一種軸向風(fēng)冷結(jié)構(gòu)對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升的抑制研究*

王 晗, 佟文明

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

高速永磁同步電機(jī)(HSPMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，且可以直接與高速負(fù)載相連，省去中間傳動(dòng)裝置，提高了系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。因此，HSPMSM在高速機(jī)床、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、天然氣輸送以及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-3]。

高速電機(jī)的工作頻率比傳統(tǒng)電機(jī)工作頻率高很多。得益于電力電子技術(shù)和控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，交流電機(jī)越來越廣泛地采用變頻器驅(qū)動(dòng)。但變頻器供電時(shí)定子繞組電流含有大量的時(shí)間諧波，使得HSPMSM的轉(zhuǎn)子渦流損耗大大增加。由于轉(zhuǎn)子部位散熱困難，轉(zhuǎn)子部位的渦流損耗會(huì)使永磁體溫升較高而存在不可逆失磁的風(fēng)險(xiǎn)[4]，因此提高電機(jī)的冷卻能力來抑制HSPMSM永磁體的溫升十分必要。

對(duì)于電機(jī)冷卻系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究。文獻(xiàn)[5]以一臺(tái)額定功率 20 kW的車用永磁同步電機(jī)為例，從流速、壓差、溫升等多方面對(duì)比了螺旋型、軸向Z字型、徑向Z字型三種冷卻水道的優(yōu)劣。文獻(xiàn)[6]提出一種丁胞水冷結(jié)構(gòu)的散熱方案，并對(duì)多種水冷方案在相同的條件下進(jìn)行流體場(chǎng)比較分析，得出了丁胞結(jié)構(gòu)流道可提高水道壁面換熱系數(shù)、具有更好的冷卻性能的結(jié)論。文獻(xiàn)[7]提出了一種用于集中繞組永磁同步電機(jī)的新型水冷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該冷卻結(jié)構(gòu)采用多個(gè)水冷盤徑向插入到定子鐵心內(nèi)，冷卻結(jié)構(gòu)與定子部位熱源更密切接觸，可更有效地帶走電機(jī)中的熱量。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該冷卻技術(shù)可使繞組溫度降低20 ℃以上。上述文獻(xiàn)對(duì)定子側(cè)的水冷結(jié)構(gòu)做出改進(jìn)，提高了定子側(cè)的冷卻效率，但對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的溫升影響較小。

文獻(xiàn)[8]針對(duì)一臺(tái)200 kW船用HSPMSM，在確定了定子側(cè)水冷結(jié)構(gòu)的最優(yōu)水速前提下，通過對(duì)比雙端通風(fēng)與軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)下電機(jī)的流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)仿真結(jié)果，證實(shí)軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)能夠有效降低電機(jī)轉(zhuǎn)子部位溫升，提高了電機(jī)冷卻性能。文獻(xiàn)[9]介紹了一種HSPMSM的混合通風(fēng)系統(tǒng)。該電機(jī)定子側(cè)采用螺旋水冷結(jié)構(gòu)，并在電機(jī)內(nèi)開出徑向與軸向通風(fēng)口，由于混合通風(fēng)的冷卻作用，永磁體中出現(xiàn)的最高溫升顯著降低了26.5 K。文獻(xiàn)[10]在電機(jī)轉(zhuǎn)子一端安裝軸流式風(fēng)扇，并在定轉(zhuǎn)子鐵心部位開一定數(shù)量的通風(fēng)孔來形成內(nèi)外雙循環(huán)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化通風(fēng)孔的數(shù)量與位置，電機(jī)轉(zhuǎn)子部位的溫最多可降低13.5 K。

本文以一臺(tái)15 kW表貼式HSPMSM為例，在其水冷結(jié)構(gòu)不變的前提下，設(shè)計(jì)了一種全封閉軸向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不需在電機(jī)機(jī)殼表面開進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口，省去了冷卻風(fēng)的冷凝裝置與除塵裝置，又保證了電機(jī)的全封閉結(jié)構(gòu)。由于通風(fēng)道緊貼水套表面，流過水套表面的風(fēng)可受到一定程度的冷卻，更有效利用了電機(jī)的水冷結(jié)構(gòu)。由于該結(jié)構(gòu)不需要在電機(jī)的定轉(zhuǎn)子上開通風(fēng)道，電機(jī)的電磁性能不會(huì)受到任何影響。該結(jié)構(gòu)可對(duì)大功率高速永磁電機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 流固耦合模型的確定及求解條件

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 傳熱模型

由傳熱學(xué)基本原理可知，在笛卡兒坐標(biāo)系下，HSPMSM內(nèi)的三維穩(wěn)態(tài)含熱源、各向異性介質(zhì)導(dǎo)熱控制方程為[11]

(1)

式中：λx、λy和λz分別為x、y、z方向上的傳熱系數(shù);T為固體部位所待求溫度;q為求解域內(nèi)的熱源密度;α為對(duì)流換熱系數(shù);Tf為附近流體的溫度;S1為絕熱面、S2為散熱面。

1.1.2 流體運(yùn)動(dòng)控制方程

高速電機(jī)內(nèi)的流體遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，與之對(duì)應(yīng)的控制方程分別為連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程及能量守恒方程[12-13]。

若空氣流速小于聲速，可認(rèn)為是不可壓縮理想氣體，此時(shí)質(zhì)量守恒方程為

(2)

式中：ρ為流體密度；u、v、w分別為x、y、z方向上對(duì)應(yīng)的速度分量。

動(dòng)量守恒方程為

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為流體密度；μ為動(dòng)力黏度；p為流體的壓力。

能量守恒方程為

(6)

式中：cp為流體的比熱容；T為溫度；λl為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.2 物理模型

本文所研究的電機(jī)為一臺(tái)15 kW、30 000 r/min，4極18槽的HSPMSM，其定子鐵心材料為非晶合金(2605SA1)，永磁體為燒結(jié)釹鐵硼(N38UH)，護(hù)套為鈦合金(TC4)原樣機(jī)機(jī)殼采用螺旋水冷結(jié)構(gòu)，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種風(fēng)冷結(jié)構(gòu)應(yīng)用于該電機(jī)來降低其轉(zhuǎn)子溫升。原樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 15 kW電機(jī)的主要參數(shù)

為提高剖分質(zhì)量，對(duì)電機(jī)的模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，因?yàn)檗D(zhuǎn)軸和端蓋幾乎不產(chǎn)生損耗，只作為導(dǎo)熱媒介，所以轉(zhuǎn)軸和端蓋部分的圓倒角可簡(jiǎn)化成直角，原樣機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 原樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

為抑制HSPMSM較高的轉(zhuǎn)子溫升，設(shè)計(jì)了一種軸向風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，其主要由風(fēng)扇、風(fēng)罩、扇腔、擋板以及風(fēng)道組成。整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 帶有風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的電機(jī)示意圖

圖3 路徑一空氣流動(dòng)示意圖

若采用該風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，冷卻風(fēng)由風(fēng)扇吹出，可以先流向與扇腔相連的擋板，當(dāng)其碰撞擋板時(shí)，由于風(fēng)道與扇腔相連，冷卻風(fēng)會(huì)被扇腔和風(fēng)罩等結(jié)構(gòu)引入設(shè)在機(jī)殼表面的4條風(fēng)道內(nèi)，并由風(fēng)道流入電機(jī)的前端腔，之后穿過氣隙和槽口空氣進(jìn)入電機(jī)的后端腔，最后通過后端蓋所開的通風(fēng)孔回到風(fēng)扇部位。本文稱該流動(dòng)路徑為路徑一，其示意圖如圖3所示，為更清楚地展示冷卻風(fēng)的流動(dòng)，圖中未畫出擋板結(jié)構(gòu)；若將冷卻風(fēng)扇反向安裝可完成路徑一的逆循環(huán)，本文稱為路徑二，冷卻風(fēng)的流動(dòng)示意圖如圖4所示。

圖4 路徑二空氣流動(dòng)示意圖

為保證冷卻風(fēng)可循環(huán)流動(dòng)，需在電機(jī)的后端蓋部位開軸向通風(fēng)孔，本文選擇在后端蓋處開三個(gè)扇環(huán)形通風(fēng)孔，扇環(huán)的外徑為130 mm，內(nèi)徑為70 mm，三個(gè)通風(fēng)孔總面積為5 222 mm2，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 后端蓋所開軸向通風(fēng)孔

本文的冷卻循環(huán)動(dòng)力裝置為4寸軸流式風(fēng)扇，其具體參數(shù)如表2所示。

表2 軸流式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.3 基本假設(shè)與邊界條件

由于高速電機(jī)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，求解時(shí)需要對(duì)所計(jì)算模型做出一些基本假設(shè)并給出邊界條件。所做基本假設(shè)如下：

(1) 高速電機(jī)內(nèi)流體的流速較高，雷諾數(shù)大于2 300，故選擇用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流方程對(duì)求解域內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)求解；

(2) 忽略流體浮力和重力的影響；

(3) 電機(jī)定子端部導(dǎo)線采用等長(zhǎng)的直線段等效處理；

(4) 電機(jī)內(nèi)空氣最高流速小于聲速，故認(rèn)為其是不可壓縮理想氣體。

考慮到電機(jī)求解域模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和通風(fēng)冷卻系統(tǒng)中流體流動(dòng)的特性，給定如下邊界條件：

(1) 流體入口為速度入口；

(2) 流體出口設(shè)為一個(gè)大氣壓的壓力出口；

(3) 流體通道的所有外表面為無滑移邊界；

(4) 將電機(jī)旋轉(zhuǎn)部位與流體的交界面設(shè)置轉(zhuǎn)速與粗糙度；

(5) 環(huán)境溫度設(shè)為300 K(26.85 ℃)。

2 損耗的計(jì)算與熱源的添加

高速永磁電機(jī)的損耗主要包括定子鐵心損耗、繞組銅耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗以及機(jī)械損耗。轉(zhuǎn)子渦流損耗主要為護(hù)套渦流損耗和永磁體渦流損耗，機(jī)械損耗主要為空氣摩擦損耗和軸承摩擦損耗。

定子鐵心損耗和轉(zhuǎn)子渦流損耗基于二維時(shí)步有限元法計(jì)算得出，由于定子齒部和定子軛部生熱率相差較大，因此定子齒部和定子軛部的損耗需分別計(jì)算。銅耗通過測(cè)量電機(jī)熱態(tài)相電阻和負(fù)載電流計(jì)算得到?？諝饽Σ翐p耗通過在流體場(chǎng)中將電機(jī)旋轉(zhuǎn)部位與流體的交界面設(shè)置轉(zhuǎn)速與粗糙度來考慮。軸承摩擦損耗可由式(7)計(jì)算得到[14]：

Pbearing=TfrictionΩ

(7)

式中：Tfriction為總的摩擦轉(zhuǎn)矩;Ω為轉(zhuǎn)子角速度。

總的摩擦轉(zhuǎn)矩可由黏性摩擦轉(zhuǎn)矩T1和負(fù)載摩擦轉(zhuǎn)矩T2組成：

Tfriction=T1+T2

(8)

黏性摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載摩擦轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下:

(9)

式中：f0為軸承和潤(rùn)滑類型的指數(shù);v為工作黏度;n為軸承轉(zhuǎn)速;dM為軸承內(nèi)外徑的平均值;f1為負(fù)載因子，對(duì)于帶機(jī)殼的徑向軸承;f1的范圍是0.000 2(輕系列)～0.000 4(重系列)[15];Fmean為軸承上的平均負(fù)載。

本文所研究的電機(jī)在30 000 r/min額定負(fù)載時(shí)電機(jī)各部位的損耗值與生熱率大小如表3所示。

表3 電機(jī)各部位損耗與生熱率

3 流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)的仿真分析

3.1 最優(yōu)水速的確定

基于上述的前處理工作，需要確定冷卻水的流速。電機(jī)的溫升會(huì)隨著水流速的增高而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但當(dāng)水速達(dá)到一定時(shí)，冷卻水會(huì)達(dá)到熱飽和狀態(tài)[16]，電機(jī)的溫升趨于穩(wěn)定狀態(tài)。而此時(shí)繼續(xù)提高冷卻水流速，對(duì)電機(jī)的溫升降低效果并不明顯，反而增加水泵的輸入功率，造成能量損失。表4給出了繞組溫升與永磁體溫升隨入水口水流速的變化。

表4 電機(jī)溫升隨水速變化表

從表中計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)冷卻水流速達(dá)到1.2 m/s時(shí)，電機(jī)繞組和永磁體的溫升趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，確定最優(yōu)水速為1.2 m/s，此時(shí)，繞組與永磁體溫升以及進(jìn)出口水壓值如圖6～圖8所示。

圖6 永磁體溫升分布圖

圖7 繞組溫升分布圖

圖8 進(jìn)出水口壓力分布圖

3.2 風(fēng)向?qū)D(zhuǎn)子溫升的影響

在文章的1.2節(jié)中，提到了兩種冷卻風(fēng)的循環(huán)路徑，為比較風(fēng)路一與風(fēng)路二的冷卻效果，對(duì)其分別進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析。本文所設(shè)計(jì)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)在水套表面有四條風(fēng)道，將每條風(fēng)道的截面積定為400 mm2，給定與風(fēng)扇接觸的空氣3 000 r/min轉(zhuǎn)速，從而模擬冷卻風(fēng)按風(fēng)路一與風(fēng)路二的方向流動(dòng)情況。當(dāng)冷卻風(fēng)按路徑一方向流動(dòng)時(shí)，電機(jī)風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速與永磁體溫升計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速流線圖

圖10 永磁體溫升分布圖

當(dāng)冷卻風(fēng)按路徑一方向流動(dòng)時(shí)，風(fēng)道內(nèi)最高風(fēng)速為0.57 m/s，風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速經(jīng)計(jì)算為0.38 m/s，永磁體最高溫升比原樣機(jī)下降了17.4 K，約占11.6%。

當(dāng)冷卻風(fēng)按路徑二方向流動(dòng)時(shí)，電機(jī)風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速與永磁體溫升計(jì)算結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速流線圖

圖12 永磁體溫升分布圖

當(dāng)冷卻風(fēng)按路徑二方向流動(dòng)時(shí)，風(fēng)道內(nèi)最高風(fēng)速為0.19 m/s，風(fēng)道內(nèi)平均風(fēng)速經(jīng)計(jì)算為0.077 m/s，永磁體最高溫升比原樣機(jī)下降了4.4 K?？梢姰?dāng)冷卻風(fēng)按路徑一方向流動(dòng)時(shí)，其冷卻效果要遠(yuǎn)好于冷卻路徑二，冷卻風(fēng)的流動(dòng)方向應(yīng)選擇路徑一。

3.3 風(fēng)道截面積對(duì)冷卻性能的影響

相比于將冷卻風(fēng)道開在電機(jī)的定轉(zhuǎn)子之上，將冷卻風(fēng)道設(shè)在電機(jī)的外部既不會(huì)影響電機(jī)的電磁性能，也不會(huì)限制風(fēng)道的截面積。但風(fēng)道截面積決定了風(fēng)路的風(fēng)阻大小，由于冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速一定，不同截面積的風(fēng)道會(huì)影響冷卻風(fēng)的風(fēng)速與風(fēng)量，進(jìn)而影響該風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的冷卻性能?；谏鲜龇治觯?jì)算了不同風(fēng)道截面積時(shí)，風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)道內(nèi)總風(fēng)量以及轉(zhuǎn)子溫升的變化，變化規(guī)律如圖13～圖15所示。

圖13 風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速隨風(fēng)道截面積的變化

圖14 風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量隨風(fēng)道截面積的變化

圖15 永磁體最高溫升隨風(fēng)道截面積的變化

圖13～圖15中數(shù)據(jù)顯示，隨著風(fēng)道截面積變大，通過風(fēng)道的風(fēng)量逐漸變大，風(fēng)速逐漸降低，而轉(zhuǎn)子永磁體的最高溫升隨著風(fēng)道截面積先降低后升高，這是因?yàn)轱L(fēng)量與風(fēng)速對(duì)冷卻效果均有影響。

當(dāng)流體通過管道時(shí)，所產(chǎn)生的壓力降可表示為[17]

(10)

為了計(jì)算方便，將式(10)寫成：

(11)

而流阻通常被寫成:

(12)

綜合比較，當(dāng)每個(gè)風(fēng)道截面積為300 mm2時(shí)，冷卻效果最好，永磁體溫升為131.4 K，圖16～圖18給出了此時(shí)風(fēng)道內(nèi)空氣速度流線圖、氣隙空氣速度流線圖以及永磁體溫升圖。圖17可看出氣隙內(nèi)空氣存在軸向的流動(dòng)，只不過由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，軸向的速度分量要遠(yuǎn)小于周向分量。

圖16 風(fēng)道內(nèi)空氣速度流線圖

圖17 氣隙內(nèi)空氣速度流線圖

圖18 永磁體溫升計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以一臺(tái)15 kW、30 000 r/min的高速永磁電機(jī)為例，在其水冷結(jié)構(gòu)不變的前提下，設(shè)計(jì)了一種全封閉軸向通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)的仿真分析。結(jié)果表明定子側(cè)水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)水口的最優(yōu)水速應(yīng)為1.2 m/s；在此基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)按路徑一循環(huán)帶來的冷卻效果要遠(yuǎn)好于路徑二；水套外側(cè)的風(fēng)道截面積大小對(duì)冷卻效果有較大影響，經(jīng)仿真計(jì)算結(jié)合理論分析，確定了外風(fēng)道截面積約為300 mm2時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子可具有最低的溫升131.4 K，比原樣機(jī)降低了18.1 K，約占12.1%。本文所設(shè)環(huán)境溫度為300 K(26.85 ℃)，最終永磁體溫度可達(dá)158.25 ℃，而所選樣機(jī)的永磁體可允許最大溫度為180 ℃，永磁體溫度在允許范圍內(nèi)，并有一定的余量。本文所得結(jié)論對(duì)抑制大功率高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫升可以提供一定參考。