油冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1給出所設(shè)計(jì)電機(jī)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(shè)計(jì)的冷卻結(jié)構(gòu)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(jī)三維模型及冷卻結(jié)構(gòu)流體域

本研究中所設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)包含定子背部油路以及端部淋油結(jié)構(gòu)兩部分，由于兩部分冷卻結(jié)構(gòu)為串聯(lián)式設(shè)計(jì)，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(duì)定子背部油路進(jìn)行詳細(xì)的流場(chǎng)仿真分析。

表1 定子背部油路流場(chǎng)仿真流量結(jié)果

雖然匝數(shù)對(duì)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(huì)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(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)計(jì)算模型如圖12所示，仿真過(guò)程中值考慮定子鐵耗，通過(guò)CFD方法計(jì)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(jì)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(dāng)定子背部厚度同為2mm時(shí)，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(lái)將著重分析冷卻結(jié)構(gòu)的端部淋油特性。

針對(duì)不同噴油孔直徑和數(shù)量下的流場(chǎng)特性及噴油效果進(jìn)行了研究，選擇噴油孔數(shù)量為9個(gè)或11個(gè)，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(shè)計(jì)方案如表2所示，首先針對(duì)8種方案進(jìn)行噴油環(huán)壓力分析，結(jié)果如圖5所示。

圖4 兩種噴油嘴布置模式

表2 噴油孔設(shè)計(jì)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(shí)，在孔徑相同的情況下，布置9個(gè)孔時(shí)噴油環(huán)的壓力略高于布置11個(gè)孔時(shí)。這說(shuō)明了9個(gè)孔的平均噴淋流速要大于11個(gè)孔。此外，為了量化噴油孔直徑和數(shù)量?jī)蓚€(gè)因素對(duì)噴油效果的影響，表3給出了具體的流量分布結(jié)果。

表3 流量仿真具體結(jié)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(shì)，最小流量呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，因此兩者之間的差值也逐漸增大。同時(shí)，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(duì)冷卻結(jié)構(gòu)噴油效果的影響，設(shè)計(jì)了可更換噴油孔的電機(jī)殼體，如圖6所示。該電機(jī)殼體采用3D打印方法構(gòu)建，可進(jìn)行不同孔數(shù)量及排布方式下的油路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 耐高溫樹(shù)脂材料電機(jī)殼體及流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先針對(duì)8個(gè)方案依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，觀(guān)測(cè)噴油效果并對(duì)噴油孔的流量進(jìn)行測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到的各方案下的噴油性能表現(xiàn)如圖7所示?？梢钥闯?，從方案A到方案D，噴油效果明顯減弱，這與仿真結(jié)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(wú)法被量杯收集，因此最小流量記錄為零，這將導(dǎo)致誤差增加。

圖7 實(shí)驗(yàn)得到的噴油效果

另外，圖8給出了仿真和實(shí)驗(yàn)得到的最大流量差對(duì)比，并在圖8中標(biāo)注了仿真結(jié)果相較于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差?？梢钥闯觯抡婧蛯?shí)驗(yàn)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(shì)。方案A和B的誤差小于5%。

圖8 仿真和實(shí)驗(yàn)得到的最大流量差