铁心中的铁损耗组成[11-12]。

(2)

式中：pCu为铜损耗；pFe为铁损耗；I为绕组中的电流；R为绕组的电阻；K为经验系数；G为铁心质量；p1.0/50为当B=1.0T，f=50Hz时，单位质量铁心的损耗；B为电机定子磁感应强度；f为电磁场的交变频率。

2 肋片的参数优化

肋片的不同尺寸参数对其散热效果具有不同的影响，如肋片的高度，厚度及肋片侧面角度等，如图3所示。针对肋片这3方面的尺寸参数，分别进行热仿真计算，通过对计算结果的比较与分析，得出冷却效果较为理想的散热肋片的尺寸。

为了方便对各尺寸参数进行独立分析，本文采用控制变量法，当对某一尺寸参数进行计算分析时，其余各参数保持不变。单水道截面长40mm，宽5mm。

图3 水道截面示意图

2.1 肋片侧面倾斜角度的优化

肋片侧面的倾斜角度对其冷却效果是具有影响的。选取0°，3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°这8个逐渐增大的倾斜角度进行热仿真计算，通过对计算结果中电机绕组的最高温度及冷却水进出口压降的考察，对比分析肋片侧面的不同倾斜角对其冷却性能的影响，结果如图4所示。

图4 肋片侧面倾斜角度角度对绕组最高温度及冷却水进出口压降的影响

从图4可以看出：随着肋片侧面倾斜角度的增大，绕组最高温度在3°的位置出现了最低值，且当倾斜角度逐渐增大超过6°时绕组温度出现了较为陡峭的上升，从3°到6°仅有着0.5 ℃的温差，而从6°到9°绕组温度却上升了2.5 ℃之多。在冷却水压降方面，随着倾斜角度的增大，压降在逐渐降低，但是由于肋片侧面倾斜角度对冷却水压降的影响是相对微小的，所以着重考虑其对温度方面的影响，最终肋片侧面的倾斜角度选择为冷却效果较为理想的3°。

2.2 肋片高度的优化

肋片高度的不同对其散热性能也具有一定的影响。选取3.0mm，3.5mm，4.0mm，4.5mm，5.0mm5个从低到高的尺寸分别进行热仿真计算，其中5.0mm高度的肋片即是与水道上表面相连通的。所得到的电机绕组最高温度与冷却水进出口压降的计算结果示于图5中。

从图5可以看出，随着肋片高度的增加，绕组温度在逐渐降低，当高度增加到4.5mm后温度的降低趋势减缓，降幅仅有0.7 ℃。冷却水压降随着肋片高度的增加逐渐增大，但在4.5mm处不再上升，而是发生了小幅的下降，这是因为当肋片高度增加到4.5mm后，肋片的上表面与水道内表面之间的距离仅为0.5mm，这样的小缝隙处容易产生水的滞留，不利于冷却水的流动，从而增大了压降。综合考虑冷却性能及冷却水流通性后，最终将肋片高度确定为5mm，即与水道相连通的肋片高度。

图5 肋片高度对绕组最高温度及冷却水进出口压降的影响

2.3 肋片厚度的优化

不同的厚度对肋片的散热性能也有着重要的影响。从薄到厚得选取1.5mm，2.5mm，3.5mm，4.5mm，5.5mm，6.5mm，7.5mm7个不同厚度进行热仿真计算，将所得到的电机绕组最高温度与冷却水进出口压降的计算结果对比示于图6中。

图6 肋片厚度对绕组最高温度及冷却水进出口压降的影响

从图6可以看出：随着肋片厚度的增加，绕组的最高温度在逐渐下降，到达5.5mm处出现最低值，其后开始升高。冷却水进出口的压降则随着厚度的增加而增大，且厚度超过3.5mm后，压降的增幅大大提高，增幅由30Pa增大到125Pa。由于肋片厚度的增加，带来两方面的变化，即水道的截面积减小了，但是作为热的良导体的金属的体积却增大了，在厚度5.5mm之前，后者的增益是大于前者的减损的，而厚度大于5.5mm后，情况相反。综合考虑，肋片的厚度最终确定为5.5mm。

2.4 肋片优化结果分析

在对肋片上述3个方面尺寸参数的对比计算及研究后，得出了各参数的最优值：侧面倾斜角度3°，高度5mm，厚度5.5mm。图7～图9列出了加入肋片前后的水道结构、冷却水流场、定子温度场的对比图。

在冷却水流场对比图中，未加肋片的水道中出现了一些流速过高的区域，表明其中水流不均匀，这样是不利于冷却水与机壳进行流固传热的，从而降低了水道冷却效率。而在加入肋片的水道流场图中，未出现高速区，水流较为平稳，这是因为加入肋片，细化了水流分支，增加了传热接触面积，使得热量交换更加充分。从温度场对比图可以看出，在水道中加入肋片后，绕组的最高温升由54.9 ℃降低到53.2 ℃，降低了1.7 ℃，冷却效果提升显著，此优化方案较为理想。

(a)无肋片(b)有肋片

图7 水道结构示意图

图8 冷却水流场示意图

(a)无肋片(b)有肋片

图9 电机定子温度场示意图

3 优化结果的验证

使用Simulink软件对热仿真计算结果的可靠性进行验证。绕组温升的经验公式[13]：

(3)

式中：tq为热时间常数；Rq为电机热阻；Cq为定子的热容量；k是采样时间；Pq是电机总的发热功率。

加入肋片的冷却水道，其固液换热接触面积与对流换热系数增大了，从而减小了电机热阻值，达到强化传热的效果。从以上公式可以看出，电机热阻值对电机整体的热量传递是具有较大影响的。优化前后的绕组温度经过Simulink软件计算后，温升对比曲线如图10所示。

表2列出了CFD与Simulink的计算结果对比，可以看出，CFD仿真得优化温度降是1.7 ℃，Simulink计算结果是1.9 ℃。两种计算结果只相差属于合理范围内的0.2 ℃，从而验证了CFD热仿真结果的可靠性。

图10 Simulink仿真绕组温升曲线图

电机热阻Rh/(K·W-1) 绕组最高温度T/℃CFD仿真值Simulink计算值无肋片0．093584．988．3有肋片0．089083．286．4

4 结 语

文章对永磁同步电机水道中所加入的普通直肋的尺寸参数进行细化研究，以达到最优散热效果。通过对不同结构尺寸方案进行三维建模和CFD热仿真对比计算，得到了肋片的最优尺寸，增强了冷却水道的散热性能。

(1) 对直肋的侧面倾斜角度、高度、厚度3方面参数进行了详细的对比计算与分析，得到肋片的最优结构参数为侧面倾斜角度为3°，高度为5mm，厚度为5.5mm。

(2) 经过CFD热仿真计算，肋片优化方案使得定子绕组最高温度降低了1.7 ℃，冷却效果提升显著。

(3) 使用Simulink软件验证了CFD仿真结果的可靠性。

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OptimalDesignofStraightFins′StructuralParametersinPMSM

HAO Jia-xin,TANG Zhi-guo,LI Hui-qing,LI Xiao-yi,ZHOU Jia

(HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

ForenhancingcoolingeffectivenessofPMSMtoensurethesafetyofelectricvehicles,aseriesresearcheshavebeenexpandedonstructuralparameters,sunchasthickness,heightandtiltangle,ofstraightfins.The3Dmodelsofallschemeshadbeenestablishedbymodelingsoftwareandsimulatedbythecomputationalfluiddynamics(CFD)software.Comparingtheflowfieldandtemperaturefieldofallschemes,thebeststructuralparameterscouldbeobtained.Finally,thereliabilityoffinalschemehasbeenvertifiedbySimulinksoftware.

electricvehicles;PMSM;coolingchannels;fin;thermalsimulation

2015-10-30

国家科技支撑计划重大项目(2013BAG13B00)；国家科技支撑计划项目(2014BAG06B02)

TM341；TM

A

1004-7018(2017)01-0038-03