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1、毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明:所呈交的设计(论文)是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名:日期:20年月日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解学校有关保留、使用设计(论文)的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计(论文)的复印件和电子版,允许设计(论文)被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检
2、索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计(论文)。本设计(论文)属于1、保 密 ，在 年解密后适用本授权书。2、不保密。(请在以上相应方框内打)学生签名:日期:20年月日导师签名:日期:20年月日电动汽车牵引电机冷却系统优化设计摘要21世纪的发展世界和能源与发展科技合为一体的发展，在当今的潮流下，电动汽车的发展是一个不可逆转的趋势。目前，电动汽车的电池广泛采用永磁同步牵引电机，这种电机与以往的传统电机相比，具有许多突出的优势，比如，效率高，功率因数可靠，以及密度高等特点。电机作为驱动部件,它的性能直接影响整车。主要影响电机性能的因素就是温度，所以本文主要探究温升效果对于同步电动机
3、的影响。对电机温升进行准确的计算与分析,使得整个电机各零件的温升都能够保持在一定温升允许范围内,才能保证整个电机安全正常运行。为了彻底解决这些困难,需要从电机的冷却系统角度入手,设计一种冷却效果更加显著的解决方案,目前电机主要是通过风冷、水冷却、油冷以及水冷与氢冷组合等多种方式进行冷却。实际上，欠电机最普遍的冷却方式是水冷却。其温度上升，不仅是由内部的结构产生热量，更与水道结构和流量相关。本文主要通过Maxwell设计一款永磁同步电机,分析电机在极端工作情况下的损耗,将损耗折算成各部位的功率损耗,然后建立电机和水套的三维模型,利用Fluent的流体模型进行冷却计算，得到温度的场分布和压力分布，
4、通过对比不同的内部送水通道以及送水办法，还有不同的水流密度下个部分产热，最终得出水，冷却的最优解决方案,对降低电动汽车牵引电机温度,使电机能够安全稳定的运行有重要意义。关键词:永磁同步电机;水冷;水道;温度场;FluentStructural design and characteristic analysis of combustion vacuum generator AbstractWith the development of the 21st century and the integration of energy and technology, the development o
5、f electric vehicles is an irreversible trend in todays trend. At present, permanent magnet synchronous traction motor is widely used in electric vehicle battery. Compared with traditional motor, this motor has many outstanding advantages, such as high efficiency, reliable power factor and high densi
6、ty. As a driving component, the performance of motor directly affects the whole vehicle. The main factor affecting motor performance is temperature, so this paper mainly explores the effect of temperature rise on synchronous generator. Accurate calculation and analysis of the temperature rise of the
7、 motor can keep the temperature rise of all parts of the motor within a certain allowable range of temperature rise, so as to ensure the safe and normal operation of the whole motor. In order to completely solve these difficulties, we need to design a more significant cooling effect solution from th
8、e perspective of the motor cooling system. At present, the motor is mainly cooled by air cooling, water cooling, oil cooling and the combination of water cooling and hydrogen cooling. In fact, water cooling is the most common cooling method for undergenerator. The temperature rise is not only caused
9、 by the heat generated by the internal structure, but also related to the channel structure and flow.This article mainly through the design of a permanent magnet synchronous motor, Maxwell analysis of motor work in extreme cases of loss, loss convert into each part of power loss, and then to establi
10、sh 3 d model of motor and water jacket again after mesh Fluent are used to calculate the motor temperature field under different cooling ways of working and the pressure distribution of each channel, Comparing the temperature field distribution of each part of the motor under different waterway stru
11、ctures, different water injection methods and different flow rates, and determining the cooling scheme with better cooling effect, is of great significance to reduce the temperature of the traction motor of electric vehicles and ensure the safe and stable operation of the motor.Key Words:Vacuum gene
12、rator; Flame extinction; Condensation; Negative pressure; Combustion;Fluent目 录标题 6,1,标题 7,1,zaiyao,1,Abstract,1,毕业设计（论文）原创性声明,1 毕业设计（论文）原创性声明I毕业设计（论文）版权使用授权书I摘 要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1 损耗与温度场研究现状21.2.2 流体场研究现状41.2.3 电机冷却系统研究现状41.3 研究内容和主要目标51.4 本章小结5第2章 永磁同步电机设计及损耗分析62.1 永磁
13、同步电机工作原理62.2 永磁同步电机结构特点72.2.1 转子结构72.2.2 定子绕组方式92.3 永磁同步电机设计102.3.1 转子结构设计102.3.2 定子设计112.3.3 电机参数132.4 损耗分析142.4.1 电机常见损耗142.4.2 Maxwell电机损耗分析152.5 本章小结16第3章 冷却水套设计及流场分析173.1 流体力学基本理论173.1.1 流体的基本物理性质173.1.2 流体流动的数学模型173.1.3 管内流体流动的损耗193.2 冷却水套模型设计203.2.1 常见水套模型对比203.2.2 水套模型设计223.3 流速场分析233.4 本章小结
14、25第4章 电机温度场分析264.1 传热基本理论264.1.1 热量传递的基本形式264.1.2 热传导定律274.2 Fluent仿真分析284.2.1 模型的处理及网格划分284.2.2 边界条件314.2.3 计算结果分析与数据对比324.3 水道散热最优结构364.4 本章小结36第5章 总结与展望375.1 工作总结375.2 研究展望37参考文献38致谢40附录41附录A 仿真数据表格41附录B 电机内部温升421.1研究背景及意义新能源汽车具有能耗低、污染轻等传统燃料汽车无法比拟的优势,对于碳排放量的减少具有重要意义。近年来在政府强有力的持续支持下,能源汽车取得了优异的成绩,然
15、而，在新技术的推广过程,包括牵引电机冷却技术在内,还有许多技术瓶颈有待克服。电机的铁耗和铜耗都会引起内部温度的上升，对于电动汽车而言，其采用的同步电动机是主要的产能部件，要求的容量比较高，但是散热系统做的并不发达，导致其温升问题更加严峻。温升首先会影响电池的内阻，进一步则危机电机的使用寿命。在使用电机的过程中，要格外注意散热系统的改良，传统的办法就是利用冷却系统保障电机的工作温度，在一定的水平波动。一般而言，主要是采用风冷和水冷，还有蒸发冷却的办法进行降温，本文研究的牵引电机主要采用水冷的办法。实际上，水冷利用的是传导散热原理，通过冷却水循环流动将电机内部绕组降温，此后，热量再通过一定的空气流
16、动挥发出去。水冷的优势，除了更好的与电机系统散热相结合以外，还可以给电机的材料选择提供更多的机会，比如说电机能够匹配具有更高水平电磁参量的材料和结构，从而进一步提高其性能。总体而言，冷却水循环系统的设计比较复杂，但是只要把握好头部的关键部分，就能够发挥出较大的优势。具体的设计需要与电机的温度场分布相匹配，装载水冷系统以后，还需要对电机整体的温度场进行分析，只有符合一定标准，电机才能够合格运行。整体场的计算比较复杂，这里采用的线索就是已知损耗的类型所引起的温度变化以及常态的温度分布，最终目的是根据计算结果，找出可以最优解决温升问题的办法。对于电动汽车中的电机系统，其各个部分都不应当是孤立存在，如
17、果在整车设计的过程，同时考虑电机和散热系统的综合设计，或许可以使效率利用率更高。然而，整车设计对于车间工人的要求比较高，一定程度上并不如各部件装配来的划算，总之，电动汽车的设计转型还有很长的路要走。1.2国内外研究现状1.2.1损耗与温度场研究现状电机系统结构复杂,在运行过程中存在着能量损失和效率降低的现象。其主要原因大多来自于电机运行过程中的自身产热所带来的热损耗。这些损耗会对电机的运行产生很大的影响,也会导致电机温度升高。1.2.1.1损耗研究现状电机内部的损耗绝大部分是铁损、铜损,以及一部分涡流损耗。对于铁损来说,1988年Bertotti根据严密的物理推导,提出了包含磁滞损耗、涡流损耗
18、以及异常损耗三项组成的铁心损耗模型,现如今模型的应用比较广泛1。之后很多学者都在Bertotti铁损计算模型基础上对铁心损耗进行分析,做出了很多重要的成果。2008年莫会成等人利用Bertotti的铁损分离理论,探究了造成硅钢片产生铁耗的具体原因以及影响因子，可以有效帮助后人研究提高电机效率的办法2。铜损主要是电机通电工作后,根据焦耳定律，电流在绕组上产生的热量。具体的影响因素是电流的大小以及绕组的阻值。铜耗产生的热量是引起温升的主要原因，同时温度上升也会提高电阻的阻值，这样会进一步加大纹身的影响。对于车用同步永磁电机,功率密度较高,电流密度较大,铜损所占比例较高。当下对于永磁同步电机的研究已
19、经取得了一些进展。比如，董蓉所带领的研究小组探讨了不同占空比的pwm波对于电机绕组损耗的影响3。2010年,Patel B.Reddy教授以及其他学者使用有限元的分析方法进一步探讨，提高了对同步电动机计算的精确度4。永磁体的涡流损耗是由于电枢反应引起的，主要起作用的参量是谐波磁动势，它的决定式与磁通密度成正比，并且含与高次谐波的杂糅有关。国外的学者Jae-Do Park等曾经探讨了定子形状是否与永磁体的涡流损耗有关5。国内学者朱卫光等使用网格划分的研究办法，建立了三维模型，得出影响永磁体涡流损耗的因素6。1.2.1.2温度场研究现状损耗的产生导致电机发热,电机温升的分析与控制一直都是国内外学者
20、所关注的问题。总结国内外对电机温度场的研究,大致可分为三种方法:简略公式法、等效热路法、有限元分析法。第一，简略公式法。这种方法使用的简化方式比较多，假定损耗仅发生在定子周围，忽略其他结构的热传导。虽然假设不恰当,但是作为定性的分析还是有可取之处，此外，研究人员为了提高计算机，采用的温升系数由实验测定。然而总体来看，其精度并不高。第二，等效热路法。这种办法就是电机的整体结构划分为若干个网格，在网格的节点上安装各个零部件，比如说等效的电阻或者集中的热源等来模拟真实情况，然而，这些用来模拟的元件使用的系数一般比较大，也是起定性说明的作用，与实际情况相差比较多。此外，模型的简化并不意味着算法的简略，
21、当节点和网络划分的越精细，意味着迭代步骤越多，最终呈现的效果并不理想。,第三，有限元分析法。这种方法的背景是微积分计算，就有比较高的精度，使用范围也比较广。它是最能够体现模拟场元素的方法，如果给定了场的微分方程和初始条件，那么使用查分的办法就可以方便地得出电机温度分布和引起温差的主要因素。本文采用的是基于Fluent的有限元分析方法。1.2.2流体场研究现状电机离不开散热,散热的研究对电机的设计也具有重要意义,流体场的研究与散热有很深的联系。近些年来学者们对流体场进行了大量的研究,可以解决许多问题,如表面散热系数、出口流速和压力的计算,流体流动路径、温度等。国内许多学者在流体领域的研究取得了很
22、多成果。李伟力等学者研究的是风力电动机的温升效果，最终得到结论是，大功率的电动机流体降温整体办法，在实际应用中改善了风冷的效果10。靳慧勇等学者研究的是汽轮电动机，最终通过探究温升的处理办法，降低了故障率11。此外国外的相关学者，比如R.E. Mayle对难以处理的狭窄气隙中流体流动进行了实验分析13。还有Staton D A等专家取不同的对流系数，探讨流体场中各种流体变化所导致的结果，给电机的冷却水循环计算提供了比较好的思路14。1.2.3电机冷却系统研究现状采用冷却直观的目的就是降低电机因发热造成的温度上升，其最终目标是保护电机的寿命。具体的来说就是，在发热的表面增加散热方式，比如传导或者
23、对硫等，对于电机还有空冷、包括水流等液态冷却，以及氢气冷却，还有蒸发等等方式。日本的木岛欲之等设计的190kW电机的冷却系统分为两部分,一部分是由外风扇冷却电机定子,另一部分由内风扇组成的内部循环路线,通过外部带有散热筋的空腔进行热交换,效率比传统的全封闭式电机更高,使得散热系统达到最优化15。H. Neudorfer等学者研究的是水冷系统与三项交流电机之间的搭配，其对电机的结构还进行了进一步的改善，通过设计机座，以及增加冷却介质的变量，还有改变具体冷却水循环的方式等于办法探讨二者之间如何进行更好的搭配16。万珍平等学者研究的是螺旋流通办法的相关参变量对于散热和压力场的作用,结果表明,增加螺旋
24、流道的圈数可以提高散热能力,但会导致压力损失显著增加,如果截面积增加，那么对散热的能力影响也会增加，反之则相反17。1.3研究内容和主要目标了解电机电磁场、温度场和流体仿真现状及发展方向,搭建永磁同步电机冷却水套系统数值仿真模型。了解电动汽车牵引传动系统的散热技术,掌握冷却水套的冷却设计原理,分析不同参数对冷却性能的影响并进行优化设计,获得最佳的冷却结构与参数。,完成冷却水流场仿真计算及水道结构优化设计(水道水压、流速、流量),提高永磁同步电机的散热性能。本文主要分析的是电动机的温度场，并伴随压力场的探讨，具体来说，主要研究的是：1)设计一台35kW的永磁同步电机,分析其在不同工况下的损耗,选
25、择一种极端情况下的工况损耗,计算电机产生损耗部位的热功率密度。2)对比分析不同类型的冷却水套优缺点,选择一种水套作为研究对象,设计出在结构上不同的多种该类水套,分析水道类水的流速分布。3)运用Fluent等有限元分析软件,分析水套在不同流量下的温度分布以及水道内的压强分布。4)比较分析仿真结果,选择一种散热效率最优的水套,为后续研究实验做指导。研究目标:搭建永磁同步电机冷却水套系统数值仿真模型,掌握冷却水套的冷却设计原理,分析不同参数对冷却性能的影响并进行优化设计,获得最佳的冷却结构与参数。完成冷却水流场仿真计算及水道结构优化设计(水道水压、流速、流量),提高永磁同步电机的散热性能。1.4本章
26、小结本章首先介绍电机冷却系统的优化设计对新能源汽车发展起的关键作用,然后分析了电机发热主要来源于电机内部的损耗,分析了国内外对损耗的研究现状,接着介绍了温度场、流体场的分析对电机设计有极大帮助,同样的也介绍了国内外研究现状。最后,本文对电动机的散热办法进行了优化,以达到比较好的散热效果。基于上一章中讨论永磁同步电机损耗的研究现状,对在本章的研究中设计一台35kW的永磁同步电机有很大帮助,电机设计包括定子、转子、绕组方式等,并通过Maxwell对电机做损耗分析。2.1永磁同步电机工作原理首先，对于永磁同步电机进行解构，所谓永磁指的是使用的材料是永磁体，同时也不需要再增加励磁，所以能够大大提高电机
27、的运行效率。当通入三相电流时，根据电磁原理产生的旋转场会进一步拖动转子进行运动，当最终达到平衡时,转子绕组不再产生感应电流,同时电机产生驱动转矩。所以在启动过程中，可以认为是异步带动同步。在进行电动机的转子调速时，因为没有励磁电流，所以不能通过电流的方式进行调节，同时通入的三项电流也不可以用来改变转速，而是应当采用专用的变频器，这样能够直接改善频率和速度。在起动过程中,最初通入电流增加转速和转距的过程中，也就是说异步的转矩才是起驱动作用的，电机在这个力矩的作用下不断加速，最终来达到同步。而其他的转矩相当一部分都是起制动效果的。在最初要接近平衡的时候，由于惯性等因素，可能并不能够达到同步的效果，
28、频率或许会超过同步时的额定频率，但通过一段时间的电机自调节，可以不再震荡，恢复稳定。假设频率为f，极对数为p，根据教材可以知道转子的转速:(2.1)可以看出,转速与频率成正比，以及对数成反比，所以这给我们提供了一个变频的思路，只要改变电源的频率，那么就可以改善同步电机的转速。2.2永磁同步电机结构特点同步电机的主要构成是定子，转子以及外部壳套等，这里使用的磁铁是永磁体。2.2.1转子结构根据电枢所在的位置，区分转子结构，主要可以分为内外两部分。相对处在外层的转子气隙直径更大，由于电磁转矩与气隙直径的2次方正相关，所以同样条件下的电动机，永磁体电动机的外转子驱动效果更好。而内部的转子结构则是还可
29、以继续划分为表面结构，内置式和混合式。第一种，表面式结构。采取这样安装办法的转子的磁极是在铁芯外部的表面的，而且其形状为了方便摆放，一般设计为瓦状。图2.1表面式转子结构示意图根据表面位置不同,表面式转子又可分为表贴式(图2.1.a)和埋入式(图2.1.b)实际上，表面式结构的电机凸极率大概是一，可以认为是隐极电动机。由于气隙比较大，相应的导致电枢反应并不剧烈，所以弱磁的能力并不明显，运行范围也比较小，然而，其突出优点在于制作难度小，成本低廉而且有广泛的应用市场。第二，内置式转子结构。这种结构的转子相较于铁心的位置比较靠里面，抗磁的能力很强。而且，转子的磁路并不对称，利用交直轴的感应效应，可以
30、有效加大转矩，进一步有利于弱磁能力的提升，提高电机性能。而且，用磁铁产生磁场的方向和旋转方向并不一致，这样可以将内置式的转子结构进一步划分，主要是径向的，以及切向的和混合方向。径向式转子结构这意味着磁场方向与转子的转动是垂直的，这样损耗小，绝缘性能高，也比较方便与装配与保护。图2.2径向式转子结构示意图切向式转子结构所谓切向，就是在运动过程中，各个时刻的方向都一致。实际上，这种结构的排列时的气隙比较大，要做好防止漏磁的措施，否则会增加磁路损耗。图2.3切向式转子结构示意图混合式转子结构混合式综合了以上两种结构的特点，具有低损耗，高绝缘性能的优点。但是相应的，安装比较复杂，而且不易于大规模生产。
31、图2.4混合式转子结构示意图2.2.2定子绕组方式按照相数，可以将电机的绕组简单划分为单相、还有三相，以及多相的结构。实际上，每一极的槽数有所不同，所以可以划分为整数的以及分数的形式。在装配过程中，需要符合一定的规则，才能够做出完整的产品。这里假定，相数为m,且定子的槽数为Z,极对数为p。接下来就可以对于每相的槽数进行公式计算:(2.2)2.3永磁同步电机设计永磁同步电机电磁设计的主要任务是确定电机结构尺寸、选择绕组连接方式、确定电机的材料和材料性能、并且设计整体的结构。电动机的整体设计流程复杂，而且需要添加的变量和因素比较多，使用到的电磁原理难于理解和落实计算，实际的施工中或许会遇到许多的麻
32、烦。本文提到的电动汽车需要用到电动机的特性，包括低速和高转矩,高效率、高过载能力、低损耗、安全可靠相关要求。但本文主要是研究电机的冷却系统,故对电机只是进行简单设计,满足基本要求即可。根据要求,永磁同步电机的设计目标如表2.1所示:表2.1永磁同步电机设计参数参数大小额定功率/kW 35额定转速/rpm 3000额定电压/V 112效率95%2.3.1转子结构设计由于设计要求中电机转速较高,由于弱磁能力比较低，表面式的结构使得转子在实际运动过程中必须添加其他的结构来稳定，比如可以增加一个套筒，但这样相应的拉低了安全可靠性。综合考虑,这里采用的是内置式的结构。另外,由于隐极电动机的转矩并不高，这
33、里采用了一个V型的转子排布形式,同时固定永磁体,避免高转速时永磁体飞出。图2.5转子结构示意图2.3.2定子设计首先要选择极对数，合理的极对数可以保证电机工作频率的稳定，并且一定程度上减少铁芯损耗。在实际设计中，如果限制因素比较多，要求增加主磁极的空间来确保运行的效果，那么相应的调整就是需要保证极对数限制在合理范围内。q越大,效果也越突出,但是当q太大时,电机成本变高,而且由于电机尺寸及加工工艺的限制,槽数不能过多。综合考虑后,永磁同步电机的极槽组合为8极48槽。综合考虑，分数的形式来构造槽数是能够满足对于驱动能力的要求，但是极对数比较小，利用空间不够好，如果极对数较大的时候，槽数有相应的提高
34、，则频率会增加，所以最终使用的还是整数形式的槽数。表2.2定子绕组选型对比分数槽集中式整数槽分布式磁阻转矩较低较高铜损较低较高铁损较高较低转矩波动较高较低图2.6定子槽数及绕组方式定子槽形及尺寸:表2.3定子槽形尺寸表参数大小Bs02Bs13.2Bs25.8Hs00.6Hs10.6Hs220图2.7定子槽形图2.3.3电机参数通过Maxwell设计永磁同步电机的定子、转子,得到了电机的各项参数如下:图2.8 Maxwell永磁同步电机设计图表2.4永磁同步电机主要机械尺寸定子外径(mm)220槽深(mm)24定子内径(mm)141.6齿宽(mm)7.2转子外径(mm)140槽开口(mm)2转子
35、内径(mm)60永磁体厚度(mm)5定转子长度(mm)132永磁体长度(mm)19表2.5永磁同步电机一些电磁参数反电动势(V)150.7额定工况下铁损(W)174.0额定工况下铜损(W)615.95额定工况下负载(N m)111.4最大功率(kW)892.4损耗分析2.4.1电机常见损耗永磁同步电机的损耗与其他电机损耗类似。这里产热比较多的因素，主要有三种，铜耗和铁耗，以及永磁体的涡流损耗。铜损指的是由于绕组电阻而将电能转化为热，具体的计算公式如下:(2.3)式中: Pcopper铜损耗;J电流密度;cu线圈的电阻。同时,铁损是由磁体磁通量的变化引起的,通常分为磁滞损耗和涡流损耗。当连接到铁
36、芯上的磁通量交替地转变为N极和S极时,就会产生磁滞损耗:(2.4)式中: Ph磁滞损耗;Kh磁滞常数;f电流频率;Bmax最大磁通密度;n实验常数,一般为1.5-2.5。涡流损耗主要的原理是法拉第电磁感应，具体的计算公式如下：(2.5)式中: Pe为涡流损耗;k为导电率;t为通过的导体厚度。铁损表示为两者损耗之和:(2.6)2.4.2Maxwell电机损耗分析通过Maxwell分析了电机在四种工况下的损耗,并乘了相关的系数表示其在实际情况下的损耗,结果如下表2.5所示,可以看出电机的铁损随着转速的提高而不断加大,这是因为必须改变电压频率才能升高电机转速,运行频率增加会导致铁损增加,发热量加大。
37、铜损在电机低转速时最低,低转速时为了保持功率温稳定,电流会很大,因此铜损很大,但电枢电流比较低,所以其对应的涡流损耗很低。同时可以发现,铜损随着电流的加大而减小,其大小与绕组上的电流平方成正比,转速增加,绕组电流减小,损耗也减小。表2.6四种工况下电机的损耗电机工况铁损*1.6(W)绕组铜损*1.2(W)涡流损耗(W)1000转168.5442956.5410.4124500转830.416739.1350.86659000转1284.64416.5213.212000转1891.04756.8423.2表2.7四种工况下电机各个部件的功率密度功率密度(W/m3)定子单个磁钢单匝绕组1000转
38、74389.42053.49623405.04500转366516.34318.72405850.59000转566994.865789.51355753.512000转834638.3115627.02463479.4对比电机在四种工况下的损耗,1000转下电机损耗最大,实际当中对电机的损害最大,但在实际情况中,其运行时间短,主要发生在车辆爬坡时,4500转和9000转下电机的损耗并不是很打,因此最终选择12000转下电机的损耗作为后续水套分析的热源。2.5本章小结本章中介绍了永磁同步电机设计的原理,包括定子、转子的设计,通过Maxwell简单的设计了一台35kW的永磁同步电机,确定了各部分
39、的结构尺寸,同时也介绍了电机内部损耗的计算公式,并通过Maxwell分析了电机的铁损、铜损、涡流损耗,对比四种工况下电机损耗,最后选择12000转下电机的损耗作为后续水冷系统设计的热源。在上一章中主要介绍了永磁同步电机的结构设计,并分析了该电机在四种工况下的损耗,最后选择12000转下电机损耗作为后续温度分析的基础。在本章中介绍的是流体力学的一些基本理论,并在对比不同水套模型的基础上,针对一种水套,设计不同结构的水套模型,并在流量一定的情况下,观察水道内部的流速分布。3.1流体力学基本理论所以流体，这个是流动的液体状态，与固体是相对应的一组概念。其分子结构之间空间比较大，所以它的形状并不固定。
40、3.1.1流体的基本物理性质流体具有多种物理性质,这里主要介绍它的粘度以及压缩性。粘度:在流体与流体之间，粘度表现为阻碍相对运动的速度的能力。一般来说，他取得的还是分子热运动的效果，而与尺寸还有形状等等无关。牛顿内摩擦定律这里指的是，流体剪映力与速度之间的关系，计算公式可表示为:(3.1)式中:单位面积上的摩擦力;动力粘度或粘滞系数。3.1.2流体流动的数学模型柳体是连续性，在流动过程中，会尽可能的均匀填充空间，具体的方程可以是微分的形式：(3.2)式中:密度;t时间;ux 、uy 、uz流体沿x,y,z方向的流速。流体也具有动量守恒也即流体的运动微分方程:(3.3)式中:运动粘度;p压力。上
41、式可简化为:(3.4)另一种表示形式是，F=ma。流体能量守恒微分方程:(3.5)实际上，该公式也表明温度和空间分布有关。在永磁同步电机冷却系统模型中,水泵向水道送水,属于一种强迫冷却方式,流体在水道中流动时,如果雷诺数别给定的阈值大，那么就应该利用湍流流动的模型,流体的流动还应该满足附加的湍流运输方程。本文中Fluent仿真采用的湍流模型为标准模型。(3.6)这里的 Gk是平均的速率制备的第k个动量；Gb为浮力而产生的湍动能b项;YM是由于压缩的性能和相对导致的扩张有关;Sk、S用户自己定义的源项;G1、G2、G3经验系数。对于不可压缩流动,上式中,Gb=0,YM =0。3.1.3管内流体流
42、动的损耗流体的流动也会产生损耗，主要可以分为里以下三种：第一，沿程损耗。由于流体的流动，液体会于管内部通道发生相对运动，进而产生摩擦，发生机械损耗，这里的公式如下所示：(3.7)式中:摩擦系数;l冷却管道长度;d等效水力直径;流体密度;v流速。这里，与雷诺数Re之间满足一定的关系，通过实验测量，可以发现，该数值与管道的类型以及流体运动的方式有关。第二，局部损耗。这里体现的是涡流压力导致的损耗，计算公式如下：(3.8)若截面变小，那么阻力系数的实验测量公式可以按照下面所示：(3.9)式中: A1进出水口面积;A2管道截面积。从上面两个式子表明水道管壁应尽量平直。不要大幅度改变管径,否则增加大量的
43、损耗而损失很多能量。3.2冷却水套模型设计在结构上,电机的水冷系统结构有三种：机壳、端盖以及组合型的结构。后两者的冷却效果略好于单独机壳水冷结构,但两种组合结构的生产难度相对较大。水冷系统设计应遵循以下几点要求:(1)流体接触面应尽量大;(2)流体流动过程中沿程阻力要小,表面光滑;(3)流体断面形状规则统一,弯头要少,以减少局部阻力;(4)流体表面传热系数应足够大,热交换充分,散热效果好;(5)使用环境安全、稳定并且维护方便。3.2.1常见水套模型对比这里主要需要讨论不同方向的冷确通道设计：(1)周向型冷却流道是水流在机壳表面沿圆周分布向前流动。其主要的优点在于，平稳流动，与机壳接触面积大,冷
44、却散热效果好。但是，不利之处在于流动过程中的冷却水的温度会升高,这样会导致温差阶段性变化。(2)轴向型的冷却流道。这种设计是按轴向的顺序设计通道。优点是容易将进出口安排在一个方向，增大散热的面积,制造工艺简单。缺点是水道转弯多、倒角多,阻力损失较大,入口的水压要很大。(a)(b)图3.1圆周型水道图3.2螺旋形水道图3.3轴向型水道3.2.2水套模型设计经过对比分析,从加工难易、散热能力以及流阻等方面考虑,最终选择了周向型水道作为设计基础,如图3.1(b)。水道截面尺寸为直径16mm的圆,从水道圈数、出入口数目和位置等方面设计了如下水道:图3.4单入单出四圈水套图3.5单入单出六圈水套图3.6
45、单入双出六圈水套图3.7双入双出六圈水套()(b)图3.8双入单出六圈水套图3.9单入双出八圈水套3.3流速场分析经过设计,对以上七种水套在入口水流速为0.4m/s的情况下进行流速场分析,观察水道内流速的分布,结果如下:()(b)(c)(d)(e)(f)(g)(a):单入单出四圈水套;(b):单入单出六圈水套;(c):双入单出六圈水套;(d):单入双出六圈水套;(e):双入单出刘圈水套;(f)双入双出刘圈水套;(g)单入单出八圈水套图3.10各种水套的流速分布图从仿真结果可以看出出口的流速都有增加,双入口水套的由于两个入口的流量均为0.4m/s,所以水道内流速的分布比其他的更均匀,但双入双出水
46、套由于两个出口之间存在水道,这部分的流量不容易流动,因此图上这部分流体的流速趋近于0。另外两个水道连接处由于水道平直,流速较快,沿程损耗低。整体上,单入单出的水道流体流速分布比较均匀,单入双出的水道流体流速分布很不均匀。在对比整体上的流速分布情况来看,单入单出的水道效果可能更好一些。3.4本章小结在本章中首先介绍了流体力学的相关知识,说明了水套设计的一些相关要求,然后对比了常见的水套结构,最后选择圆环形水套作为研究对象,以此设计了七种结构的冷却水套。后面还分析了在0.4m/s的入口流速下,水道内部的流速分布情况,对比发现在总流量相同的情况下,单入单出的水套内部流速分布更好。第三章对比分析了常见
47、水套的特点,选择了要设计的一种水套,在此基础上设计了七种结构不同的水套,包括水套圈数、水道出入口的数目和出入口位置几个方面。并分析了在0.4m/s的流量下水道内部的流速分布,发现多入口的水道流速分布比单入口的是流速分布更均匀,但单入口的水道流速综合对比下来效果更好。本章根据传热学理论,利用Fluent有限元仿真分析软件,对电机进行温度场仿真,并对结果进行对比分析,比较散热效果最好的一种水套结构。4.1传热基本理论4.1.1热量传递的基本形式散热，或者说热量的传递可以有四种形式，包括辐射、对流，传导以及蒸发。这里分析前三种。首先，热传导忽略流体内部的宏观变化，而是关注粒子之间的影响。其前提是必须有温度的差异。具体计算公式为：(4.1)式中: Q单位时间内通过确定的截面的热量，可以类比于液体流量的分析。A与热流方向垂直的面积(m);指该截面上沿热流的温度梯度(K/m);这里指的是导热系数,其数值越大，证明该介质导热的能力越好；第二，对流的热量发散形式主要指的是不同存在状态（固体和液体）举行热量交换的方式。其主要原理是液体的