輪緣驅動無軸推進器冷卻方案設計與多物理場耦合計算

胡鵬飛，靳栓寶，沈 洋，魏應三，蘭任生，莊雙江

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輪緣驅動無軸推進器冷卻方案設計與多物理場耦合計算

胡鵬飛，靳栓寶，沈 洋，魏應三，蘭任生，莊雙江

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢430033）

針對輪緣驅動無軸推進器中集成化永磁電機的散熱問題，設計了自然循環的海水冷方案，即在無軸推進器槳葉的前、后端開槽，并與電機定、轉子間的氣隙連通，形成閉合的、與推進器進出流方向相反的自然水循環通道，冷卻通道的流量由推進器槳葉前后截面的壓力差、氣隙的高度等參數決定。文章基于有限元方法計算了永磁推進電機的電磁性能，并采用有限體積法對輪緣驅動式集成化永磁電機推進器的冷卻方案進行了電磁場、溫度場與流場的耦合計算，校驗了集成化永磁推進電機冷卻方案的有效性。

無軸推進器 永磁推進電機 海水冷卻 多物理場耦合分析 數值計算

0 引言

無軸推進是將推進電機集成于推進器中，取消推進軸系及相關配套系統、設備，利用電流傳遞功率輸出的一種新型推進技術。根據永磁推進電機的布置位置（如圖1所示），可將無軸推進器分為輪轂驅動式和輪緣驅動式[1,2]。進入新世紀后，隨著高性能永磁材料的開發，以及大容量高功率密度永磁無刷電機技術的日趨成熟，輪緣式集成電機推進器逐漸從實驗室走向工程應用[3-6]。

在輪緣驅動式無軸推進器中，永磁推進電機作為電能轉換為機械能的能量轉換裝置，其運行過程中必然會產生一定的能量損失，而絕大部分的損耗將以發熱的形式耗散掉，進而導致電機的工作溫度升高。電機過高的工作溫度會使永磁體產生不可逆退磁、絕緣老化，嚴重情況將導致電機燒毀[7-9]。目前，國內外有關輪緣驅動式無軸推進器的研究主要集中在推進器水動力和集成化電機電磁方案設計上[2,10,11]，鮮有文章介紹輪緣驅動式無軸推進器冷卻方案的細節設計和整系統分析實際進流情況下集成化永磁電機的冷卻性能。

本研究以輪緣驅動無軸推進器高效冷卻方案設計為研究目標，針對推進器導管內集成化電機推進器散熱問題，詳細介紹了如何有效利用槳葉盤面前后的壓力差和電機定、轉子之間的氣隙作為通道，進行無軸推進器集成化永磁電機自然循環水冷方案的設計。并且，采用計算流體力學方法對集成化永磁電機冷卻通道內的實際流動狀況進行了數值仿真分析，校驗了該冷卻方案的有效性。

1 集成化永磁推進電機電磁性能分析

輪緣驅動無軸推進器主要由永磁推進電機、導管、葉輪、導葉和輪轂等部件組成，如圖2推進器的額定功率為1.76MW。在設計中采用了雙3相80極480槽永磁推進電機，電機額定轉速為159 rpm，推進電機幾何如圖3所示。降低集成化永磁推進電機的電磁振動，在電機設計中同時采用了多相繞組、削極技術、表貼式磁極綜合優化等技術。

在電機本體設計過程中，首先采用商用有限元軟件設計并分析目標電機的空載電磁性能，包括空載氣隙磁場、磁鏈、反電勢和齒槽轉矩波形。從圖4例舉的空載磁鏈及反電勢波形可以看出，目標電機展現出了相當正弦的波形，所以具備實現低輸出轉矩脈動的性能特點，符合電磁設計目標。優化后的永磁推進電機基本尺寸為：定子外徑2.61 m、定子內徑2.53 m、永磁體最大厚度24 mm、轉子顎部厚度12.6 mm、電磁氣隙高度15 mm毫米、硅鋼片疊片長度228 mm。

由于目標集成化永磁推進電機采用了偏心削極等設計技術，所以額定工況下的輸出轉矩波形十分平滑參看圖5。其峰峰值轉矩脈動系數僅僅為0.0423%（西門子大型永磁直驅式風機的發電制動轉矩脈動系數設計要求為不高于0.5%），據此可以達到較高的低噪聲運行水平。圖6展示了目標推進電機的負載磁密與磁力線分布圖。計算結果表明，永磁推進電機定子的鐵耗為1.013 kW，銅耗為55.4 kW，并將作為發熱源代入下一步計算中。

2 輪緣驅動無軸推進器冷卻方案設計

必須設計有效的散熱方式，保證大功率永磁電機運行中能夠將電機內所產生的熱量傳導和散發出去。據此，提出了一種在推進葉輪的前、后端開槽，并與電機轉子和定子間的氣隙連通，形成閉合的自然水循環通道（如圖7所示）對大功率輪緣驅動式集成化永磁電機進行冷卻的方式。其中，冷卻通道中的冷卻介質水的流量，由泵噴葉輪前后截面的壓力差、氣隙的高度、厚度等參數決定。

3 無軸推進器冷卻方案的性能分析

傳統的電機散熱計算方法如簡化公式法、等效熱路發、網絡拓撲法、有限元、有限差分法很難精確計算在實際進流情況下輪緣驅動式集成化永磁電機推進器的散熱和冷卻情況。本文采用有限元與有限體積法相結合方法計算集成化永磁推進電機推進器冷卻方案的性能。其中，有限元方法用來計算永磁推進電機的電磁性能，并將計算得到的電機鐵耗和銅耗輸入到基于有限體積法建立的輪緣驅動式無軸推進器的水動力模型中，最終計算出實際進流條件下無軸推進器的冷卻性能，指導推進器的下一步優化設計工作。

圖2顯示的是輪緣驅動式無軸推進器的三維幾何模型。圖8顯示了整個無軸推進器數值計算模型的計算域大小，其中計算域徑向大小選擇20D（D為推進器直徑）；尾流計算域40D；進流計算域為8D。

在數值計算建模中，采用全結構網格完成無軸推進器的網格劃分，圖9（a）顯示了導管壁面網格，圖9（b）顯示了推進器葉輪和導葉葉片的壁面網格，圖9（c）顯示了推進器電機1/80模型的壁面網格分布，整個計算域的網格節點數為4873萬。

為了增加數值計算的穩定性，輪緣驅動式無軸推進器推進性能的數值計算采用分步逐漸增加轉速的方法來完成，即先計算無軸推進器轉速為零時的流場，然后逐漸增加推進器轉速，來模擬推進器內部的旋轉流場，直至整個計算域流場穩定。計算得到無軸推進器和電機氣隙內流場的流線分布可以參看圖10，此時氣隙的流量達到了426 kg/s。圖11（a）顯示了永磁推進電機定子的三維溫度分布情況，圖11（b）顯示了電機定子沿徑向的溫度分布情況，圖11（c）顯示了永磁推進電機定子1/80模型的徑向溫度分布情況。可以看出，無軸推進器在額定工況下的定子槽內最高溫度為60.4℃，其結果小于H級絕緣等級規定的最高工作溫度120°。結果表明，該散熱方案是有效的，能夠滿足設計要求。

4 結論

本文以輪緣驅動式無軸推進器中的1.76 MW永磁推進電機為研究對象，通過在推進器槳葉的前、后端開槽，并與電機定、轉子間的氣隙連通，利用推進器葉輪前后截面的壓力差設計了閉合的、與推進器進出流方向相反的冷卻通道，實現了無軸推進器集成化永磁推進電機自然循環冷卻方案。采用有限元和有限體積法相結合的方法完成集成化永磁推進電機電磁場、溫度場、水動力等多物理場的耦合計算，分析了集成化永磁電機氣隙在真實進流條件下的流動和散熱情況，計算結果表明該無軸推進器在額定工況下的定子槽內最高溫度為60.4℃，小于H級絕緣等級規定的最高工作溫度120°，校驗了該無軸推進器永磁推進電機冷卻方案的有效性。

[1] 馬騁．吊艙推進技術[M]．上海：上海交通大學出版社，2007．

[2] Jinghui Liang, Xiaofeng Zhang, Mmingzhong Qiao, Peng Zhu, etl. Optimal design and multifield coupling analysis of propelling motor used in a novel integrated motor propeller[J]．IEEE Transactions of Magnetics，2013,9,12):2-85.

[3] 王選卓．集成電機推進器驅動裝置的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013．

[4] 汪勇，李慶．新型集成電機推進器設計研究[J]．中國艦船研究，2011，6，(11)：82-85．

(51307177，51309229，51409256)

Design and Multifield Coupled Analysis of Cooling System for PM Motor in Rim Driven Propulsor

Hu Pengfei, Jin Shuanbao, Shen Yang, Wei Yingsan, Lan Rensheng，Zhuang Shuangjiang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Since electrical machine’s working temperature significantly affects permanent magnet (PM) characteristic and reliability of the insulation, the design of effective cooling system becomes a vital concern of rim driven propulsor. In this paper, a natural cooling system is designed for the integrated PM motor inside a rim driven propulsor by designing the cooling water passing through air-gap between PM motor’s stator and rotor. In order to predict maximum temperature precisely, an electromagnetic, thermal and computational fluid dynamic coupled multifield analysis is developed and applied to verify the effectiveness of designed natural cooling system.

shaftless propulsor; PM motor; computational fluid dynamic (CFD); thermal analysis

U664.34

A

1003-4862（2016）03-0028-04

2015-12-09

國家自然科學基金青年科學基金資助項目

胡鵬飛(1990-), 男, 博士生。研究方向：電力集成。