永磁同步電機因具有功率密度高、效率高、結構緊湊等優點，成為新能源汽車驅動電機的首選。隨著電機容量的不斷增加及其小型化和輕量化的發展，再加上新能源汽車用永磁同步電機的密閉式結構，導致電機運行時散熱環境惡劣，電機溫升過高，成為制約新能源汽車用永磁同步電機向高功率密度、高效率發展的重要因素。

新能源汽車用永磁同步電機大都采用水冷方式對電機進行冷卻，冷卻水道布置在機殼內部，通過機殼內部水道中的循環冷卻介質帶走熱量，從而控制電機溫升。目前，新能源汽車用永磁同步電機冷卻水道的結構主要有折返型和軸向螺旋型兩種。

軸向螺旋型水道的水路平順，水道壓降小，但由于冷卻介質從電機一端流入另一端流出，電機兩端的溫度梯度較大，不利于對電機整體的溫升控制。

折返型水道的水路呈迷宮狀，不會在電機兩端產生溫度梯度，同時入水口與出水口可布置在電機同一端，方便水冷系統的布置，因而被廣泛應用。

國內外學者對折返型水道進行了許多研究。佟文明等列舉了螺旋型、折返型水道的優缺點，對一臺低速永磁水冷電機建立了三維流體場和三維溫度場模型，通過有限元法準確計算出了定子的溫升。田玉冬等針對高功率密度電動車用驅動電機研究了一種折返型水路結構，依據流體動力學原理，采用有限體積法進行計算，證明其傳熱性能良好。

錢洪比較分析了折返型、螺旋型不同水道布置形式的結構特點及其對電機散熱的影響。郝嘉欣等以水冷永磁同步電機為研究對象，細化分析了水道中的直肋的結構參數，對不同方案的電機定子進行熱仿真計算后得到最為優化的肋片結構參數。王淑旺等建立了電機三維瞬態熱分析模型，研究了對流換熱系數以及壓降與水道結構截面尺寸參數間的關系，給出了一種折返型水道截面尺寸的選擇方法。

現有研究多采用基于積分形式守恒方程的有限體積法對電機的溫度場、流場進行仿真，從而研究電機的溫升，但并未對永磁同步電機常用的折返型水道的結構參數進行細化研究，對折返型水道結構參數對流體流動特性、水道壓降以及電機溫升變化的影響的研究也還不夠深入。

本文對一臺額定功率68kW的永磁同步電機的折返型水道結構參數進行設計。建立電機流-固耦合有限元模型，對電機溫度場、水道流場進行仿真分析，并通過電機臺架實驗驗證了仿真模型的正確性。進而通過仿真模型分析了水道內冷卻水的流動特性，綜合考慮分析入水口水道寬度與水道圓角半徑對水道壓降的影響，據此得到水道結構幾何參數，實現了電機低溫升的設計目標，最后進行電機溫升與水道壓降實驗驗證。

圖1 永磁同步電機三維模型

圖2 電機定轉子結構

圖3 水道結構二維展開圖

圖9 電機溫升、壓降實驗測試平臺

結論

通過建立流-固耦合的溫度場、流場仿真模型對折返型水道進行了參數設計，并通過電機臺架實驗驗證了仿真結果。

結果表明，水道寬度為45mm，水道圓角半徑為20mm時，額定功率68kW的新能源汽車用永磁同步電機水道壓降減少了13.1%，電機繞組溫升降低了8.4℃。

并得出折返型水道有以下規律：

• 當入水口水道寬度一定時，隨著水道圓角半徑的增大，水道壓降呈先下降再上升的趨勢；
• 每一特定入水口水道寬度，都有一個與之對應的水道圓角半徑尺寸可以使水道壓降最小，且使電機溫升降低；
• 基于流型調控合理選取入水口水道寬度和水道圓角半徑，先確定入水口水道寬度，再綜合考慮水道的換熱性能和壓降，獲得最佳的水道圓角半徑的設計方法，為水冷電機流道設計提供參考。