摘 要

当下时代为了顺应全球节能减排的大趋势，我国在新能源汽车更替传统能源汽车的政策导向上正在引领潮流，然而以纯电动汽车为主的新能源汽车依然存在着不少问题函待解决，这其中就包括现行电机液冷系统散热能力不足，导致电机工作效率降低，使用寿命不长等。故改良原有设计的冷却水套结构从而改善冷却系统冷却能力，从而确保电机的安全稳定运行具有十分重要的现实意义。

本文从传热学以及流体力学的角度对原有电机液冷系统的结构进行理论分析，从中发现原有设计的出入水口的结构以及水路中的直角弯道设计存在缺陷，并提出相应的改良设计方案：将原水道出入水口的垂直式设计改为曲线形弯管设计，并将水道拐角处的直角设计改为圆角式设计，从而达到减小管内流动阻力，降低水泵耗能，增强散热效果的目的。

本文以某型纯电动汽车30KW电机的液冷系统为例，分别计算出电机的铁损，铜损等导致发热的相关参数，之后建立相应的3D仿真模型，将流体、固体材料，流体湍流模型，流体出入水口速度，流体初始温度及耦合面的相关条件带入，得到温度场、流场的仿真图像。根据图像对比原有模型与改良模型的散热状况，从而验证改良模型是否真正改善了液冷系统的散热效果，并对整个分析实验做出总结。

关键字：液冷系统；结构缺陷；温度场；流场；仿真分析

Abstract

At present, in order to conform to the global energy saving and emission reduction trend, our country is leading the trend in the policy orientation of the replacement of traditional energy vehicles for new energy vehicles. However, there are still many problems to be solved in the new energy vehicle based on YISHION electric vehicles. This includes the lack of heat dissipation capacity of the current motor liquid cooling system, The motor efficiency is reduced and the service life is not long. Therefore, it is of great practical significance to improve the cooling capacity of the cooling system by improving the original design of the cooling water jacket, so as to ensure the safe and stable operation of the motor.

In this paper, the structure of the original motor liquid cooling system is theoretically analyzed from the point of view of heat transfer and fluid mechanics. It is found that the structure of the inlet and outlet of the original design and the design of the right angle bend in the waterway are defective, and the corresponding improvement design scheme is put forward: the vertical design of the inlet of the original water channel is changed to the curve shape. The elbow is designed, and the right angle design at the corner of the watercourse is changed to a rounded design, so as to increase the average velocity and enhance the heat dissipation effect.

In this paper, the liquid cooling system of a 30KW motor of a certain type of pure electric vehicle is taken as an example to calculate the related parameters of the heat loss, such as the iron loss of the motor and the copper loss, and then the corresponding 3D simulation model is set up. The fluid, solid material, fluid turbulence model, the velocity of the fluid entry and exit, the initial temperature of the fluid and the related conditions of the coupling surface are taken. The simulation images of the temperature field and the flow field are obtained. The heat dissipation of the original model and the improved model is compared to verify whether the improved model really improves the cooling effect of the liquid cooling system, and makes a summary of the whole analysis experiment.

Key words: liquid cooling system; structural defects; temperature field; flow field; simulation analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3主要研究内容与技术路线 3

1.3.1研究的基本内容及技术方案 3

1.3.2研究目标 4

1.3.3拟采用的技术方案及措施 4

第2章 传热学与流体学基本原理 5

2.1散热原理 5

2.2湍流层的主要性质 5

2.3流体在水路中的损耗 7

2.3.1沿程损耗 7

2.3.2局部损耗 8

2.4 CFD软件介绍 8

2.5本章小结 9

第3章 电机液冷系统建模及有限元计算 10

3.1电机冷却系统分析 10

3.1.1散热系统 10

3.1.2流体域及固体域化简模型 10

3.2电机的稳态热路计算 12

3.2.1额定工况下的热路计算 12

3.2.2热源的计算 13

3.3本章小结 14

第4章 流体场及温度场计算 15

4.1温度场与流场的基本假设和边界条件 15

4.2水冷电机网格划分： 15

4.3现有的模型仿真 17

4.4电机内部温度分布与流体速度的关系 21

4.5改良方案的模型及原方案对比： 21

4.6改良模型仿真分析 23

4.7本章小结 27

第5章 结论 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

近年来，在我国经济全面发展，综合国力持续增强的背景下，我国汽车产业也在发生日新月异的重大变化，截至2017年的统计信息，中国已连续9年稳居全球第一大汽车市场，并且潜力后劲十足。在这样的前提背景下，我国积极响应全球节能减排的趋势和号召，从自身做起，大力扶持新能源汽车产业和市场，鼓励国有汽车企业和外来汽车企业从传统内燃机汽车向新能源环保型汽车转型，从中体现出我国作为全球新兴经济强国对世界走向和人类未来的考量与责任。就目前国内新能源汽车市场和国际新能源汽车发展大方向上来看，纯电动汽车以其环保、低噪音、经济性高、易保养等优点在新能源汽车领域走在领先的行列，在相关政策的扶持下2017年全国销售新能源乘用车556393辆，同比增长69%；在这之中，新能源电动汽车年售辆达到了448820辆，占新能源车总体比例的81%，是显而易见的主力军。

然而，在纯电动汽车大步向前的同时，其自身的缺陷也在逐步暴露于世：续航里程短、动力性不足、充电时间长、配套设施不完善等，都是阻碍其进一步取代传统内燃机汽车站上汽车市场顶峰的拦路虎。抛开其中三个直接性没有那么显著的缺陷不看，汽车动力性可以说是驾驶车辆的最直接体验，动力性不足会导致加速时间过长，车辆负载受限，路况敏感性高等，甚至从侧面加大了安全隐患。对此，对功率更大的电机的需求也就与日俱增了，对于电机本身而言，作为车载驱动电机又有别于传统电机。首先，车载驱动电机作为电力驱动系统中重要的核心，其能量密度较传统电机更高，其调速范围更宽，过载能力，加速、减速频繁性上都较之更高，在电机体积不变的情况下，加大输出功率势必会导致电机损耗（即基本铁损，铜损，附加损耗及机械损耗）增加，而这部分增加的损耗最终会转变为热能，导致电机机体的温度升高，对于电机而言，温度升高会直接导致绝缘老化，工作稳定性下降，安全性能降低，重则会导致电机烧毁，造成极大的安全隐患。

鉴于上述原因，电机本身的冷却系统就显得十分必要，目前通用在新能源纯电动汽车上的电机为直流永磁同步电机，其冷却方式为液冷，具体来讲就是在电机的定子外围的壳体内嵌入冷却液水道，并在壳体上布设入水口和出水口，通过冷却液在壳体内循环带走由定子产生的热量，从而达到电机内部降温的效果。现行的电机液冷系统水道布置有如下三种：周向式，轴向式，螺旋式。