盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)分析和冷卻方式研究

閆羽佳，趙錦成

(軍械工程學(xué)院，石家莊 050003)

0 引 言

盤(pán)式電機(jī)與傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)不同，也被稱(chēng)為軸向磁通電機(jī)。這種電機(jī)體積小、功率密度高，已經(jīng)成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。盤(pán)式無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)沒(méi)有定子鐵心，既減輕了電機(jī)質(zhì)量，又消除了電機(jī)鐵耗，進(jìn)一步提高了電機(jī)的功率密度和效率。但相對(duì)于徑向磁通電機(jī)，盤(pán)式電機(jī)散熱面積小，隨著電機(jī)功率密度的提升，電機(jī)內(nèi)部溫度不斷升高。對(duì)于盤(pán)式無(wú)鐵心永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，為了保證電機(jī)的可靠運(yùn)行，一方面繞組溫升不能超過(guò)對(duì)應(yīng)絕緣等級(jí)下耐熱性能的要求；另一方面永磁體溫升要保證不造成永磁體退磁[1-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于盤(pán)式無(wú)鐵心永磁電機(jī)的研究主要集中在電磁設(shè)計(jì)領(lǐng)域，而對(duì)溫度場(chǎng)的分析還比較少。為了保證電機(jī)運(yùn)行的可靠性，驗(yàn)證電磁設(shè)計(jì)的合理性，溫度場(chǎng)的分析十分必要[4-6]。本文以一款針對(duì)取力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的盤(pán)式定子無(wú)鐵心永磁發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，以ANSYS Workbench仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，建立了電機(jī)三維溫度場(chǎng)仿真模型，分析了熱源分布和傳熱過(guò)程，計(jì)算了電機(jī)在自然散熱條件下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布情況，電機(jī)內(nèi)部最高溫度點(diǎn)在繞組上，達(dá)到164.1 ℃。機(jī)殼散熱系數(shù)下降時(shí)，電機(jī)內(nèi)部溫度進(jìn)一步升高，難以滿足要求。通過(guò)引入機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)，當(dāng)冷卻水溫為40 ℃時(shí)，將繞組溫度最高點(diǎn)限制為104.9 ℃，有效改善了電機(jī)散熱狀況，并且明確了不同冷卻方式選擇的依據(jù)，為進(jìn)一步的研究打下了基礎(chǔ)。

1 電機(jī)仿真計(jì)算模型

1.1 物理模型

本文所討論的電機(jī)為盤(pán)式永磁發(fā)電機(jī)，具有中間無(wú)鐵心定子和雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子盤(pán)采用利茲線繞組澆灌環(huán)氧樹(shù)脂封裝而成，轉(zhuǎn)子磁極由90°Halbach陣列釹鐵硼永磁鐵構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī) 結(jié)構(gòu)示意圖 定子盤(pán)為三相繞組，電機(jī)主要尺寸如表1所示。表1 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)尺寸參數(shù)表

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值極對(duì)數(shù)16永磁體厚度dPM/mm6線圈數(shù)24永磁體內(nèi)徑φPMi/mm160線圈匝數(shù)12永磁體外徑φPMo/mm280電樞盤(pán)厚度da/mm9端蓋厚度de/mm15單側(cè)氣隙長(zhǎng)度δs/mm1機(jī)殼外徑φno/mm160轉(zhuǎn)子背鐵厚度hFe/mm6機(jī)殼內(nèi)徑φni/mm145

1.2 數(shù)學(xué)模型

熱傳導(dǎo)方程[7]：

(1)

式中：λ為物體傳熱系數(shù)；T為物體溫度；Tf為環(huán)境溫度；q為單位體積發(fā)熱率；ρ為物體密度；c為物體比熱容；τ為時(shí)間；n為單位法向量；S1為絕熱邊界面；S2為散熱邊界面。

1.3 基本假設(shè)和邊界條件[8]

為簡(jiǎn)化計(jì)算，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，在不影響精度的前提下，根據(jù)電機(jī)的周期對(duì)稱(chēng)性，取周向1/8長(zhǎng)度進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)行網(wǎng)格剖分后如圖所示2所示。

圖2 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)1/8模型剖分示意圖

基本假設(shè)如下：定轉(zhuǎn)子和機(jī)殼都看作均勻表面；物體導(dǎo)熱系數(shù)恒定不變；繞組當(dāng)作實(shí)體建模，銅耗在繞組中均勻分布。

邊界條件如下：電機(jī)周向斷面為絕熱面，電機(jī)定轉(zhuǎn)子和機(jī)殼表面為對(duì)流換熱面，電機(jī)內(nèi)部各部件交界面為傳導(dǎo)換熱面，機(jī)殼與外界流體為對(duì)流換熱面。

2 電機(jī)傳熱過(guò)程分析

傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種。電機(jī)定子繞組產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到定子盤(pán)后，一部分傳導(dǎo)到機(jī)殼上，再通過(guò)機(jī)殼對(duì)流換熱到外界環(huán)境中；另一部分直接通過(guò)對(duì)流換熱傳遞到機(jī)殼內(nèi)部空氣中，最終也傳遞到外部環(huán)境中。

2.1 熱源分析

電機(jī)的熱源來(lái)源于損耗，所以損耗計(jì)算的精度直接影響了溫度場(chǎng)溫升計(jì)算的精度。定子無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生定子鐵心損耗，能夠產(chǎn)生損耗的部件有定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子鐵心損耗和永磁體損耗。由于磁場(chǎng)諧波畸變小，永磁體的渦流損耗和轉(zhuǎn)子鐵心損耗都很小，所以電機(jī)的損耗主要在定子繞組銅耗上，損耗的具體數(shù)值將通過(guò)仿真計(jì)算后得到。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱系數(shù)

電機(jī)各部分所采用的材料和導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

表2 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)材料和熱參數(shù)表

由于轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，氣隙中空氣隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而流動(dòng)，使定、轉(zhuǎn)子間的傳熱過(guò)程比較復(fù)雜，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，建立對(duì)流連接進(jìn)行等效計(jì)算[9]。本文結(jié)合軟件的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)建立空氣域和加載轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析。由于電機(jī)工作環(huán)境的不確定性，機(jī)殼外表面在自然條件下的對(duì)流散熱系數(shù)在10～20 W/(m2·K)之間，本文取值15 W/(m2·K)進(jìn)行分析。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 電磁場(chǎng)仿真

電機(jī)工作在3 000 r/min的額定轉(zhuǎn)速下，經(jīng)仿真計(jì)算后，電機(jī)氣隙磁密分布如圖3所示，其中圖3(a)為氣隙磁密三維向量分布圖，圖3(b)為氣隙截面磁密的二維分布圖。

(a)三維分布圖

(b)二維分布圖圖3 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)氣隙磁密示意圖

額定功率10 kW時(shí)，各部分損耗如表3所示。

表3 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)損耗表

可以看出，損耗主要集中在繞組上，與前文分析一致。

3.2 溫度場(chǎng)仿真

將仿真得到的損耗值作為熱源引入溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得到機(jī)殼散熱系數(shù)為15 W/(m2·K)時(shí)溫度場(chǎng)分布情況，如圖4所示。

圖4 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)溫度場(chǎng)示意圖

可以看出，溫度最高的位置為定子盤(pán)，由于樹(shù)脂材料有多種牌號(hào)，耐熱性能選擇范圍較寬，所以主要需要考慮繞組和永磁體的溫升情況，如圖5所示。

(a) 繞組

(b) 永磁體圖5 盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)溫度示意圖繞組和永磁體

繞組最高溫度達(dá)到164.1 ℃，能夠滿足H級(jí)絕緣180 ℃的溫升限制。永磁體最高溫度達(dá)到138.96 ℃，低于繞組最高溫度，由于選用的永磁體牌號(hào)為45UH,最高工作溫度也達(dá)到180 ℃，同樣能夠滿足要求?？梢钥闯?，只要繞組滿足溫升限制，電機(jī)就能夠穩(wěn)定運(yùn)行。隨著機(jī)殼表面散熱系數(shù)的變化，繞組最高溫度變化如圖6所示。

圖6 繞組最高溫度與機(jī)殼散熱系數(shù)關(guān)系圖

由圖6可以看出，當(dāng)機(jī)殼表面散熱系數(shù)下降到12 W/(m2·K)時(shí)，繞組的最高溫度點(diǎn)溫度已經(jīng)超過(guò)了所允許的180 ℃。也就是說(shuō)，在電機(jī)散熱條件較差時(shí)，僅僅通過(guò)在空氣中的自然對(duì)流散熱已經(jīng)不能滿足電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為滿足復(fù)雜環(huán)境條件下的需求，增強(qiáng)電機(jī)的散熱能力，引入水冷系統(tǒng)。對(duì)于盤(pán)式電機(jī)而言，能夠采用埋設(shè)水冷管道的部位主要有端蓋，機(jī)殼和軸承，其中軸承水冷工藝復(fù)雜，使用較少[10]。由于本文盤(pán)式電機(jī)熱源集中在中間定子上，機(jī)殼水冷能夠縮短傳熱過(guò)程，所以本文采用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、散熱高效的螺旋水道機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)。水道截面為矩形，長(zhǎng)20 mm，寬5 mm，水道結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 水冷水道結(jié)構(gòu)示意圖

由于機(jī)殼導(dǎo)熱系數(shù)較高，溫差較小，可以將機(jī)殼和電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分成兩部分進(jìn)行計(jì)算。先在水冷機(jī)殼內(nèi)加載等效熱源算得溫度場(chǎng)，再將機(jī)殼內(nèi)壁平均溫度代入電機(jī)溫度場(chǎng)中進(jìn)行計(jì)算。冷卻水溫40 ℃，水流速1 m/s，加載水冷后，得到機(jī)殼溫度如圖8所示。

圖8 機(jī)殼溫度場(chǎng)示意圖

機(jī)殼內(nèi)壁平均溫度為41.65 ℃，帶入溫度場(chǎng)進(jìn)行分析得到電機(jī)溫度場(chǎng)如圖9所示。

圖9 盤(pán)式無(wú)鐵心水冷電機(jī)溫度場(chǎng)示意圖

繞組溫度最高點(diǎn)為104.9 ℃，相比機(jī)殼散熱系數(shù)為15 W/(m2·K)時(shí)的自然冷卻方式，溫度降低了59.2 ℃，下降了36.08%，散熱情況改善顯著。但是，機(jī)殼水冷沒(méi)有改變電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，定子繞組相對(duì)其他部件依然溫升跨度較大，這一現(xiàn)象只能通過(guò)進(jìn)一步改善電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者采用散熱能力更好的材料來(lái)改善。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)盤(pán)式定子無(wú)鐵心永磁電機(jī)，基于ANSYS Workbench仿真計(jì)算了電機(jī)的三維溫度場(chǎng)，分析了電機(jī)自然冷卻條件下各部件的溫度分布特性。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)熱源主要集中在定子繞組上，定子繞組的溫升大小是電機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。通過(guò)引入機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)，有效降低了電機(jī)的整體溫升，提高了電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力。

雖然盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)的溫度場(chǎng)仿真分布基本滿足了預(yù)期要求，但是還有進(jìn)一步優(yōu)化的可能性和必要性。電機(jī)定子繞組散熱較差，相對(duì)其他部件溫度較高的特性較為明顯，將電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化后進(jìn)行樣機(jī)的制作和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是下一步研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容。