高功率密度电机冷却流道的研究

李成功，杨建玺，赵远方，金乐佳

（河南科技大学机电工程学院，河南 洛阳 471003）

电机作为电动汽车关键零部件，既要保证多典型工况下的输出转矩的能力，又要保证运行在安全温度范围内。随着电机高功率密度、小体积方向发展，导致发热量问题严重，散热成为影响电机性能的关键因素。

尽管作为宗教的伊斯兰教具有非世俗化的特质，但从伊斯兰教的产生和传播来看，我们却能够找到更多世俗化的依据。

伊斯兰教创立的原因就与世俗世界有密切的关系，“穆罕默德创立的伊斯兰教和倡导的宗教革命，实际上是一次建立统一国家的政治运动”[4]10。

这场政治运动的兴起，实际上是当威胁阿拉伯世界的两大帝国拜占庭帝国和萨珊王朝衰落之时，阿拉伯帝国的兴起；

而伊斯兰宗教的创立，无非是用信仰安拉的一神教代替了多神崇拜，完成了统一国家之前统一思想的前提，这个思想前提，我们可以将其称之为伊斯兰教的凯拉姆体系。

相较于传统文学，网络文学是文学形式的一种全新载体，盛大文学鼎盛时期曾垄断了整个网络文学市场。自“橄榄树”原创文学网站打响第一枪后，随后兴起的“榕树下”网站，让无数网络文学爱好者追捧。而网络文学的赢利模式可谓一波三折，并不如网站兴起那般顺利，“榕树下”之后有大量的文学网站产生，他们尝试各种赢利路线，比如付费阅读、实体出版等，都一一“扑街”，直到起点中文网站另辟蹊径，最先开启微支付商业模式，成功让读者买单。

车用永磁同步电机在电磁结构设计完成后，其内部损耗如铁损、铜损、机械损耗及杂耗既定，此时影响电机温度场的因素主要是流道结构[1-2]、冷却介质流速[3]，机壳材料三个因素。不同流道结构[4]和冷却水流速直接影响电机壳体内的对流换热系数、散热面积和散热的有效性，直接影响电机整体性能的稳定。

文献[5]对大型同步电机的冷却进行了研究。文献[6]对电机冷却系统及三维温度场进行了研究；
文献[7]从流速、冷却效果、水泵功率方面分析了轴向型、螺旋型3 种水冷方式；
文献[8]比较了风冷、水冷周向螺旋槽及轴向直槽结构对电机温度场的影响；
他们对电机温度场的求解与水冷结构的设计奠定了基础。针对电机流道型式的理论分析较少。文中另外设计两种螺旋型和工字型流道，通过传热学和流体力学的理论推导进行四种流道的散热效果和进出口压差的比较分析。通常电机冷却流道设计仅依靠仿真或试验的方法进行流道的选型和优化设计，较少对流道进行理论分析。通过理论计算出几种流道的散热量和流道阻力，初选出流道结构的型式，给设计人员提供理论参考。

四种流道结构型式，如图1所示。其中图1（a）周向型流道，沿机壳圆周方向环形分布，并进行180°的折返分布，进出口分居电机两端，周向型流道平顺，液阻较小，电机温度沿轴向由进口端向出口端温度呈现梯度分布，而圆周方向温度分布均匀；
图1（b）轴向Z型流道，沿轴向180°折返分布，进出水口位于电机一端，并由水隔分开，轴向Z型流道温度分布与圆周型相反，容易造成三相绕组温度不一，影响电机的安全运行，且由于折返较多造成局部流阻较大，但其因结构简单，易于通过铝型材成型得到；
图1（c）螺旋型流道，沿圆周螺旋分布，进出水口位于电机两端，电机温度沿轴向产生温度梯度，流道平顺，流阻较小，但其制造工艺复杂水流阻力损失小，进出口温度差异导致电机两端产生温度梯度、加工复杂，不利于批量化、平台化发展[9]；
图1（d）工字型流道，较周向型局部折返较少，局部流阻损失小，但易造成折弯处温度较高，热量无法及时带出的现象。

图1 流道结构型式Fig.1 Type of Runner Structure

上述流道的分析，通常是外在经验的总结，无法有效地提供电机流道选择和设计的指导方法。这里对于几种电机流道的选择，试图通过理论推导，建立计算公式，给予设计者以理论指导。

当2300 ＜Re＜105时，沿程阻力系数：

在所设计的模糊器1中,ΔSOC、ΔT和Uq的隶属度范围分别为{0,10,20,30,…}、{0,5,15,20,…}{0,0.5,1,1.5,…}。

考虑到实际情况作出以下假设：

（1）电机产生的热量全部由流道冷却液带出；

（2）整个换热过程无液体相变，不考虑流体物理性质对换热的影响，认为冷却液的密度、比热容、运动粘度、导热系数不随温度变化；

（3）流体与固体接触面均为无滑移壁面；

（4）假设流道横截面的高度和宽度相等。

3.1 流道型式对电机散热的影响

进水口流量：

式中：Q—冷却液的体积流量，单位是m3/s；
Pi—功率损耗，单位为w；
ρ—水的密度，单位为kg/m3；
cm—比热容，单位是J/（kg.K）；
ΔT—进出水口温升。流道截面积：

式中：h—换热系数，单位是W/（k·m2）；
α—水的导热系数，单位是W/（k·m）。

式中：pr—水的普朗特常数；
prf，prw—流道水温和流道壁温的普朗特常数，一般情况下prf=prw。则有：

当量直径：

雷诺数：

式中：τ—介质的运动粘性系数，单位是m2/s。

根据米海耶夫公式，取努赛尔数：

流道截面周长：

对流换热常数：

流速：

对流换热系数是体现流道热量交换的效果重要参数，由式（9）可知：在流道入口水温、进出水口温升及电机产热量已知情况下，流道的换热系数与流道截面参数有关，而初始假设四种流道截面参数一致，因此四种流道的换热系数一致。

设周向型，轴向Z型，螺旋型，工字型各参量的下标分别用1，2，3，4表示。四种流道的水路条数分别为：

总体上正在向多样化发展，四川、青海等省份制定了旅游产业发展大会申办办法，每年举办旅游节事活动和招商活动，中国医疗保健国际交流促进会开辟了多种国际交流途径。涉外活动也越来越受到大众关注，仅2018年以来，就先后举行了多场与健康旅游相关的重量级活动，博鳌“一带一路”与健康产业发展论坛在海南博鳌举办，国际中医药文化节首次登陆中国内地，世界中医药学会联合会首届非物质文化遗产高峰论坛在北京举行。2020年，北京还将举办世界休闲大会，倡导休闲生活，发展健康旅游。与“引进来”形成对比的是，“走出去”推介的力度还显不够。

式中：L0—机壳的轴向长，单位mm；
ΔL—电机两端封水壁面厚度，单位mm；
n1、n2、n3、n4—周向型流道、轴向Z型流道、螺旋型流道、工字型流道的流道条数。

四种流道的总长分别为：

综上，OPLL手术治疗方案尚无统一共识，各种减压方式具有各自的优缺点，但多数学者认为，在手术方式的选取过程中，应综合考虑骨化物的累计节段、脊髓受压程度、颈椎曲度及术者对术式的熟悉程度等多个方面。广泛性连续型减压方式将会成为未来颈椎OPLL治疗的研究方向。

式中：L1、L2—周向型流道、轴向Z型流道、螺旋型流道、工字型流道的总长度。

螺旋型流道总长度：假设螺旋线绕过n圈（n可为小数），上升高度为L，将侧面展开到平面上，底边为2πn3R，即：

大陆村要在保护自然生态环境的基础上进行旅游地产开发项目的建设，要注重保护生态环境，既要绿水青山，也要金山银山，不能以牺牲生态环境为代价来获得经济的进步和发展，在注重经济建设的同时也不能忽略环境的保护，物质文明进步的同时，也要推进经济文明的建设。

式中：D—流道中心所在圆的直径，单位mm；
L、L4—螺旋型流道、工字型流道的总长度。根据牛顿冷却定律描述物体对流换热过程，则流道的散热量：

式中：h—对流换热系，单位W/（m2.K）；
A—冷却介质与流道总的接触面积，单位为m2；
ΔT1—冷却介质与流道接触面之间的温差，单位为K；
L—各个流道总的长度，单位为mm。

流道散热量的计算对于流道初始设计具有重要的参考价值，由式（9）、式（18）、式（19）可知，当流道截面参数宽度a、高度b一致情况下，流道换热系数一致，则流道散热量的多少与流道面积有关，而流道面积与流道长度有关，流道长度可以根据待设计流道的电机长度、直径、隔水台壁厚，以及流道型式进行确定。

一般地，电机设计受到空间限制，长径比设计可按照L0=π ⋅D+m进行分类。则当L0＞π ⋅D+m时，可由式（14）～式（17）得到，流道长度L1＞L2＞L3＞L4，即冷却效果依次为轴向Z型，周向型，螺旋型，工字型，这是由于当流道横截面参数一致时，对流换热系数一致，而散热效果取决于流道的换热面积，而换热面积取决于流道长度；
当Lz＜π ⋅D+m时，流道长度L4＞L3＞L2＞L1，此时散热效果依次为工字型，螺旋型，周向型，轴向Z型流道。

3.2 流道型式对进出口压差的影响

由式（10）～式（13）得到流道条数对应的截面宽度a，由式（9）、式（18）、式（19）得到对应散热量；
由式（29）得到对应进出口压差，如表2所示。其他类型流道，如表3～表5所示。其中对流换热系数表示为[12]h=C，即h与呈正比关系。

（a）沿程流阻hf(L，v，λ，a，b)公式：

流道对电机的冷却性能起到关键作用，从散热效果、入口流量、进出口压差及流速方面，对不同种流道的进行比较。

在上述工作的基础上，将符合创新能力评价模型的个体数据与学生毕业工作情况数据库进行关联，根据相关度数据获取影响大学生创新培养的主要因素，并进一步挖掘其在人才培养体系设计中的价值。

当1.0e5 ＜Re＜3.0e6时，沿程阻力系数：

参数代入式（20），得到沿程流阻：

在农村养老、医疗、文化等方面，进一步加大建设力度，逐步消除政策上的差异、标准上的差距，促进城乡居民享有更加公平的公共服务，使得全县各行政村有比较完善的公共服务和基础设施。例如，设立村级公共服务中心、村卫生室、文化室等；
支持医养结合设施、农村幸福院等养老服务设施建设运营，提升供养服务机构托底保障能力和服务水平。

式中：Re—冷却液的雷诺数；
L—各个流道的总长度。

（b）局部流阻

流道的局部流阻与其形状有关，文献[10]给出了阻力系数与弯折角的关系，如表1所示。

表1 阻力系数与折弯角的关系Tab.1 Relationship of Resistance Coefficient and Bending Angle

对于各种流道结构而言，局部流阻均由水路折返导致，该水路弯折角度为90°，ς取0.8，弯折次数为水路个数减一之后的两倍，其局部阻力公式为：

2.单义性：科技英语的词汇意义比较专一、稳定，特别是对于某一特定专业或分支，其词义狭窄，形态单一，定义时尽可能避免同形异义或同义异形现象。

则四种流道的局部流阻分别为：

螺旋水路的局部阻力由于弯曲引起的，计算模型采用弯管模型，给出的局部阻力计算公式为：

对于吴庆龙来说，度过了赛季初的蜜月期及融合期，上赛季还在一线队执教的他，应该对于山东西王男篮自身和对手特点有了更深的了解，尤其是山东男篮在攻守平衡及相应技战术的制订上，吴庆龙和他的教练组，应该做到知彼知己，如此才能达到战而胜之的诉求。

则总的流道阻力表示为：

从h1,h4表达式可以得到周向型流道与工字型的进出口压差之间相差0.5N⋅(L0-a-2m)，即二者主要压力损失在流道折弯处，这是由于工字型的结构决定的，符合实际规律。当水路截面尺寸及隔水台宽确定之后，若L0＞πD+m，工字型，周向型，螺旋型，轴向Z型流道进出水口压差依次增大；
若L0＜πD+m，选择工字型，周向型，螺旋型，轴向Z型水路，进出水口压差依次减小。

鸡痘属于高度接触性病毒性传染病，春夏秋冬都可能出现发病，但其发病严重以及流行多集中于秋冬季节。由于秋冬季节温度逐渐降低，湿度较大，会使得鸡痘的传染速度有一定的提升。在这样的情况下，如果秋天多雨的情况下，应提前做好鸡痘的预防措施。

各个数据代人式（29）得各个流道总流阻：

在流道设计应用中，可采取如下步骤进行流道参数确定：

（1）电机电磁结构确定后，轴向长L0和周向直径D是一定的；

（2）考虑到电机机械强度与安装尺寸，可确定流道高度b的大小以及水隔壁厚m的大小；

（3）根据散热要求和进出水口压差与流道宽度的关系，即式（18）可确定水路宽a的范围；
进而由式（10）～式（13）可计算流道条数范围；

（4）将以上流道各参数代人式（29）便可比较确定电机流道的结构型式；

（5）得到选定流道型式，对流道截面参数进行近似模型的优化。

3.3 流道参数优化后的比较分析

从流道的高度，宽度，流量，流道条数等入手分析各种流道结构的优缺点，为电机流道设计提供参考。

根据式（9）、式（19）绘出换热面积A与换热系数hA的乘积随a、b变化关系[11]，如图2所示。可以看到：流道宽度a的影响远大于高度b的影响。综合考虑到电机机壳的机械强度因素，初选流道径向水封壁厚10mm，此时b=6mm。根据电机结构设计及螺钉孔位置初定水隔壁厚13mm。

图2 换热系数和换热面积之积与a，b的关系Fig.2 Relationship Between Heat Transfer Coefficient and Area and a，b

对于整车来说，外部散热装置的散热能力和供水装置的功率有限，而流道的液阻是衡量冷却流道的另一主要指标。进出口压差是流阻的整体表现形式，流阻用一定高度水柱产生的压强表示。流道存在于机壳内，流道相接处存在弯折，造成供水装置的额外功耗，局部阻力是比较不同种流道的关键。折返式流道流阻由沿程阻力和局部阻力两部分组成。

让产品和市场实现“对接”，信息沟通十分必要，借助专业的、针对性强的会议或展览平台是一种有效途径。近日在水利部综合事业局、中国水利学会、湖南省水利厅、长沙市人民政府、湖南广播电视台、国家级长沙经济技术开发区管委会等单位共同主办的2012中国国际水利机械及施工装备展览会上，包括三一重工等多家知名企业在内的机械厂商云集，展示了一批技术先进、性能卓越的水利机械产品。为了增强展会的实效性，提高展会质量，让参展企业获得更多实惠，展会组委会邀请了大量水利系统内的专业人士以及施工企业、工程管理单位代表参观展会，同时组织召开相关论坛及研讨会，让水利机械产品供需双方充分交流。

表2 流道条数对圆周型流道性能的影响Tab.2 Effect of the Number of Circumferential Channels

表3 流道条数对轴向Z型流道性能的影响Tab.3 Effect of Number of Axial Z-Shaped Flow Channels

表4 流道条数对螺旋型流道性能的影响Tab.4 Influence of the Number of Spiral Flow Channels

表5 流道条数对工字型流道性能的影响Tab.5 Influence of I-Shaped Flow Channels

由表2可知：定子长度已知情况下，随着流道条数的增加，流道宽度减小，流道总长度增加，散热量增加，但进出口压差也增大。这是由于流道条数的增加，流道长度增大，沿程阻力增大，局部折弯导致局部压力损失占比增大。综合考虑散热效果和进出口压差，以及流速的影响，选择圆周型流道流道条数为6作为优化结果。同理轴向Z型流道选择12条流道，螺旋型流道选择5条流道，工字型流道选择4条流道。

对一定子长265mm的电机，其功率60kW，效率0.97，流道中心直径为D=284mm，建立四种流道模型进行仿真分析。为更准确地研究流道类型对电机温度场和流体场的影响，应保证四种电机流道进出口直径、散热筋高度、散热筋宽度、流道轴向整长等条件相等，如表6所示。

肌电图AMP显示:30例AMP轻度降低,55例中度降低,11例重度降低;NCV显示:30例轻度减慢 ,50例中度减慢,16例重度减慢;EMG显示:30例无异常,55例部分神经源性损害,11例完全神经源性损害。进一步对患侧和健侧值进行配对t检验,有显著性差异(p<0.05)。见表1。

表6 不同流道结构的基本参数Tab.6 Basic Parameters of Different Runner Structures

在2.3节流道参数下，由isight优化软件，通过修改录制的日志文件中流量参数的值，集成fluent进行流固热耦合仿真，分析流量对温升和进出口压差的影响。为计算方便且不影响结果的情况下，简化电机温度场求解模型，模型包括电机机壳、冷却流道、定子及绕组，其物性参数，如表7所示。

表7 电机仿真结构的物性参数Tab.7 Physical Parameters of Motor Simulation

稳态计算边界条件，如表8所示。给定定子铁芯和绕组损耗值，进水口流速（0.30～0.70）m/s，进水温度均为55°C，得到入口流速对周向型流道散热特性的影响仿真结果对比，如图3所示。由图分析：由流体力学，实际流体在管道流动时，由式（20）、式（28）可知，压力的损失与速度的平方成正比，随着冷却介质流量的增加，压力损失增加趋势逐渐加快。

图3 入口流速对周向型流道散热特性的影响Fig.3 Effect of Flow Velocity on Circumferential Flow Path

表8 稳态计算仿真条件Tab.8 Simulation Conditions for Steady State Calculation

综合考虑入口流速对温升和压差的影响，选择周向型流道优化的入口流速为0.55m/s，对应电机最高温升96.64°C，进出口压差9.59kPa。同理得到其他流道的流量优化结果，如表9所示。

表9 四种流道仿真优化结果比较Tab.9 Four Flow Channel Simulation Results

由表9可知：

（1）从温度场分析，周向型流道最高温度为96.64°C，冷却效果最好；
周向型和轴向Z型流道温升较低，工字型流道和螺旋型流道温升相对较高；
（2）由压差比较4种流道，轴向Z型最大，为10.69kPa。工字型最小，为2.305kPa，这是由于工字型流道相比周向型流道弯折少了一半，局部流阻减少；
周向型流道和螺旋型流道压差相对接近，二者从流道形态上面接近，流道长度周向型较长，沿程流阻较大，而螺旋型较平滑，局部流阻较小，因此总的流阻还是螺旋型的较大；
（3）由于流道内流体形成滞留区域以及流道的结构，造成最大流速的不同。从结果中分析可知与理论分析相对应，验证了理论分析的正确性。（4）从工艺看，螺旋型流道最简单，其次为周向型流道，轴向Z型及工字型流道。综上，在满足泵功耗情况下，选择周向型流道作为最优的电机冷却结构。

对四种型式的流道进行计算分析并仿真，得到以下结论：

（1）当流道宽度、高度以及水隔宽度一致时，四种流道的散热系数相同，而流道长度不同，导致散热面积的不同，进而散热效果不同；
流道长度及流道折弯次数和折弯角度的不同导致流道进出口压差的差异，这是不同结构流道的差异所在。

（2）从式（23）可知，流道横截面参数一定情况下，增加流道长度可以增加流道散热效果；
从式（30）～式（33）可知，流道条数的增加导致局部流阻增加，增加供水装置的功耗，因此要综合考虑流道截面参数和水隔壁厚进行确定；

（3）提供一种从电机选型到流道参数优化的设计方法，避免仅依靠经验选择流道型式的不足。通过第2节中的方法进行电机流道的初步设计，第3节进一步优化选择。对于流道设计具有很好的借鉴价值。

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