水冷結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生

 Y2 Y3等傳統(tǒng)的工業(yè)電機都以風冷或者自然冷卻為主。但隨著人們對電機更小更輕的要求，催生電機往高功率密度方向發(fā)展。特別是新能源汽車領(lǐng)域，對功率密度要求呈現(xiàn)直線式上升。這就意味著自然冷卻和風冷無法滿足要求。必須上水冷或者其它更高散熱效率的系統(tǒng)。

水冷系統(tǒng)一般由水冷機殼、水泵、散熱器、管道等部件組成。其工作原理是，在水泵的推動下，水流通過電機外殼，在吸收了電機的熱量后，再回到散熱器將熱量散發(fā)到大氣中。相當于將原來由電機表面散發(fā)的的熱量，帶到專用散熱器上耗散掉。這樣帶來兩個好處，第一個散熱效率更高，散熱器+水 的散熱效率遠高于電機本身散熱筋的效率。第二個好處，就是電機可以做的很小，滿足緊湊安裝的需求，而散熱器可安裝在遠離電機通風良好的地方。正因為如此在新能源汽車等一些應用中，水冷電機成立基本配置。這里我們僅研究電機的水冷部分，都有哪些水冷結(jié)構(gòu)呢。

各種各樣的水冷結(jié)構(gòu)

市面上水冷結(jié)構(gòu)種類很多。而發(fā)明專利卻掌握在少數(shù)幾家公司手中。我們常見的螺旋水道式結(jié)構(gòu)，專利是由卡特比勒公司申請的。這種結(jié)構(gòu)，機殼加工出了螺旋式的水道結(jié)構(gòu)，水流繞電機若干圈后流出，帶走熱量。

通用公司也申請了類似的冷卻方案，其創(chuàng)新點一在于采用非切削加工的方式實現(xiàn)了螺旋水道。其水冷機殼由內(nèi)置的不銹鋼螺旋管，和鑄鋁或鑄鐵外殼組合構(gòu)成，通用認為這是一種經(jīng)濟型的加工方式。其創(chuàng)新點二為沿螺旋水道的軸向方向設置了若干導條，起到了加強剛度，提高管道徑向定心、軸向定距能力，最終得到了保護管道的效果。

除此之外，通用還發(fā)明了鼠籠式水道，軸向式水道（如下圖所示）。那么各種各樣的水道結(jié)構(gòu)，我們該如何去理解他們，如何在設計中選擇最適合的結(jié)構(gòu)呢？

如何理解它們 

如何評價一個水冷機殼的設計好壞，首要的指標就是換熱效率的問題。水冷電機電機的散熱效率涉及到熱傳導和熱對流兩種原理。電機內(nèi)部發(fā)出的熱量，首先通過熱傳導到達定子軛部，然后從軛部到達機殼內(nèi)層。這一部分歸屬于熱傳導；而從流道璧到流體的散熱歸屬為對流。水冷機殼的好壞關(guān)鍵在于對流傳熱效率的高低。從下圖的公式中可以看出，對流傳熱效率和對流熱阻成反比。熱阻小，溫差大，傳遞的熱量L越大。而對流熱阻的大小又由兩個因素構(gòu)成，一個是接觸面積A，另外一個是對流傳熱系數(shù)h。接觸面積為流道中流體和流道壁的接觸面積。而對流傳熱系數(shù)和流體種類、流量、流道的結(jié)構(gòu)有關(guān)。其中流體種類和流量的選擇是相對單純的問題。我們需要著重關(guān)注的是接觸面積和流道結(jié)構(gòu)的問題。我試著從簡單的兩個角度去解答。

問題一：流道數(shù)目怎么選擇？是越多越好嗎？

 什么樣的流道結(jié)構(gòu)是好的結(jié)構(gòu)？為什么有的流道由多個回路構(gòu)成？而有的則相對簡單。我們通過三個例子來闡述。第一個例子是整體式水道，即整個機殼只有一個流路空間。這種結(jié)構(gòu)雖然制造簡單，但會導致冷卻不均勻。 在作流體分析后，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的水流分布不均勻，在重力的作用下，機殼上方存在一些靜流區(qū)，流速很低。這些地方的冷卻效率很低。

第二個例子還是整體式水道，但出水口和入水口得以優(yōu)化，由簡單的出入口優(yōu)化為喇叭漸變過渡的出入口。這會使得出口附近的水流更均勻，對整體流道的均勻性也有改善。如果將出入口設置在中間位置效果會更佳。

第三個例子是流道數(shù)目的設置，在下圖左一為整體式水道，令其流速為1X，二右一設置了一道隔離墻，流速即為2倍。這是因為Q=V·S，在流量不變的情況下，流道面積變?yōu)樵瓉淼囊话?，則流速增加1倍。左二圖中設置了若干道隔離，形成了多個回路。相應的流速也會增加為原來的n倍（只是大致的描述）。如果在流道中任選一個點，從這個點的角度，流速的增加為2X，會導致單位時間內(nèi)流過它表面的流量增加2X，這使得換熱效率也會提高2X?，F(xiàn)在我們會理解為什么許多電機的流道都是設置成多個回路的。

但是不是流道回路數(shù)目越多越好，也不是。從下面這個軸向管道的例子中我們會發(fā)現(xiàn)，確實散熱冷卻效果和流道數(shù)目成相關(guān)。但是流道數(shù)目越多，流阻會呈現(xiàn)幾何上升趨勢。

流阻就是水流流過時受到的阻力，流阻大，液體流過前后的壓差也越大（和電路中電阻的概念一樣，電阻大，電阻上的壓降就大）。而在維持流量相同的情況下，壓差大管道的功率損耗也大，這部分損耗也會影響系統(tǒng)效率的，因此流道數(shù)目的選擇，不是越多越好，而是要和能耗平衡的。

問題二：流道構(gòu)型該怎么選擇？

這么多種流道結(jié)構(gòu)的該怎么選擇，其實這個問題可以定量化。分析的角度也是從換熱能力和流路損耗兩個角度。YE Zhen-na、 Yanhua Shen兩位學者作了專門的定量分析。對比了圓周式、螺旋式、半螺旋式、和軸向往復式四種流道構(gòu)型。初步分析的發(fā)現(xiàn)換熱效率最好的是軸向式，最差的螺旋式。

在作進一步的分析中，發(fā)現(xiàn)了更復雜的情況。在低發(fā)熱功率時圓周式的水道換熱能力最佳，在高發(fā)熱功率時軸向式的水道最佳。Yanhua Shen團隊還作了樣機作了對比測試驗證，得到了相當豐富的數(shù)據(jù)。

但從流路損耗的角度分析，發(fā)現(xiàn)軸向水道的流阻最大，螺旋式的水道流阻最小，但換熱效率最差。其他的結(jié)構(gòu)都介于兩者之間。因此作者從平衡的觀點出發(fā)，給出的建議是選擇圓周式的水道結(jié)構(gòu)。這也是為什么大多數(shù)電機廠家中意這種水道結(jié)構(gòu)的原因。

從產(chǎn)品學習水冷設計

現(xiàn)在我們把視野從理論拉回產(chǎn)品，看看主流驅(qū)動電機廠家對水冷流道的選擇。Nissa在它的leaf2011版本的電機上，選擇的是圓周型水道，水道數(shù)目是3。

Tesla Model S的鑄銅轉(zhuǎn)子電機選擇的也是圓周型水道結(jié)構(gòu)，水道數(shù)是15。

以熱管理見長的NREL實驗室，在最新的DOE研究項目中（該項目還在進行），選擇的同樣是圓周型水道，它的水道數(shù)也是3.

國內(nèi)的廣汽SUV GE3電機采用的也是水冷技術(shù)，同樣選擇的是圓周型水道構(gòu)型，水道數(shù)目為5。

GM電機在他的明星產(chǎn)品Chevrolet Volt的電機上采用了端部噴油和水冷機殼兩種冷卻技術(shù)。水冷結(jié)構(gòu)采用的也是圓周水道，水道數(shù)目是6。

我們稍微關(guān)注一下這種綜合手段的應用，通過試驗發(fā)現(xiàn)機殼冷卻的帶熱量是高于單噴油冷卻的，詳細的數(shù)據(jù)如下圖。GM團隊給出的意見是：繞組噴油冷卻技術(shù)更多是針對繞組端部的局部冷卻技術(shù)，最好是和其它全局冷卻技術(shù)相配合。

現(xiàn)在我們能夠大致的得出一個結(jié)論， 圓周型水道是比較流行和平衡的選擇。流道數(shù)目一般在3-6之間，也不宜選多。

但也有人在作更激進的嘗試，試著把圓周型水道和軸向水道的優(yōu)點結(jié)合起來，做一些復合水道構(gòu)型。 比如Tesla設計的迷宮型水道結(jié)構(gòu)，即有圓周型元素又有軸向型元素。

NREL 最新的模塊化冷卻技術(shù)，采用的是軸向模塊化管道，可見創(chuàng)新一直在進行。

總結(jié)·定量分析助力設計平衡

本期我們從理論和產(chǎn)品兩個成面去闡述了水冷機殼結(jié)構(gòu)設計，雖然當下油冷風頭正勁，但水冷結(jié)構(gòu)不會被淘汰，可能會作為一種基礎(chǔ)性冷卻系統(tǒng)保留下來，以和其它冷卻技術(shù)相結(jié)合的面目出現(xiàn)在產(chǎn)品上。因此水冷的設計還會一直向前發(fā)展。我們在設計和選擇時，需要從正反兩個方向的定量分析，正面是散熱能力，反面是損耗還有制造成本。我們定量分析的能力越強，取舍就會更理性和合理。

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