某款電機油冷結構設計分析

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油冷結構設計圖1給出所設計電機的三維模型及冷卻通道流體域模型。從圖中可以看出本研究中所設計的冷卻結構主要包括兩部分，一部分是定子背部環(huán)形冷卻通道，用于冷卻定子鐵心。另一部分繞組端部淋油冷卻。

圖1? 電機三維模型及冷卻結構流體域

本研究中所設計冷卻結構包含定子背部油路以及端部淋油結構兩部分，由于兩部分冷卻結構為串聯(lián)式設計，兩部分流量總和即為入口流量，所以確定其中一部分流量即確定了整體的流量分配情況。首先針對定子背部油路進行詳細的流場仿真分析。

表1 定子背部油路流場仿真流量結果

雖然匝數(shù)對于定子背部油路流量影響很小，但不同匝數(shù)下定子背部油路的散熱效果會受到流速、流阻、等流體參數(shù)影響，因此建立了只包含定子鐵心與冷卻結構的溫度場計算模型如圖12所示，仿真過程中值考慮定子鐵耗，通過CFD方法計算得出不同油路匝數(shù)下定子溫度并研究不同油路匝數(shù)下的散熱效果，溫度分布如圖3所示。

圖2? 定子溫度計算模型?

圖3? 不同定子背部油路匝數(shù)下定子溫度分布

可以看出，當定子背部厚度同為2mm時，隨著油路匝數(shù)的增多定子溫度逐漸降低，因此最終確定定子背部油路厚度為2mm，匝數(shù)為8匝。接下來將著重分析冷卻結構的端部淋油特性。

針對不同噴油孔直徑和數(shù)量下的流場特性及噴油效果進行了研究，選擇噴油孔數(shù)量為9個或11個，如圖4所示。此外，選取噴油孔直徑為1.5mm，2mm，2.5mm，3mm四種尺寸。所以共得出8種噴油孔設計方案如表2所示，首先針對8種方案進行噴油環(huán)壓力分析，結果如圖5所示。

圖4 兩種噴油嘴布置模式

表2 噴油孔設計方案

圖5?噴油環(huán)壓力分布圖

從圖5可以看出，噴油孔的孔徑越小，壓力越大，噴油環(huán)及噴油孔的壓力分布越均勻。與此同時，在孔徑相同的情況下，布置9個孔時噴油環(huán)的壓力略高于布置11個孔時。這說明了9個孔的平均噴淋流速要大于11個孔。此外，為了量化噴油孔直徑和數(shù)量兩個因素對噴油效果的影響，表3給出了具體的流量分布結果。

表3 流量仿真具體結果

由表3可以看出，從方案A1到方案D2，噴油孔中的最大流量呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，最小流量呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，因此兩者之間的差值也逐漸增大。同時，噴油孔的平均噴射速度逐漸降低。

為了研究孔徑和孔數(shù)對冷卻結構噴油效果的影響，設計了可更換噴油孔的電機殼體，如圖6所示。該電機殼體采用3D打印方法構建，可進行不同孔數(shù)量及排布方式下的油路實驗驗證。

圖6 耐高溫樹脂材料電機殼體及流量測量實驗平臺

首先針對8個方案依次進行實驗分析，觀測噴油效果并對噴油孔的流量進行測量，在實驗中觀測到的各方案下的噴油性能表現(xiàn)如圖7所示。可以看出，從方案A到方案D，噴油效果明顯減弱，這與仿真結果是一致的。此外，由于在方案C和方案D中，從孔中緩慢溢出的油無法被量杯收集，因此最小流量記錄為零，這將導致誤差增加。

圖7 實驗得到的噴油效果

另外，圖8給出了仿真和實驗得到的最大流量差對比，并在圖17中標注了仿真結果相較于實驗結果的誤差。可以看出，仿真和實驗得到的最大流量差變化情況是一致的，均隨著孔徑的增大而呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。方案A和B的誤差小于5%。

圖8 仿真和實驗得到的最大流量差