水冷结构的产生
Y2 Y3等传统的工业电机都以风冷或者自然冷却为主。但随着人们对电机更小更轻的要求，催生电机往高功率密度方向发展。特别是新能源汽车领域，对功率密度要求呈现直线式上升。这就意味着自然冷却和风冷无法满足要求。必须上水冷或者其它更高散热效率的系统。
水冷系统一般由水冷机壳、水泵、散热器、管道等部件组成。其工作原理是，在水泵的推动下，水流通过电机外壳，在吸收了电机的热量后，再回到散热器将热量散发到大气中。相当于将原来由电机表面散发的的热量，带到专用散热器上耗散掉。这样带来两个好处，第一个散热效率更高，散热器+水 的散热效率远高于电机本身散热筋的效率。第二个好处，就是电机可以做的很小，满足紧凑安装的需求，而散热器可安装在远离电机通风良好的地方。正因为如此在新能源汽车等一些应用中，水冷电机成立基本配置。这里我们仅研究电机的水冷部分，都有哪些水冷结构呢。
各种各样的水冷结构
市面上水冷结构种类很多。而发明专利却掌握在少数几家公司手中。我们常见的螺旋水道式结构，专利是由卡特比勒公司申请的。这种结构，机壳加工出了螺旋式的水道结构，水流绕电机若干圈后流出，带走热量。
通用公司也申请了类似的冷却方案，其创新点一在于采用非切削加工的方式实现了螺旋水道。其水冷机壳由内置的不锈钢螺旋管，和铸铝或铸铁外壳组合构成，通用认为这是一种经济型的加工方式。其创新点二为沿螺旋水道的轴向方向设置了若干导条，起到了加强刚度，提高管道径向定心、轴向定距能力，最终得到了保护管道的效果。
除此之外，通用还发明了鼠笼式水道，轴向式水道（如下图所示）。那么各种各样的水道结构，我们该如何去理解他们，如何在设计中选择最适合的结构呢？
如何理解它们
如何评价一个水冷机壳的设计好坏，首要的指标就是换热效率的问题。水冷电机电机的散热效率涉及到热传导和热对流两种原理。电机内部发出的热量，首先通过热传导到达定子轭部，然后从轭部到达机壳内层。这一部分归属于热传导；而从流道璧到流体的散热归属为对流。水冷机壳的好坏关键在于对流传热效率的高低。从下图的公式中可以看出，对流传热效率和对流热阻成反比。热阻小，温差大，传递的热量L越大。而对流热阻的大小又由两个因素构成，一个是接触面积A，另外一个是对流传热系数h。接触面积为流道中流体和流道壁的接触面积。而对流传热系数和流体种类、流量、流道的结构有关。其中流体种类和流量的选择是相对单纯的问题。我们需要着重关注的是接触面积和流道结构的问题。我试着从简单的两个角度去解答。
问题一：流道数目怎么选择？是越多越好吗？
什么样的流道结构是好的结构？为什么有的流道由多个回路构成？而有的则相对简单。我们通过三个例子来阐述。第一个例子是整体式水道，即整个机壳只有一个流路空间。这种结构虽然制造简单，但会导致冷却不均匀。 在作流体分析后，发现这种结构的水流分布不均匀，在重力的作用下，机壳上方存在一些静流区，流速很低。这些地方的冷却效率很低。
第二个例子还是整体式水道，但出水口和入水口得以优化，由简单的出入口优化为喇叭渐变过渡的出入口。这会使得出口附近的水流更均匀，对整体流道的均匀性也有改善。如果将出入口设置在中间位置效果会更佳。
第三个例子是流道数目的设置，在下图左一为整体式水道，令其流速为1X，二右一设置了一道隔离墙，流速即为2倍。这是因为Q=V·S，在流量不变的情况下，流道面积变为原来的一半，则流速增加1倍。左二图中设置了若干道隔离，形成了多个回路。相应的流速也会增加为原来的n倍（只是大致的描述）。如果在流道中任选一个点，从这个点的角度，流速的增加为2X，会导致单位时间内流过它表面的流量增加2X，这使得换热效率也会提高2X。现在我们会理解为什么许多电机的流道都是设置成多个回路的。
但是不是流道回路数目越多越好，也不是。从下面这个轴向管道的例子中我们会发现，确实散热冷却效果和流道数目成相关。但是流道数目越多，流阻会呈现几何上升趋势。
流阻就是水流流过时受到的阻力，流阻大，液体流过前后的压差也越大（和电路中电阻的概念一样，电阻大，电阻上的压降就大）。而在维持流量相同的情况下，压差大管道的功率损耗也大，这部分损耗也会影响系统效率的，因此流道数目的选择，不是越多越好，而是要和能耗平衡的。
问题二：流道构型该怎么选择？
这么多种流道结构的该怎么选择，其实这个问题可以定量化。分析的角度也是从换热能力和流路损耗两个角度。YE Zhen-na、 Yanhua Shen两位学者作了专门的定量分析。对比了圆周式、螺旋式、半螺旋式、和轴向往复式四种流道构型。初步分析的发现换热效率最好的是轴向式，最差的螺旋式。
在作进一步的分析中，发现了更复杂的情况。在低发热功率时圆周式的水道换热能力最佳，在高发热功率时轴向式的水道最佳。Yanhua Shen团队还作了样机作了对比测试验证，得到了相当丰富的数据。
但从流路损耗的角度分析，发现轴向水道的流阻最大，螺旋式的水道流阻最小，但换热效率最差。其他的结构都介于两者之间。因此作者从平衡的观点出发，给出的建议是选择圆周式的水道结构。这也是为什么大多数电机厂家中意这种水道结构的原因。
从产品学习水冷设计
现在我们把视野从理论拉回产品，看看主流驱动电机厂家对水冷流道的选择。Nissa在它的leaf2011版本的电机上，选择的是圆周型水道，水道数目是3。
Tesla Model S的铸铜转子电机选择的也是圆周型水道结构，水道数是15。
以热管理见长的NREL实验室，在最新的DOE研究项目中（该项目还在进行），选择的同样是圆周型水道，它的水道数也是3.
国内的广汽SUV GE3电机采用的也是水冷技术，同样选择的是圆周型水道构型，水道数目为5。
GM电机在他的明星产品Chevrolet Volt的电机上采用了端部喷油和水冷机壳两种冷却技术。水冷结构采用的也是圆周水道，水道数目是6。
我们稍微关注一下这种综合手段的应用，通过试验发现机壳冷却的带热量是高于单喷油冷却的，详细的数据如下图。GM团队给出的意见是：绕组喷油冷却技术更多是针对绕组端部的局部冷却技术，最好是和其它全局冷却技术相配合。
现在我们能够大致的得出一个结论， 圆周型水道是比较流行和平衡的选择。流道数目一般在3-6之间，也不宜选多。
但也有人在作更激进的尝试，试着把圆周型水道和轴向水道的优点结合起来，做一些复合水道构型。 比如Tesla设计的迷宫型水道结构，即有圆周型元素又有轴向型元素。
NREL 最新的模块化冷却技术，采用的是轴向模块化管道，可见创新一直在进行。
总结·定量分析助力设计平衡
本期我们从理论和产品两个成面去阐述了水冷机壳结构设计，虽然当下油冷风头正劲，但水冷结构不会被淘汰，可能会作为一种基础性冷却系统保留下来，以和其它冷却技术相结合的面目出现在产品上。因此水冷的设计还会一直向前发展。我们在设计和选择时，需要从正反两个方向的定量分析，正面是散热能力，反面是损耗还有制造成本。我们定量分析的能力越强，取舍就会更理性和合理。
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