航空用油冷電機(jī)流場研究與仿真

李 孟，閆 波，周育茹，田 磊

(航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

0 引 言

航空用高壓大功率永磁同步電機(jī)具有體積小，質(zhì)量輕、效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。但是在體積和質(zhì)量有限的情況下，電機(jī)本身溫升是影響電機(jī)高效、可靠、長時工作的關(guān)鍵因素。高壓大功率電機(jī)由于體積小、功率密度大和效率高，單位體積內(nèi)的發(fā)熱要比普通機(jī)大得多，當(dāng)電機(jī)內(nèi)部損耗產(chǎn)生的熱量大于電機(jī)散熱能力時，就會導(dǎo)致電機(jī)溫升過高，從而引起電機(jī)失效。

油冷電機(jī)將液壓油引入電機(jī)本體形成回路，通過油液循環(huán)帶走電機(jī)內(nèi)部熱量，有效改善電機(jī)散熱性能，提高電機(jī)整體輸出功率，并顯著提升工作可靠性。電機(jī)內(nèi)部包括定子和轉(zhuǎn)子都浸泡在液壓油中，電機(jī)定子鐵心圓周不光滑且有開槽，定轉(zhuǎn)子氣隙邊界結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且電機(jī)運(yùn)行時轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致內(nèi)部液壓油的流動狀態(tài)復(fù)雜，通過合理設(shè)計油道來提高散熱效率比較困難。

計算流體力學(xué)(以下簡稱 CFD)是通過計算機(jī)數(shù)值計算，在流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬，得到復(fù)雜流場的分布，研究流體流動問題。隨著CFD仿真技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，借助CFD技術(shù)來研究流體流動問題已成為研究流體流動的重要手段[4]。

本文采用CFD對航空用油冷電機(jī)內(nèi)部的液壓油流動狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值計算和仿真，為電機(jī)合理設(shè)計油道提供仿真依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

流體流動的三個基本守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。由于電機(jī)內(nèi)部流體處于湍流運(yùn)動狀態(tài)，還需要遵循附加的湍流控制方程[4]。

流體質(zhì)量守恒方程：

流體動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

湍流方程：

(4)

2 計算模型及邊界條件

2.1 流體域計算模型

電機(jī)三維模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)三維模型圖

為計算繞組中的液體流動，在原始模型中添加等效繞組模型，等效繞組模型完全填滿鐵心中的空隙，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 繞組等效模型

該電機(jī)共有4個流體進(jìn)口和1個流體出口，以流體進(jìn)出口和電機(jī)結(jié)構(gòu)組成的封閉空間生成流體域，生成的流體域如圖3所示。

圖3 電機(jī)流體域模型

2.2 基本假設(shè)和邊界條件

2.2.1 基本假設(shè)

1)假設(shè)電機(jī)內(nèi)部流體為不可壓縮液體。

2)電機(jī)內(nèi)流體處于湍流狀態(tài)，流體場采用湍流模型中魯棒性較好和工程應(yīng)用中較為常見的Standardk-ε模型進(jìn)行計算。

3)電機(jī)運(yùn)行工況為長時工況，采用的計算方法為穩(wěn)態(tài)計算。

2.2.2 邊界條件

電機(jī)有4個流體入口和1個流體出口，如圖4所示。

圖4 流體入口

1) 入口邊界

這4個流體入口與同一個腔體連通，該腔體由柱塞泵泄漏液壓油提供壓力，壓力為脈動值，且不易測量，計算中取入口總壓0.8MPa。

2) 出口邊界

電機(jī)有1個流體出口，與舵機(jī)蓄能器連通，蓄能器壓力穩(wěn)定為0.5MPa，流體出口壓力取0.5MPa。

3) 壁面條件

根據(jù)模型邊界區(qū)域的條件，將模型中的所有固體壁面設(shè)為固體邊界，即無滑移壁面邊界條件，固體壁面附近流動采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定，假定定子、轉(zhuǎn)子壁面光滑。

2.3 網(wǎng)格劃分

為適當(dāng)減小網(wǎng)格量，本文計算域內(nèi)均采用多面體網(wǎng)格，流體/固體域交界面上有三層以上附面層加密，保證流體附面層計算的準(zhǔn)確性，電機(jī)網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 電機(jī)網(wǎng)格劃分

2.4 材料選擇

電機(jī)冷卻液選擇航空15#液壓油作為冷卻介質(zhì)[6]，其參數(shù)如表1所示。

表1 15號航空液壓油物性參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

電機(jī)內(nèi)部流體壓力云圖、速度矢量圖、流體跡線圖分別如圖6～圖8所示，電機(jī)最大流速為出口處5.88m/s。

圖6 流體壓力云圖

從電機(jī)流場整體來看，定轉(zhuǎn)子之間的氣隙是影響電機(jī)內(nèi)部流場的關(guān)鍵區(qū)域，對電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)計算，流體計算域僅為電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，數(shù)值計算采用網(wǎng)格模型和計算結(jié)果的速度云圖如圖9所示。

圖9 數(shù)值計算的CFD模型與部分結(jié)果

將電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙高度和兩端壓力差作為主要的影響因素進(jìn)行分析，計算采用的流動模型和邊界條件如表2所示，對應(yīng)表2中給定工況的數(shù)值計算結(jié)果顯示如表3至表5所示。

表2 氣隙過流能力計算相關(guān)求解設(shè)置和邊界條件

表3 氣隙高度為0.6mm的過流能力計算結(jié)果

表4 氣隙高度為1.2mm的過流能力計算結(jié)果

表5 氣隙高度為1.8 mm的過流能力計算結(jié)果

將表3～表5的數(shù)據(jù)繪成散點(diǎn)圖，不同氣隙對應(yīng)壓差和流量變化如圖10所示。

圖10 不同氣隙高度對應(yīng)的氣隙過流能力計算結(jié)果

1) 進(jìn)出口壓差從0增加至1.0MPa過程中，隨著進(jìn)出口壓差增加，氣隙區(qū)域流場的過流能力增加；

2) 氣隙高度從0.6mm逐漸增加到1.8mm過程中，氣隙區(qū)域流場的過流能力增加，但隨著氣隙高度等值增加，流場過流流量的增加量相應(yīng)減小。

因此，氣隙高度和氣隙進(jìn)出口壓差對電機(jī)氣隙流場影響：氣隙高度對氣隙區(qū)域流場過流能力的影響隨著氣隙高度增加而變小，而壓差的變化量對過流量能的影響成線性關(guān)系。

4 結(jié) 語

本文以航空用油冷電機(jī)為研究對象，采用CFD數(shù)值計算方法，對電機(jī)內(nèi)部的流體進(jìn)行了計算，分析流體分布和流動特性，并研究了定轉(zhuǎn)子間氣隙區(qū)域的過流能力影響因素。

氣隙高度和氣隙進(jìn)出口壓差都影響電機(jī)氣隙流場的過流能力。氣隙高度對氣隙區(qū)域流場過流能力的影響程度隨著氣隙高度增加而變小，而壓差的變化量對過流量能的影響成線性關(guān)系。該研究結(jié)果可為電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)參考。