基于自然冷卻與強(qiáng)制風(fēng)冷的永磁同步電機(jī)散熱仿真試驗(yàn)

楊帆 王志威 帥茂

摘要：損耗引起的溫升是確定電機(jī)定額的主要因素。利用模擬軟件Fluent與流固耦合傳熱機(jī)理，在一臺(tái)1.9kW永磁同步電機(jī)上研究了自然冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷兩種冷卻方式對(duì)電機(jī)溫度分布特征的影響，并制作樣機(jī)進(jìn)一步試驗(yàn)。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

Abstract： The temperature rise caused by the loss is the main factor in determining the motor rating. Using the simulation software Fluent and the fluid-structure coupling heat transfer mechanism， the influence of natural cooling and forced air cooling on the temperature distribution characteristics of the motor was studied on a 1.9kW permanent magnet synchronous motor， and a prototype was made for further testing. The simulation result is similar to the test result， which verifies the accuracy of the simulation.

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);自然冷卻;強(qiáng)制風(fēng)冷;仿真

Key words： permanent magnet synchronous motor;natural cooling;forced air cooling;simulation

中圖分類號(hào)：TM351? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0086-03

0? 引言

電機(jī)的定額通常從機(jī)械和熱兩方面的考慮來確定[1]。例如，繞組最大電流一般由絕緣材料不被損壞，或者其壽命不被過度縮短的前提下所能承受的最高溫度來決定，即損耗引起的電機(jī)發(fā)熱溫升最終決定在不過度損壞電機(jī)絕緣的前提下，所能得到的最大功率輸出[2]。此外，由于絕緣材料的退化同時(shí)受時(shí)間和溫度這兩個(gè)因素的影響，電機(jī)溫升過高會(huì)加速電機(jī)絕緣材料老化，縮短使用壽命，同時(shí)溫升過高會(huì)使繞組電阻增大，使電機(jī)效率下降，而電機(jī)效率下降將進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱量增加，從而再次推高溫度上升。因此，電機(jī)的定額、效率和壽命均與其工作溫度密切相關(guān)。

定子繞組和定子鐵芯是伺服電機(jī)的主要發(fā)熱部件，定子鐵芯安裝在機(jī)殼內(nèi)壁，通過與機(jī)殼的接觸將熱量導(dǎo)出到機(jī)殼，機(jī)殼與空氣接觸進(jìn)行自然冷卻散熱。為了提高電機(jī)材料的利用率，高功率密度電機(jī)均采用較高的電磁負(fù)荷，從而使電機(jī)運(yùn)行時(shí)單位體積的損耗明顯增加，使電機(jī)各部件的溫度升高[3]。隨著電機(jī)功率密度的增大，電機(jī)的散熱問題成為制約電機(jī)發(fā)揮性能的重要因素。本文以1臺(tái)1.9kW交流永磁同步電機(jī)為例，通過有限元方法模擬不同冷卻方式下電機(jī)整機(jī)溫度分布，并在對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行電機(jī)溫升試驗(yàn)。

1? 有限元模型建立

圖1為1.9kW永磁同步電機(jī)在自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷這兩種冷卻方式下的物理模型圖，為了方便進(jìn)行有限元分析以及提高計(jì)算效率，需要對(duì)主軸系統(tǒng)的三維模型進(jìn)行簡化假設(shè)和相應(yīng)前處理。將電機(jī)前后端蓋上的軸承簡化為相同直徑大小的圓環(huán)套筒。忽略倒角、圓角、通孔、螺紋孔和接線柱等比較難捕捉的特征結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)軸和端蓋間微小間隙，影響全局網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量，設(shè)置成貼合。編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量和比熱容不大，且為空心結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)離繞組發(fā)熱源，對(duì)全局溫升影響較小，因此對(duì)其模型進(jìn)行省略簡化。鐵芯由硅鋼片疊壓制成，硅鋼片之間有絕緣層和微小氣隙，將其設(shè)置為一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)各向異性的整體。將每個(gè)定子槽中的繞組線束等效為槽絕緣包裹的整體，后續(xù)通過設(shè)置虛擬厚度的方式模擬槽絕緣。忽略輻射的散熱效果，忽略轉(zhuǎn)子和軸承的損耗。采用對(duì)稱的形式，將整個(gè)模型沿電機(jī)軸線和重力方向組成的平面剖開，對(duì)電機(jī)半模型進(jìn)行仿真求解。

將簡化后的電機(jī)模型導(dǎo)入到有限元軟件中，對(duì)其劃分網(wǎng)格，并在流固接觸面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，以捕捉空氣動(dòng)力粘度變化特征。根據(jù)電機(jī)內(nèi)部熱交換及傳熱學(xué)相關(guān)理論，確定系統(tǒng)內(nèi)各熱邊界條件，熱源部分按鐵耗、銅耗分別賦予鐵芯、繞組體積源項(xiàng)。由于自然冷卻是依靠空氣流體自身溫度場(chǎng)不均勻引起流動(dòng)，需充分考慮流固界面熱交換情況，因此選擇采用k-ω模型進(jìn)行求解，以期獲得更高仿真精度。相關(guān)模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2? 仿真結(jié)果分析

基于前文建立的有限元模型對(duì)自然冷卻電機(jī)及強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)進(jìn)行有限元仿真。圖2（a）為自然冷卻電機(jī)整體溫度分布圖，電機(jī)機(jī)殼呈現(xiàn)前后兩端低，中間高的溫度分布，這是由于定子及安裝在定子內(nèi)的繞組為發(fā)熱源，熱量通過定子與機(jī)殼內(nèi)壁的接觸傳遞到機(jī)殼，因此機(jī)殼與定子接觸的區(qū)域出現(xiàn)局部的熱量集中。在靠近安裝板區(qū)域附近的電機(jī)前端蓋呈現(xiàn)非常低的溫度，因?yàn)榇颂幥岸松w連接的安裝板和底板有較大表面積進(jìn)行自然對(duì)流散熱。圖2（b）為自然冷卻電機(jī)繞組溫度分布圖，繞組整體表現(xiàn)出后端蓋側(cè)高、前端蓋側(cè)低的溫度分布特征，且后端蓋側(cè)的端部繞組是繞組高溫區(qū)集中的地方，原因歸結(jié)于前端蓋側(cè)的端部繞組被灌封膠全包裹，端部繞組產(chǎn)生的熱量可通過注滿的灌封膠直接傳遞到機(jī)殼與前端蓋，中間不經(jīng)過空氣傳熱。而后端蓋側(cè)的端部繞組僅部分被灌封膠包裹，剩下的部分是與空氣接觸進(jìn)行自然對(duì)流換熱，且此處為電機(jī)動(dòng)力線束引出端，具有較多絕緣材料影響傳熱效率。同時(shí)，由于機(jī)殼內(nèi)空氣自然對(duì)流時(shí)受到重力作用，熱空氣向上流動(dòng)，導(dǎo)致位于電機(jī)圓周上半部分的繞組溫度高于位于電機(jī)圓周下半部分的繞組。仿真結(jié)果顯示，前端端部繞組的最高溫度為99.5℃，根據(jù)公式ΔT=T-T0（T0為環(huán)境溫度，T為待測(cè)點(diǎn)實(shí)際溫度），環(huán)境溫度為20.0℃，計(jì)算出其溫升為79.5K。圖2（c）為自然冷卻電機(jī)定子鐵心溫度分布圖，定子鐵心在前后方向上，后端蓋側(cè)溫度高，前端蓋側(cè)溫度低;在重力方向上，下半部溫度低，上半部溫度高;在徑向方向上，溫度分布特征是離機(jī)殼越近溫度越低，最內(nèi)側(cè)溫度最高，達(dá)到89.9℃，與繞組局部高溫區(qū)域位置基本一致。

圖3（a）為強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)整體的溫度分布圖，由于風(fēng)扇在電機(jī)后端旋轉(zhuǎn)吹風(fēng)的緣故，電機(jī)外表面溫度分布特征為后端溫度更低，然后隨著風(fēng)速風(fēng)壓的損失，對(duì)流換熱系數(shù)降低，電機(jī)前端溫度比電機(jī)后端相對(duì)較高。圖3（b）為強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)繞組溫度分布圖，繞組在重力方向上表現(xiàn)出溫度均勻分布的特征，說明此時(shí)電機(jī)內(nèi)空氣自然對(duì)流換熱的影響遠(yuǎn)小于強(qiáng)制風(fēng)冷對(duì)流換熱對(duì)溫度分布的影響。而在徑向上，越靠近定子溫度越低，繞組中心處成為高溫集中區(qū)域，其端部繞組最高溫度為67.0℃，在20.0°C的環(huán)境溫度下，溫升為47.0K。與自然冷卻電機(jī)相比，強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)端部繞組溫升下降了32.5K。圖3（c）是強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)定子鐵心溫度圖，定子鐵心整體溫度較低，且與機(jī)殼溫度分布特征一致。由此可知，運(yùn)用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式，提高了機(jī)殼表面散熱效率，使得端部繞組的熱量能夠快速地傳遞到機(jī)殼上，從而有效地降低端部繞組的最高溫升。

3? 電機(jī)試驗(yàn)及結(jié)果分析

制作強(qiáng)制風(fēng)冷樣機(jī)進(jìn)行電機(jī)試驗(yàn)，測(cè)試平臺(tái)如圖4所示，主要由試驗(yàn)樣機(jī)、負(fù)載電機(jī)、K型熱電偶、溫度數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、控制柜和電腦等組成。電機(jī)測(cè)試工況運(yùn)行條件與仿真相同，電機(jī)功率為1.9kW，轉(zhuǎn)矩為11.9Nm，轉(zhuǎn)速為1500r/min，環(huán)境溫度20.0℃，風(fēng)扇冷卻空氣流速為5.0m/s。通過K型熱電偶來進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，在電機(jī)后端上下兩個(gè)端部繞組設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，上下分別為測(cè)溫點(diǎn)a、測(cè)溫點(diǎn)b，在機(jī)殼上端外表面設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)c。測(cè)量數(shù)據(jù)整理后，樣機(jī)溫升的測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表2所示。

從表2可以看出，自然冷卻電機(jī)試驗(yàn)測(cè)量得到的最大溫升為81.7K，強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)試驗(yàn)測(cè)量得到的最大溫升為45.4K，而且測(cè)量值與仿真值近似，說明仿真結(jié)果具有可靠性和一定的參考價(jià)值。分析如下：①自然冷卻電機(jī)機(jī)殼溫度測(cè)量值與仿真值差別較大，主要是由于建模省略了機(jī)殼外表面的散熱筋與不規(guī)則外形，使得機(jī)殼與空氣接觸的表面積減少，散熱效果減弱。②端部繞組的導(dǎo)線束纏有絕緣材料導(dǎo)致厚度不均，造成內(nèi)部傳熱環(huán)境復(fù)雜，測(cè)溫也會(huì)有一定的偏差。

4? 結(jié)語

采用強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻方式，能通過空氣的流動(dòng)提高機(jī)殼表面對(duì)流換熱能力，將端部繞組熱量傳遞到機(jī)殼進(jìn)行快速散熱，實(shí)現(xiàn)電機(jī)最高溫升的有效降低，使永磁同步電機(jī)在條件有限的情形下獲得功率密度的進(jìn)一步提升。后續(xù)研究可以從以下方向持續(xù)改進(jìn)：①完善仿真模型，繼續(xù)研究各工況下不同冷卻方式對(duì)電機(jī)溫度分布的影響;②針對(duì)對(duì)流換熱特性，對(duì)冷卻系統(tǒng)流道及電機(jī)機(jī)殼表面散熱筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，求得更適應(yīng)于強(qiáng)制風(fēng)冷電機(jī)散熱的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]卓亮，趙飛，馬立麗，楊光力.航空電機(jī)及控制器的溫度場(chǎng)仿真分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2019（07）.