CN111222279A - 高功率密度电机冷却***设计方法及采用该方法设计的电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高功率密度电机冷却***设计方法及采用该方法设计的电机。所述电机包括转子总成、定子总成和冷却***。转子总成包括转子轭和永磁体。定子总成包括定子轭、定子外壳、定子齿和定子绕组。冷却***集成于定子总成中。冷却***包括进水口、出水口和冷却液流道，冷却液流道布置在定子外壳内部。定子绕组产生的热量通过定子轭传递至定子外壳，再由定子外壳传递至冷却液，冷却***中冷却液流速由入水口至出水口逐渐升高，可以有效的增加靠近出水口的冷却液的散热量，使得电机定子的温度场分布均匀，对提高电机的散热效率以及功率密度具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及驱动电机技术领域，具体涉及一种高功率密度电机冷却***设计方法及采用该方法设计的电机。
背景技术
在世界各国都在新能源领域加大投入的国际大背景下，减小驱动电机的重量、体积，增大驱动电机的功率越来越重要，因此，高功率密度驱动电机的发展受到各国的高度重视。科技部2018年国家新能源汽车重点专项中明确电驱动***发展目标：乘用车电机功率密度达到4.0kW/kg，商用车电机转矩密度达到18Nm/kg。随着驱动电机的功率增加，发热功率必然水涨船高，发热量严重阻碍了电机性能的提升，限制了电机功率密度的提高，要提高驱动电机的功率密度，首先必须要有高效率的冷却***。
传统的电机冷却***中，液冷管道的当量直径是不变值。在传统的并联管道结构中，并联路数也是定值。冷却液的温度从进水口至出水口递增，壁面与冷却液温度差逐渐降低，导致越靠近电机出水口，电机的散热条件越差，使电机存在温度不均匀，而电机的各项热性能，受到其最高温度点的限制。电机的局部高温会导致电机的性能降低，限制了功率密度的提高，同时最高点温度有可能超过绕组限制温度而引起绕组烧坏，或者局部温度过高导致永磁体产生不可逆退磁，对电机造成损坏。由此可见，实现一种温度分布均匀的电机是值得研究的主题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度分布均匀的高功率密度电机及其设计方法，该高功率密度电机及其设计方法通过从入水口至出水口逐渐改变液冷管道的当量直径，或者从入水口至出水口递减管道的并联数，以增大出水口处的冷却液流动速度，从而增大机壳与冷却液的对流换热系数，增加了靠近出水口处的冷却***散热量，补偿了出口处由于冷却液温度升高而引起的散热条件恶化，使电机温度分布均匀；同时防止出水口处的绕组与永磁体温度过高造成损坏，实现了保护电机关键零部件的功能，使电机运行更加可靠，高效。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高功率密度电机冷却***设计方法，该方法包括以下步骤：
(1)在电机定子外壳的内部设置冷却液流道，在电机定子外壳的外侧设置与冷却液流道相连通的进水口与出水口，同时设定进水口与出水口的初始尺寸；所述冷却液流道包括至少一个分流管道。
(2)获取电机额定工况下的参数，采用以下公式求得电机在额定工况下的绕组电阻损耗PCu和铁心损耗PFe：
PCu＝mI2R (1)
PFe＝Pn+Pc (2)
Pn＝KnfBp x (3)
Pc＝Kcf2BP 2 (4)
其中，m为相数，I为额定电流，R为电机绕组电阻值；Pn为磁滞损耗，pc为涡流损耗；Bp为磁通密度幅值，Kn和x为磁滞损耗系数，Kc为涡流损耗系数，f为交流电的频率。
采用公式P＝PFe+PCu求得电机的总损耗P。
(3)采用以下公式求得进水口与出水口的冷却液温差ΔT：
其中，p为电机的总损耗，Q为冷却液的流量，ρ为冷却液的密度，c为冷却液的比热容。
(4)采用以下公式求得进水口与出水口的几何关系：
其中，d1为进水口的当量直径，d2为出水口的当量直径，N2为与出水口相连的分流管道并联数量，N1为与进水口相连的分流管道并联数量，Δt-ΔT为出水口处冷却液与壁面的温差，Δt为入水口处冷却液与壁面的温差。
(5)通过多次迭代获取最优的进水口与出水口尺寸，使进水口壁面温度和出水口壁面温度之差y达到设定的精度Y。
进一步的，步骤(5)所述的“通过多次迭代获取最优的进水口与出水口尺寸，使进水口壁面温度和出水口壁面温度之差y达到设定的精度Y”，其具体过程为：
(51)获取出水口与入水口的壁面温差y；
(52)采用公式(6)求得进水口与出水口当量直径的关系，并根据进水口与出水口当量直径的关系，修改出水口的尺寸；
(53)重新获取进水口与出水口的壁面温差y；
(54)判断y是否小于设定的精度Y，若是，则将当前的进水口与出水口尺的尺寸作为最优的进水口与出水口尺寸，输出该进水口与出水口尺寸，若否，则返回执行步骤(52)。
本发明还涉及一种采用上述设计方法设计的电机，该电机包括定子组件、转子组件和冷却***；所述冷却***包括设置在定子外壳内部的冷却液流道和分别设置在定子外壳外侧的进水口与出水口；所述冷却液流道包括至少1个连接在进水口与出水口之间的分流管道。所述定子组件包括从内向外依次同轴设置的定子轭与定子外壳、设置在定子轭内壁上的定子齿以及缠绕在定子齿上的定子绕组；所述转子组件包括转子轭和粘贴在转子轭外壁上的若干永磁体；相邻的永磁体之间设有间隙；所述永磁体为与转子轭相适应的圆弧状；所述永磁体采用分块式结构，包括若干粘接相连的小型永磁体。
具体地说，当分流管道的数量等于1时，所述冷却液流道包括连接在进水口与出水口之间且与定子外壳同轴设置的螺旋形管道，该螺旋形管道的中心线与定子外壳的轴向中心线重合；所述螺旋形管道的当量直径由进水口到出水口递减；所述螺旋形管道的横截面为矩形。
当分流管道的数量等于1时，所述冷却液流道包括若干沿定子外壳轴向设置的纵向管道，其中，第一条纵向管道与进水口相连通，最后一条纵向管道与出水口相连通；其余的纵向管道中，相邻的两条纵向管道之间设有连通二者的连接管道，各个连接管道交错分布；所述冷却液流道的当量直径由进水口到出水口递减；所述纵向管道和连接管道的横截面均为矩形。
当分流管道的数量大于1时，所述冷却液流道包括若干与进水口相连的分流管道一、若干与出水口相连的分流管道二、用于将进水口流入的冷却液引流到各分流管道一中的汇流管道一、用于将各分流管道一中的冷却液引流到分流管道二中的汇流管道二以及用于将各分流管道二中的冷却液引流到出水口的汇流管道三；若干分流管道一和若干分流管道二构成若干条的分流管道，每一条分流管道沿定子外壳的圆周方向设置，若干条分流管道是沿定子外壳的轴向均匀分布；同一条分流管道的当量直径相同，若干条分流管道的当量直径沿定子外壳轴向逐渐变化。所述汇流管道一、汇流管道二和汇流管道三均沿定子外壳的轴向分布，且三者的当量直径相同。所述分流管道一、分流管道二、汇流管道一、汇流管道二、汇流管道三的横截面均为矩形。
和现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用水道当量直径递减或并联水道数递减的水道结构，使越靠近出水口的冷却液流速越大，补偿其由于冷却液温度升高而导致的散热量的减少，使电机零件温度均匀，解决了了电机的局部高温问题，降低了电机的最高温度，保护了电机的关键零部件，使电机的功率密度可以得到进一步的提高。
(2)本发明采用表贴式转子结构，漏磁系数与制造成本相对较小，永磁体采用分块式结构，可以有效的抑制永磁体内部大涡流的产生，减小永磁体的涡流损耗，减小其发热量，从而达到提高电机功率密度及保护永磁体的作用。
附图说明
图1是本发明中设计方法的流程图；
图2是本发明中电机的结构示意图；
图3是本发明中电机的横截面示意图；
图4为本发明中永磁体的结构示意图；
图5是实施例一中的冷却液流道的结构示意图；
图6是实施例二中的冷却液流道的结构示意图；
图7是实施例三中的冷却液流道的结构示意图；
图8是实施例三中冷却液流道中冷却液的流动方向示意图；
其中：
1、进水口，2、出水口，3、定子外壳，4、永磁体，5、定子齿，6、定子绕组，7、气隙，8、转子轭，9、分流管道，10、汇流管道，11、定子轭。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种高功率密度电机冷却***设计方法，该方法包括以下步骤：
(1)在电机定子外壳的内部设置冷却液流道，在电机定子外壳的外侧设置与冷却液流道相连通的进水口与出水口，同时设定进水口与出水口的初始尺寸；所述冷却液流道包括至少一个分流管道。
(2)获取电机额定工况下的参数，采用以下公式求得电机在额定工况下的绕组电阻损耗PCu和铁心损耗PFe：
PCu＝mI2R (1)
PFe＝Pn+Pc (2)
Pn＝KnfBp x (3)
Pc＝Kcf2BP 2 (4)
其中，m为相数，I为额定电流，R为电机绕组电阻值；Pn为磁滞损耗，pc为涡流损耗；Bp为磁通密度幅值，Kn和x为磁滞损耗系数，Kc为涡流损耗系数，f为交流电的频率。
采用公式P＝PFe+PCu求得电机的总损耗P。
(3)采用以下公式求得进水口与出水口的冷却液温差ΔT：
其中，p为电机的总损耗，Q为冷却液的流量，ρ为冷却液的密度，c为冷却液的比热容。
(4)采用以下公式求得进水口与出水口的几何关系：
其中，d1为进水口的当量直径，d2为出水口的当量直径，N2为与出水口相连的分流管道并联数量，N1为与进水口相连的分流管道并联数量，Δt-ΔT为出水口处冷却液与壁面的温差，Δt为入水口处冷却液与壁面的温差。
(5)通过多次迭代获取最优的进水口与出水口尺寸，使进水口壁面温度和出水口壁面温度之差y达到设定的精度Y。
进一步的，步骤(5)所述的“通过多次迭代获取最优的进水口与出水口尺寸，使进水口壁面温度和出水口壁面温度之差y达到设定的精度Y”，其具体过程为：
(51)获取出水口与入水口的壁面温差y；
(52)采用公式(6)求得进水口与出水口当量直径的关系，并根据进水口与出水口当量直径的关系，修改出水口的尺寸；
(53)重新获取进水口与出水口的壁面温差y；
(54)判断y是否小于设定的精度Y，若是，则将当前的进水口与出水口尺的尺寸作为最优的进水口与出水口尺寸，输出该进水口与出水口尺寸，若否，则返回执行步骤(52)。
本发明还涉及一种采用上述设计方法设计的电机，该电机包括定子组件、转子组件和冷却***。所述冷却***包括设置在定子外壳3内部的冷却液流道和分别设置在定子外壳3外侧的进水口1与出水口2；所述冷却液流道包括至少1个连接在进水口1与出水口2之间的分流管道。所述定子组件包括从内向外依次同轴设置的定子轭11与定子外壳3、设置在定子轭11内壁上的定子齿5以及缠绕在定子齿5上的定子绕组6；所述转子组件包括转子轭8和粘贴在转子轭8外壁上的若干永磁体4；相邻的永磁体4之间设有间隙；所述永磁体4为与转子轭8相适应的圆弧状；所述永磁体4采用分块式结构，包括若干粘接相连的小型永磁体。定子齿5内表面为圆面，与永磁体外表面共同形成环形气隙7。定子壳体3的轴向长度大于定子轭11的轴向长度。转子轭8的轴向长度大于定子轭11的轴向长度，小于定子外壳3的轴向长度。永磁体4的轴向长度等于转子轭8的轴向长度。定子轭11和转子轭8均采用高导磁、低导电的硅钢片压叠而成。永磁体4、定子轭11和定子齿5的表面经过绝缘处理，定子轭11与定子齿5之间的空隙填充有导热系数大的灌封材料。
根据分流管道数量以及分流管道形状的不同，采用三个实施例介绍下本发明所述的冷却液流道。在三个实施例中，各个分流管道的横截面均为矩形，分流管道的轴向宽度不变，通过改变径向高度来改变其当量直径。
实施例一
如图5所示，当分流管道的数量等于1时，所述冷却液流道包括连接在进水口1与出水口2之间且与定子外壳3同轴设置的螺旋形管道，该螺旋形管道的中心线与定子外壳3的轴向中心线重合。所述螺旋形管道的横截面为矩形。所述螺旋形管道的当量直径由进水口1到出水口2递减，可以有效解决电机轴向温度不均匀的问题。
实施例二
如图6所示，当分流管道的数量等于1时，所述冷却液流道包括若干沿定子外壳轴向设置的纵向管道，其中，第一条纵向管道与进水口1相连通，最后一条纵向管道与出水口2相连通；其余的纵向管道中，相邻的两条纵向管道之间设有连通二者的连接管道，各个连接管道交错分布。所述纵向管道和连接管道的横截面均为矩形。所述冷却液流道的当量直径由进水口1到出水口2递减，可以有效解决电机周向温度不均匀的问题。
实施例三
如图7和图8所示，当分流管道的数量大于1时，所述冷却液流道包括若干与进水口1相连的分流管道一、若干与出水口2相连的分流管道二、用于将进水口1流入的冷却液引流到各分流管道一中的汇流管道一、用于将各分流管道一中的冷却液引流到分流管道二中的汇流管道二以及用于将各分流管道二中的冷却液引流到出水口2的汇流管道三；若干分流管道一和若干分流管道二构成若干条的分流管道，每一条分流管道沿定子外壳3的圆周方向设置，若干条分流管道是沿定子外壳3的轴向均匀分布；同一条分流管道的当量直径相同，若干条分流管道的当量直径沿定子外壳轴向变化。所述汇流管道一、汇流管道二和汇流管道三均沿定子外壳的轴向分布，且三者的当量直径相同。所述分流管道一、分流管道二、汇流管道一、汇流管道二、汇流管道三的横截面均为矩形。冷却液由进水口流入，汇流管道一将冷却液分配到各个分流管道一中，冷却液在分流管道一中流淌一周后，再由汇流管道二收集，重新分配给分流管道二中，冷却液在分流管道二中流淌一周后，再由汇流管道三收集，然后再进入到最外侧的分流管道中，由出水口流出。分流管道的当量直径与分流管道的数量为变化值，冷却液的流速由进水口至出水口逐渐提高。
本发明的设计原理为：
在电机冷却***中，对流传热可描述为：
Φh＝hAΔt (7)
其中，Φh为对流传热量，h为对流换热系数，A为冷却液流道壁面与冷却液的接触面积，Δt为冷却液流道壁面温度与冷却液的温度差，ν为冷却液运动粘度,dl为特征直径，N为分流管道的数量，lp为冷却液流道总长度，μ为冷却液动力粘度，Cp为在恒压下的比热容，是定子外壳材料的导热系数，Q为冷却***的输入流量。当冷却***管道为单管时，N＝1，即实施例一和实施例二介绍的冷却液流道。
在本发明所述的冷却液流道中，冷却液的温度由进水口1至出水口2递增，故冷却液流道壁面温度与冷却液的温度差Δt递减，通过采用本发明所述的设计方法和冷却液流道结构，能够使h*A增大，维持冷却***各段散热量的Φh的值在一定范围，使电机各部件温度均匀。仿真结果表明，随着流速的增大，该位置的散热性能越好。
在公式(8)中，取管道微元长度Δlp来计算面积则有：
取进水口处的散热量为Φ1＝h1A1Δt，Δt为入水口处冷却液与壁面的温差，取其当量直径为d1；取出水口处的散热量为Φ2＝h2A2(Δt-ΔT)，Δt-ΔT为出水口处冷却液与壁面的温差，取其当量直径为d2。令Φ1＝Φ2，经化简后则得到了公式(6)：
其中，N2为与出水口相连的分流管道并联数量，N1为与进水口相连的分流管道并联数量。根据公式(6)可以得到进水口与出水口的当量直径关系，为整个冷却液流道的设计提供参考，并通过多次迭代使其进水口壁面温度和出水口壁面温度之差y达到设定的精度Y。同时也可以将并联水道分段，采用测温模块对内部每段冷却液温度进行测量获得ΔT，从而得到每一级分流管道的当量直径与入水口的当量直径的关系，提高水道内部散热量的准确度，使电机各部件的温度趋于一致。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.高功率密度电机冷却***设计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)在电机定子外壳的内部设置冷却液流道，在电机定子外壳的外侧设置与冷却液流道相连通的进水口与出水口，同时设定进水口与出水口的初始尺寸；所述冷却液流道包括至少一个分流管道；
(2)获取电机额定工况下的参数，采用以下公式求得电机在额定工况下的绕组电阻损耗PCu和铁心损耗PFe：
PCu＝mI2R (1)
PFe＝Pn+Pc (2)
Pn＝KnfBp x (3)
Pc＝Kcf2BP 2 (4)
其中，m为相数，I为额定电流，R为电机绕组电阻值；Pn为磁滞损耗，pc为涡流损耗；Bp为磁通密度幅值，Kn和x为磁滞损耗系数，Kc为涡流损耗系数，f为交流电的频率；
采用公式P＝PFe+PCu求得电机的总损耗P；
(3)采用以下公式求得进水口与出水口的冷却液温差ΔT：
其中，p为电机的总损耗，Q为冷却液的流量，ρ为冷却液的密度，c为冷却液的比热容；
(4)采用以下公式求得进水口与出水口的几何关系：
其中，d1为进水口的当量直径，d2为出水口的当量直径，N2为与出水口相连的分流管道并联数量，N1为与进水口相连的分流管道并联数量，Δt-ΔT为出水口处冷却液与壁面的温差，Δt为入水口处冷却液与壁面的温差；
(5)通过多次迭代获取最优的进水口与出水口尺寸，使进水口壁面温度和出水口壁面温度之差y达到设定的精度Y。
2.根据权利要求1所述的高功率密度电机冷却***设计方法，其特征在于：步骤(5)所述的“通过多次迭代获取最优的进水口与出水口尺寸，使进水口壁面温度和出水口壁面温度之差y达到设定的精度Y”，其具体过程为：
(51)获取出水口与入水口的壁面温差y；
(52)采用公式(6)求得进水口与出水口当量直径的关系，并根据进水口与出水口当量直径的关系，修改出水口的尺寸；
(53)重新获取进水口与出水口的壁面温差y；
(54)判断y是否小于设定的精度Y，若是，则将当前的进水口与出水口尺的尺寸作为最优的进水口与出水口尺寸，输出该进水口与出水口尺寸，若否，则返回执行步骤(52)。
3.采用权利要求1所述的高功率密度电机冷却***设计方法设计的电机，其特征在于：该电机包括定子组件、转子组件和冷却***；所述冷却***包括设置在定子外壳内部的冷却液流道和分别设置在定子外壳外侧的进水口与出水口；所述冷却液流道包括至少1个连接在进水口与出水口之间的分流管道。
4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于：当分流管道的数量等于1时，所述冷却液流道包括连接在进水口与出水口之间且与定子外壳同轴设置的螺旋形管道，该螺旋形管道的中心线与定子外壳的轴向中心线重合；所述螺旋形管道的当量直径由进水口到出水口递减；所述螺旋形管道的横截面为矩形。
5.根据权利要求3所述的电机，其特征在于：当分流管道的数量等于1时，所述冷却液流道包括若干沿定子外壳轴向设置的纵向管道，其中，第一条纵向管道与进水口相连通，最后一条纵向管道与出水口相连通；其余的纵向管道中，相邻的两条纵向管道之间设有连通二者的连接管道，各个连接管道交错分布；所述冷却液流道的当量直径由进水口到出水口递减；所述纵向管道和连接管道的横截面均为矩形。
6.根据权利要求3所述的电机，其特征在于：当分流管道的数量大于1时，所述冷却液流道包括若干与进水口相连的分流管道一、若干与出水口相连的分流管道二、用于将进水口流入的冷却液引流到各分流管道一中的汇流管道一、用于将各分流管道一中的冷却液引流到分流管道二中的汇流管道二以及用于将各分流管道二中的冷却液引流到出水口的汇流管道三；若干分流管道一和若干分流管道二构成若干条的分流管道，每一条分流管道沿定子外壳的圆周方向设置，若干条分流管道是沿定子外壳的轴向均匀分布；同一条分流管道的当量直径相同，若干条分流管道的当量直径沿定子外壳轴向变化。
7.根据权利要求3所述的电机，其特征在于：所述定子组件包括从内向外依次同轴设置的定子轭与定子外壳、设置在定子轭内壁上的定子齿以及缠绕在定子齿上的定子绕组；所述转子组件包括转子轭和粘贴在转子轭外壁上的若干永磁体；相邻的永磁体之间设有间隙；所述永磁体为与转子轭相适应的圆弧状；所述永磁体采用分块式结构，包括若干粘接相连的小型永磁体。
8.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：所述汇流管道一、汇流管道二和汇流管道三均沿定子外壳的轴向分布，且三者的当量直径相同。
9.根据权利要求5所述的电机，其特征在于：所述分流管道一、分流管道二、汇流管道一、汇流管道二、汇流管道三的横截面均为矩形。
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