新能源汽车永磁同步电机冷却系统的优化设计与仿真论文_王升平1,,温万昱2, 何佳兵1

(1. 中山职业技术学院 机电工程学院，中山 528404；

2. 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640)

广东省普通高校重点科研平台和科研项目（2018GKTSCX024）。

摘 要：本文提出了基于热管技术使端部绕组热量快速导出的新能源汽车电机散热方案。对热管布置、热管与电机的连接方式等关键部分进行了设计和优化。设计了利用电子灌封胶与端部绕组结合的装备工艺。并利用ANSYS Fluent对原电机和基于微曲式热管的电机进行了有限元模型建立和温度场仿真计算。研究发现，永磁同步电机的高温区域主要位于绕组的端部，基于热管的冷却系统设计能够有效的降低电机绕组温升, 为永磁同步电机的散热设计提供了新的思路。

关键词：热管 电机水冷系统 优化设计 仿真

1 引言

电机作为新能源汽车的核心零部件，其性能直接影响整车的性能优劣[1]。永磁同步电机具有低振动噪声、良好的转矩平稳性、高控制精度、高工作效率等优点，被国内外专家普遍认为是最具竞争力的电动汽车驱动电机之一[2]。目前用于电动汽车，多采用水冷机壳的形式散热。随着大功率电机的不断轻量化，如何在有限的空间内提高电机的散热能力，成为冷却系统设计工作中的巨大挑战。

2 传统电机的结构与散热分析

本文的研究对象为某公司生产的MD15型新能源汽车永磁同步电机，其主要由水冷机壳、定子铁芯、定子线圈、端盖、轴承、电机轴、转子（转子铁芯及磁钢）等组成。经过计算可以得知，永磁同步电机的发热主要来源于定子绕组和定子铁芯，他们产生的热量经由定子铁芯传递到水冷机壳，再由冷却水带走。

端部绕组的发热量占总发热量的30%—40%。但端部绕组的散热环境非常恶劣，其产生的热量只是先传递到槽间绕组，再经过定子铁芯传递到机壳；另外，端部绕组由多相绕组盘绕而成，各相绕组之间均放置的绝缘纸，加上绕组经过浸漆处理后充满导热能力差的绝缘漆，导致端部绕组沿电机轴向的传热能力非常差，因此越靠近两端，绕组的温度越高。

3 基于热管的散热结构优化设计及散热分析

将端部绕组热量导出的基本思路是：端部绕组的热量经过中间传热介质导出，传递到端盖后，再由端盖传递到机壳，最终由冷却水带走从而实现端部绕组的冷却。热管作为一种高效的相变导热元件，传热效率非常高, 但其传热过程也是非常复杂的[3]。热管的极强的导热性能，无疑成了中间传热介质的首选方案，基于热管冷却系统的电机内部热量传输如图1所示。.

热管与端盖的结合非常容易实现：在端盖上开半圆槽，将热管压入即可。但热管与端部绕组的结合则有一定难度，在设计时提出了空腔中灌注电子灌封胶的方案。基于热管冷却系统的电机结构如图2所示，其由定子铁芯、水冷机壳、灌封胶、定子线圈、端盖、轴承、电机轴、热管、热管压管板和转子等组成。

前后端盖上分别均布了15根呈90°折弯的热管。该方案设计并没有过多的改变原有的生产工艺，只是在端盖上加工了若干半圆形的凹槽用来放置热管。热管折弯成90°，其一端涂抹导热硅脂后放入端盖上加工的半圆槽中，并用热管压管板压实，另一端穿过端盖上的通孔，如图3所示。热管另一端伸入电机内部定子端部绕组与机壳内侧的空腔中，尽量贴近端部绕组，并用电子灌封胶填充满热管周围区域。

设计了尾部微曲式（图4），其热管垂直进入电机内部后，在端部绕组附近进行一次折弯，使其轴线平行于端部绕组外锥面的母线，这样处理的好处是能够使热管和端部绕组贴合得更加紧密，从而使端部绕组到热管的热阻更小，实现更高效的传热，降低端部绕组的温度。

4 电机仿真分析

4.1 有限元模型建立

模型中去除了机壳表面的安装孔，吊环孔，水嘴等特征，端盖也去除了安装孔，加强筋等结构。模型的基本网格尺寸为2mm，在结构允许的情况下，模型在最大程度上采用了结构化网格，部分零件采用了适用性更广泛的非结构化网格，最终建立的有限元模型如图5所示。Fluent提供了大量湍流模型供研究者选择，根据几种常用的湍流模型[4]，最终选择采用高Re数RNG k-ε模型进行求解，以期取得更高的仿真精度。

4.2 仿真结果分析

4.2.1 基于前面建立的有限元模型对原MD15电机及基于尾部微曲式热管冷却系统的电机进行了有限元仿真。图6b)为MD15在额定工况下定子绕组的温度分布结果。可以看出，线圈温度分布呈现明显的两头高、中间低的趋势。端部绕组上沿轴向的温度梯度较大，高温区集中在端部绕组的最外侧，这是由于前端盖侧端部绕组厚度高于后端盖侧端部绕组的原因。仿真结果显示前端端部绕组的最高温度149.9℃，根据公式 （式中，T——待测点实际温度，T0——环境温度）计算出其温升为124.9℃。图7b）为MD15定子铁芯的整体温度分布图。可以看到，定子铁芯的外表面呈现较均匀的蓝色，表明定子铁芯的外表面温度较低且较均匀，但在其靠近后端盖侧出现了局部高温。图8b)为MD15的机壳及端盖的温度分布图。可以看到在冷却水流道的覆盖区域附近的机壳温度非常低，最高温出现在离水道最远的端盖附近。图中出现了一个非常明显的热源集中区域，局部高温64.8℃，出现在后端盖侧。

4.2.2 图6-a)为微曲式热管电机绕组的温度分布结果。可以看出，采用尾部微曲式设计的电机端部绕组的最高温度为133.5℃，其温升为103.5℃，相比传统电机温升最高下降了21.4℃。图7-a)和图8-a)分别是微曲式热管电机定子铁芯和机壳的温度分布图。可以看到，定子铁芯的温度有一定程度的下降，而机壳的温度升高了，说明基于热管的散热结构能够更快速的将内部的热量导到机壳上。尾部微曲式只是将其伸入绕组旁的热管略微折弯，使其更贴近绕组，由此可见，将热管尽可能贴近端部绕组能够有效的降低端部绕组的最高温升。

作者简介：王升平（1969-），男，硕士研究生，副教授，主要从事机械设计和电机方向研究。

参考文献：

[1] Shuwang W, Yong Z, Junming H U. Thermal Analysis of Water-Cooled Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicles [J]. Applied Mechanics & Materials, 2014 , 610: 129-135

[2] 赵立军, 佟钦智. 电动汽车结构与原理[M]. 北京大学出版社. 2012: 92-109

[3] 孙学敏. 重力式热管数值模拟及结构优化[D]. 四川:西华大学, 2015

[4] 任志安, 郝点, 谢红杰. 几种湍流模型及其在 fluent中的应用[J]. 化工装备技术, 2009, 30(2): 38-40

论文作者:王升平1,,温万昱2, 何佳兵1

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期

论文发表时间:2019/9/10

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