永磁无刷电机外部冷却系统流道优化设计

论文总字数：21974字

摘 要

永磁无刷电动机（PMLMS）在使用过程中由于绕组损耗、铁芯损耗等电机损耗将在系统内产生热量，使得温度升高。故而恶化电机性能，限制输出功率，对于使用效率及安全性带来极大危害。应用水冷系统对永磁无刷电机进行有效冷却可以减少温度的升高、提高输出功率、降低使用风险，具有较大工程意义。本文建立了不同结构的冷却系统流道模型，针对它们的换热效果进行了比较研究。

本文建立了周向流道模型、轴向流道模型和混合流道模型三种冷却系统流道模型作为研究对象进行数值计算，分别从电动机壁面整体温度水平，壁面温度分布均匀性和壁面是否存在局部高温区域三个方面对各个模型的计算结果进行了分析对比，并且结合电动机的实际运行情况及冷却系统加工工艺，设计并优化冷却系统模型，确定适用于实际电机冷却的优化水冷系统。

结果表明：6流道的轴向模型整体温度水平最低，温度均匀性最好，4流道的周向模型在局部高温问题方面表现最好。综合考虑实际工况和研究结果，推荐使用4流道周向模型作为电动机水冷系统的流道结构模型。

关键词：流道结构 换热 数值模拟 冷却系统

Optimization Design of Runner for External Cooling System of Permanent Magnet Brushless Motor

03013131 Lv Xu

Supervised by Zhao Lingling

Abstract

In the course of the use of the permanent-magnet linear motors, winding losses, core losses and other motor losses will produce heat in the system, making the temperature rise. So it deteriorate the motor performance, limit the output power, making great harm for the use of efficiency and safety.A water-cooling system can be employed to reduce the temperature rise, improve the thrust density and reduce the risk of use, with a large engineering significance. In this paper, the runner model of the cooling system with different structures is established, and the heat transfer effect is compared.

In this paper, circumferential runner model, axial runner model and mixed runner model are established and used to calculate. The calculation results of each model are analyzed and compared from the whole temperature level of the motor wall, the uniformity of the wall temperature distribution and the existence of the local high temperature region, and combined with the actual operation of the motor and cooling system processing technology to design and optimize the cooling system model. Considering which model is the most suitable for the actual use of the motor cooling.

The results show that the overall temperature level is the lowest and the temperature uniformity is the best in the axial 6-runner model, the circumferential 4-runner model has the best performance in the local high temperature problem. Considering both the actual conditions and the results of the study, the circumferential 4-runner model is recommended as the runner model for the motor cooling system.

Key words: runner structure heat transfer numerical simulation cooling system

目 录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第一章 绪论1

1.1 研究背景1

1.2 研究现状1

1.3 本文的研究内容2

第二章 模型建立与计算求解3

2.1 几何建模及网络划分3

2.2 控制方程4

2.3边界条件及物性设置5

2.4 计算求解6

2.5 模型验证6

第三章 计算结果与分析8

3.1 轴向流道模型计算结果与分析8

3.2 周向流道模型计算结果与分析11

3.2.1第一类周向流道模型计算结果分析11

3.2.2第二类周向流道模型计算结果分析16

3.3 本章小结19

第四章 两类模型对比分析与总结20

4.1 两类模型对比分析20

4.2 本章小结22

第五章 全文总结与展望23

5.1全文总结 23

4.4本文不足及进一步展望 24

致谢25

参考文献26

永磁无刷电机外部冷却系统流道优化设计

第一章 绪论

1.1研究背景

纯电动汽车作为一种新能源汽车，由于具有较低的排放和污染，对于能源的利用可以实现多元化等优点而拥有广阔的发展空间，受到国内外科研工作者的广泛关注^[1]。电机驱动系统作为电动车的关键部件，它的性能优劣会直接影响到整车的动力输出、能源利用效率以及舒适度等各个方面，因此开发出性能优越的驱动电机对整车的研发至关重要。

电动车用电机与传统电机有很大不同，一方面作为电动车电驱动系统的主要组成部分，要求其具有较高的功率密度、较宽的调速范围、更高的过载能力、更高的效率以及可以适应频繁的启动和加减速的能力；另一方面，电机的安装空间有限、工作环境恶劣。这些都必然将导致电机的温升较高，故而对电机的冷却系统提出了更严峻的要求^[2]。目前，电机的冷却方式主要有强迫风冷和液冷两种，而液冷效果较好，水冷形式相对于其他液冷形式相比，冷却效果更好（其冷却能力约为强迫风冷的50倍以上）且成本低^[3]，因此，采用水冷系统将是电动车发展的趋势之一。对于科研工作者来说，采用实用可行又相对准确的方法，对电动车用电机内部的水冷系统进行分析研究，设计出适用于实际电机运行环境下的安全性高、成本低、换热好的水冷系统就显得尤为重要。

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