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摘要：根据中国汽车工业协会公布的2020年数据，中国新能源汽车产销分别达到302.3万辆和299万辆，年均增长1.7倍。然而，目前我国清洁能源汽车仍以纯电动和混合动力插电式为主，而永磁同步电机（PMSM）以其高密度、低损耗、高性能和大功率等优点被应用于电动汽车。本章主要以某企业设计制造的M66-2电动机为设计模型，通过运用star-ccm+流体模拟软件以及样品实验，比较了各种水道的结构参数及其对发动机散热能力的影响，设计了一些散热计算结构。在对软件进行仿真后，通过一系列参考措施，综合出了更为合理的永磁同步电机水道设计方案。

关键字：永磁同步电机;水道结构;冷却特性

本文以某企业设计制造的M66-2电动机为主要研制目标，在理论上通过分析不同构造差异对电机温度增加和压差的影响，工程设计出了一些比较合理的散热计算水道构造，并通过了软件模拟，分析了能量损失和发动机温度场变化的统计数据，并进行了测试和确认。通过一系列试验，总结出一种较为合理的永磁同步电机设计技术。随着电动汽车的快速发展，永磁同步电机以其高密度、低损耗、高性能、高功率因数等独特的技术优势得到了广泛的应用。然而，永磁同步电机结构复杂，功率密度高。由多种原因引起的发动机温度升高已成为设计者最担心的问题之一。过高的温度增长容易形成严重威胁，甚至造成永磁体的退磁，因此，减少电动机内耗，抑制电动机的温度增长，就变得尤为重要了，本课题研究只探讨对冷却结构加以优化合理的设计，使温度在永磁体耐受范围以内，温度增长获得良好抑制。

1高速永磁同步电机损耗分析

高速永磁同步发动机的高温热源一般由线圈铜损耗、铁心损耗、永磁体电流消耗和机械损耗组成。而本次实验中选择的24速同步磁电机模块额定功率为150KW，最大转速为18000r/min。具体结构如图1和图2所示。

使用Ansoft Maxwell和running软件，使用标称转速有限元法分析发动机的内部损耗。

电动机的总消耗为P=pdu+pre+Pe+Pw=6.461kW，统计后可得的电动机利用率大约为95.7%。

2模型的建立及仿真

2.1二维温度场模型

由于发电机内部产热的传热过程复杂，为简化分析工作，现将传热模式做以下假定：

1）一个相对完整的发动机理论模型，该模型沿发动机轴线轴向对称径向连续;

2）如果沿发动机轴向流动的温度梯度为零，则忽略温度的轴向传导;

3）将导电物体看成各向同性物体，从而改善了湍流模式，将电机内各种流体的流动全部归为定常流淌，而控制方程式中不包括时间项;

4）发电机的热能基本上因水道的冷却结构降低，一小部分直接传输到外壳附近的空气中，而不考虑热辐射的影响。

2.2水道内冷却模式建立

在高速永磁体材料同步电机冷却水模式形成以前，并提出了以下假定：

1）供热量水道内的冷却液流量、速度等不随时间改变而发生变化。

2）根据冷却后水道内液流的马赫数大小，可以认为水道内防冻液是不可压缩的流体参数。适合于本产品的水冷模式是较为经典的湍流模式k-ε模型，具体方程式为：

其中，K是液体的湍流动能;VI是方位I的速度矢量;VJ是J方向上的加速度矢量;σK，σE是普朗特数;Μ是层流黏度系数;μ、T为紊流黏性系数;ρ是流体参数中的密度;ε是湍流能量消耗的散度;C1ε，C2ε是一个经验常数。

2.3仿真模型构建与解析

根据某企业设计制造的m66-2型永磁同步电动机的设计支持和技术理论方程，本表包含三个均匀分布的轴向通道结构，包括8、16和24流道。发动机和散热通道的标高平衡一致，通道在圆周方向上分布均匀。使用CCM+star流体模拟软件对3中的水道结构进行流体模拟分析，选择制造商参数类型中规定的制冷剂，即标准流量65;和8L/min，而防冻液冷却通道模型采用常规排气格栅处理。表3给出了流体参数的模拟结果。

在实际模拟结果中可发现：8流道方案由于水道层数较小，所以单个水道的纵向截面积相对大，由于水道流阻比较小，所以进水与排出的压力系数也相对小，而且由于涡流区太大，易使部分流体内循环，从而降低发电机散热效果;24流道方案虽然几乎无涡流问题，但流阻却很大。采用了star-ccm+技术对永磁同步电机进行了三维温度增加模拟，在形成模型后再对电动机定子进行了温度场模拟，仿真分析结果如表4所给出。

经过对仿真结果的解析，可得出下列结果：

设计速度为6000r/min。当标称扭矩为138 nm时，通道16的结构温度最低，即143`8451;;当峰值扭矩温度为298 nm时，三种通道模式的温度升高结果相同，为142摄氏度;表明16流道的设计具有良好的散热效果;

当设计速度为12000 R/min，标称扭矩为90nm时，通道16的结构温度最低，即146摄氏度;当峰值扭矩温度为155 nm时，三种水道设计方案的温度升高结果相同，即142摄氏度;表明16流道的一般设计方法更有利于散热效果;

设计速度为18000 R/min。当标称对约为52 nm时，通道16的设计结构温度最低，为151摄氏度;当峰值扭矩温度为155 nm时，三条道路总体设计模式的温度升高结果相同，即142摄氏度;结果表明，16流道的总体设计方案更有利于散热效果。通过以上分析，根据16流道总体设计的散热效果，以及之前模拟管内涡流的流动阻力和电流，可以得出结论，16流道的设计更有利于系统的散热效果，两者是相互确认的。

3试验验证

通过对前二个实验仿真结果的综合分析，选定了十六流道型式用作发电机冷却流道的最终设计方案，研制样机并进行水道压力实验。应在发动机进口与出口分别设置压力传感器，并供应厂家所规定的标准冷却介质。调整标准的抗原进出流量约为4至12L/min，由4L/min起步，之后再逐步提高最大流量至12L/min，试验温度约为六十五摄氏度。装在发动机进口和出口上的气压感应器的压力值能够在不同的转速下读出，并完成处理。

4结论

综上所述，经过与本次方案比较，我们可以发现永磁同步电机的水路系统设计对电动机散热产生了重要的影响，因为减少水路数量，确实能够减小对流阻，不过由于水路内的旋涡现象会大幅增多，反而会造成散热效果不佳，所以，在再产品设计电动机水路构造时，就一定要将对流阻和旋涡现象加以对比，并选取了合理的水路层数，以获得最佳的散热效率，从而提高电气特性。

参考文献

[1]王钰琦.永磁同步电机温度场分析与冷却结构设计[D].浙江大学.

[2]李晓艺，唐志国，张丹阳，等.双水道液冷永磁同步电机散热特性分析[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2018，41（6）：5.

[3]江轶.一种带有开放式冷却水道的永磁同步电机：，CN212752056U[P].2021.