水套散熱分析與比較

馬達原型的水冷殼採用單一流道軸向來回的型式，這種設計的好處是便於製 造，用CNC 加工時可以直接從兩端切出流道，在鑄造時也可直接成型，不用其他 支撐結構。生成之水套模型包含固體區域的馬達殼體與流體區域的冷卻水(圖 4-16)，

有兩個區域的原因是要考量到殼體上不均勻的溫度分佈對對流係數的影響，設定 殼體外面有與定溫25℃環境空氣的熱對流係數 5W/m²-K，而殼體內接觸定子鐵心 的面設為定溫 40℃，這樣的邊界條件組合接近馬達實際運作時的狀況，使殼體呈 現外冷內熱。接著設定流體的邊界條件，入水流量為15L/min、入水溫 25℃，出水 口處設壓力為0，剩餘的面皆設為絕熱壁。

圖4-16 水套網格與邊界條件

水套的流場分析結果如圖4-17，(a)當中冷卻水剛進入水套時溫度較低為 298K，

到出水口時已升至313K，(b)速度場則因該流道為配合與前後蓋的鎖點，在流道的 軸向兩端有頸縮來留下鎖孔結構，使此處有局部流速較高的現象，並在流道另一側 流速較慢的區域有迴流出現，迴流使該區域的流體溫度比其他區域高，從(c)和(d) 中就可以看到迴流附近的接觸面溫度較高，熱流密度也較低，因此判斷這樣的結構 會使散熱能力變差。

圖4-17 (c)中也凸顯入水區域與出水區域有溫差，溫差會造成熱應力、應變產 生，這種軸向式從同個徑向角度進出水的設計就是會使在環繞定子圓截面的不同 角度有最大溫差，而這個方向就是馬達振動的來源，不均勻的應力應變使馬達有較 大的振動量。

(a) 溫度(K) (b) 速度(m/s)

(c) 接觸面溫度(K) (d) 接觸面熱流密度(W/m²) 圖4-17 馬達原型水套流場分佈圖

因為有獲得馬達原型水套不同入水量的壓損實驗數據，因此調整模擬模型的 入水量進行壓損分析，比較模擬與實驗的壓損值，結果如圖4-18，可以發現兩者的 值相當接近，由此驗證模型的準確度是可以接受的。

圖4-18 馬達原型水套壓損與流量關係

接著要改良水冷流道，使散熱能力增強，設計兩種類型各四種不同尺寸的模型 來分析哪種水道會有比較好的散熱能力，分為軸向與環繞兩種類型，軸向就是馬達 原型所使用的型式，將原先有橢圓狀流道改為長方形就是圖4-19 中的軸向 16 道型 水道，並再增加24 道與 32 道兩種類型。環繞式的四種都採用相似結構，只有繞的 圈數有變化。

圖4-19 兩種類型之八種不同流道

八種流道都用與前處理說明相同的邊界條件與其他設定進行模擬，分析結果 原版 49.3 33.09 33.99 0.2083 8247 8495 16道 67.2 31.73 33.83 0.2304 5612 7067 24道 117 31.65 33.43 0.2441 5603 6983 32道 213 34.14 33.68 0.2721 8582 9597 8圈 34.1 33.26 33.26 0.2585 8124 8673 7圈 30.5 33.28 33.7 0.2264 8421 8694 6圈 26.8 33.11 34.07 0.1942 8744 8516 5圈 23.2 32.7 34.37 0.162 9041 8085 水道幾何

軸向

環繞

圖4-20 軸向型流道流線與流速比較

圖4-21 環繞型流道溫度比較

(a) 溫度(K) (b) 速度(m/s)

(c) 接觸面溫度(K) (d) 接觸面熱流密度(W/m²) 圖4-22 環繞七圈水套流場分佈圖