音圈電機的自然對流冷卻

周 璞，鐘 焱，戴學昌，章 藝，吳偉亮

(1.中船重工集團第七〇四研究所，上海 200031；2.上海交通大學，上海 200240)

音圈電機的自然對流冷卻

周 璞1，鐘 焱1，戴學昌1，章 藝1，吳偉亮2

(1.中船重工集團第七〇四研究所，上海 200031；2.上海交通大學，上海 200240)

音圈電機具有體積小、重量輕、速度和加速度響應迅速、力學特性均勻等優良特性，被廣泛應用在各類伺服控制系統中。由于音圈電機結構緊湊， 導致散熱難度加大，在特殊情況下冷卻成為制約降低成本、提高壽命的重要因素。以某伺服系統中自然冷卻方式音圈電機為對象，以流-固熱耦合方法對采用空氣和油為冷卻媒介時電機內部共軛傳熱過程進行了分析研究。結果表明，油冷卻媒可以顯著降低電機內部溫度，該種冷卻方式對降低電機制造成本、提高壽命，增強控制系統可靠性是有利的。

音圈電機；電機冷卻；共軛傳熱；自然對流換熱

0 引 言

音圈電機具有體積小、重量輕、速度和加速度響應迅速、力學特性均勻等諸多優點，在電子系統、光學儀器、醫療器械、工業控制、航空航天等需要精密定位和控制的領域被廣泛應用。

定、轉子工作時的銅耗、鐵耗及風耗使電機零部件內部產生熱量，導致電機的溫度升高，如果溫升較大，則電機須采用耐溫能力高的材料，這一方面增加電機成本，另一方面也影響到電機使用壽命。傳統大功率電機中線圈和磁鐵中的散熱問題已成為制約性能提高的重要因素之一，是電機設計中必須考慮的問題。文獻[1]結合試驗方法對大型汽輪機發電機定子的溫度場進行了計算，分析了蒸發冷卻技術在大型電站發電機中應用的可行性；通過建立高壓異步電機三維模型[2]，對電機定、轉子溫度場進行了計算，并進行了實驗對比。文獻[3]采用流固熱耦合方法，對水輪發電機風冷系統散熱及轉子溫度場進行了分析計算。近年來永磁材料的發展為新型永磁電機提供了普及條件，也成為現代電機技術發展的重點[4]，與傳統電機相比，永磁電機結構更趨于緊湊，這進一步增加了電機內部零件散熱困難，因此永磁電機散熱構成了近年來電機冷卻研究的熱點。NergJ.[5]對徑流磁通高功率密度電機進行了熱分析；文獻[6]對高速永磁電機內的各種損耗進行了計算，并對流體和固體的溫度場進行了計算和試驗研究；文獻[7]對高空特殊環境下高速永磁電機的冷卻進行了分析。

應用于控制系統中的音圈電機功率較小，通常條件下熱問題不是影響電機性能的主要因素，所以音圈電機中不采用特別的冷卻措施，僅靠簡單的自然對流即可滿足散熱需要，相應的研究工作也很少。但由于音圈電機結構緊湊，使得內部部件間隙非常小，冷卻媒介流動阻力大，因而造成散熱難度大。在一些特殊情況下，如音圈電機需要頻繁動作、環境溫度高、負載大且工作時間長時，會導致電機內線圈或永磁體溫度異常升高，不但影響電機正常工作和壽命，甚至引發事故。對于這類用途的音圈電機，必須考慮其散熱結構，保證設備安全。

本文以長時間工作于較高負荷和環境溫度下、采用自然對流冷卻的音圈電機為例，分別對空氣和冷卻油作為冷媒介質時電機的冷卻效果進行了模擬計算，給出了兩種冷媒對部件、特別是永磁體部分冷卻的效果，傳熱計算結果可為電機的設計、制造和運行提供參考數據。

1 研究對象

本文研究對象為采用自然對流冷卻的音圈電機，電機剖面結構如圖1所示。音圈電機封裝在腔室內，基于應用目的封裝體上有橡膠減震圈；音圈電機中線圈與移動載荷相連，釹鐵硼永磁體安裝在動線圈間，其間留有一定的間隙，防止運動時發生摩擦或碰撞。封閉腔室側壁面和電機線圈安裝環上都有提供冷媒流通孔，通過冷媒流動將線圈、永磁體上產生的熱量傳遞出去，達到冷卻電機的目的。本文通過模擬計算，分析分別采用空氣和冷卻液冷媒(變壓器油)介質時電機的冷卻性能，為電機的設計和運行提供依據。

圖1 音圈電機剖面結構

1.1 物理方程和耦合物理量處理

電機冷卻涉及電磁學、流體力學、傳熱學等諸多學科理論。由于電機內部流體、固體材料物理特性參數與溫度有關，且不同材料界面(固-固、固-流)上的溫度事先未知，因此電機中電磁、流動、熱傳導等物理量求解屬于典型的多學科耦合問題。為了保證模擬結果準確性，理論上應對上述物理量同步進行求解。

對于正常工作的電機，在其工作溫度范圍內，電機內各種材料的電(磁)導率等與電磁發熱功率有關物性參數變化不大，且與冷卻媒介流動過程無關，這些參數能夠按常數處理。這樣，電機零部件發熱功率量可以獨立于冷卻計算獨立進行，在其后實施電機冷卻計算時將零部件發熱功率以熱強度載荷加載到對應零件上。電機中冷媒介質通過自然對流在其零部件間隙中流動，由溫度引起的冷媒密度差為流動唯一驅動力，而冷媒溫度則由固體零部件發熱功率及其分布和流動過程共同決定，這是典型的耦合問題。對于這類共軛傳熱問題，基于計算準確性考慮，只能采用流體-固體熱耦合求解方法。

對電磁方程進行單獨求解，而流動與熱傳導方程耦合求解在簡化計算過程、降低計算費用的同時，也保證了計算準確性。

根據電機理論，電機內部熱量主要來自于鐵耗和銅耗，鐵耗與磁通密度B和鐵心/磁體相對速度v有關，根據經驗本文中電機鐵耗如下計算：

(1)

銅耗：

(2)

式中：I為流過電機繞組的電流;R為電機繞線電阻。

電機正常工作時內部溫度不超過200℃，輻射傳熱完全可以忽略，計算中僅需考慮熱傳導和對流。此時空氣對應的流體方程包括連續方程、動量方程和能量方程：

(3)

(4)

(5)

式中：ρf為冷媒流體密度；ui為流體速度；μ為黏度；Fi為對應xi坐標方向上的質量力分量，此處僅有重力作用；Tf為流體溫度；λf為空氣導熱系數；Qf為流體內熱源強度，此處Qf=0。下標i,j=1,2,3，其中j服從愛因斯坦求和運算符規則。

對于固體內部熱傳導，控制方程：

(6)

式中：λs為固體零部件對應材料的導熱系數；ρs為相應材料密度；Ts為固體材料溫度；c為固體材料比熱容；Qs為各零部件發熱功率。由于對象電機內有不同的材料，固體傳熱計算時按對應的材料選取物性參數。

由于固體內各點速度為0，因此式(6)左邊對溫度的偏導可以用全導替代，即：

(7)

這樣式(7)與式(5)具有相同的形式，流-固熱耦合方程可以采用同一求解器計算，當求解域位于固體內部時，強制速度為0即可。

綜上所述，進行電機冷卻計算時電磁發熱率采用非耦合方法直接計算，流-固熱耦合則基于物理方程耦合求解。采用這樣的處理方法，在計算難度和計算準確性間取得較好平衡。

1.2 計算模型

電機零部件表面結構形式多樣，流體在這些表面的換熱系數難以用公式準確給定；且封裝體上的冷媒流體的進出孔上的流量、溫度等物理量也無法事先確定。為了解決該問題，幾何建模時拓展音圈電機封裝體的外圍空間，用一足夠大的足夠大的圓柱體空間包圍電機，為了降低計算工作量，模型僅包含上述幾何體的1/4，根據對稱性質截面處采用對稱邊界處理。計算幾何模型如圖2所示。

圖2 計算模型幾何空間

如此創建的計算空間，將電機周圍的冷媒流體也包含在計算中，將擴展后的空間外圍看作無窮遠邊界，這樣就完全解決冷媒自然對流流量以及各固體表面上的對流換熱系數問題。試算結果表明，在3個方向上擴展大于電機相應尺寸的5倍時，封裝體表明溫度、進出封裝體冷媒流量的計算就可以得到穩定結果。

本文研究對象網格劃分中難度主要表現在尺度上。根據設計，線圈——永磁體間冷媒流動間隙僅為0.7mm，而封裝體尺度達600mm，差異如此之大的尺度，網格總數成為限制計算能否實施的關鍵。通過控制網格劃分參數，保證在冷媒流動間隙中至少保證4層網格，由于音圈電機內部冷媒屬于自然對流狀態，流動完全處在層流狀態。考慮到整個模型的計算規模，該網格密度尚可接受。計算表明該網格密度可以達到5.0×10-3的收斂精度。

1.3 定解條件

按照音圈電機電磁設計和計算，在其最高工況下主要發熱部件為永磁體，功率為180W，線圈發熱功率為7.5W。

求解時物性參數按照實際情況給定：冷媒介質參數分別設定為空氣和冷卻油；電機零部件分別用對應的材料物性參數給定。

在拓展的幾何區域外圍邊界，冷媒流體設定為無窮遠邊界條件，此處溫度邊界按照音圈電機工作環境設定為50℃；參考壓力設定為0.1MPa。

根據線圈和永磁體體積，及相應鐵耗和銅耗計算出它們單位體積發熱強度并加載到對應零件固體域上。

求解器采用ANSYS公司的CFX計算模塊。

2 計算結果及討論

2.1 空氣冷媒

對以空氣為冷媒介質的音圈電機冷卻進行了模擬，圖3給出了電機固體零部件部分溫度及其分布。從中可以看出，溫度最高區域集中在永磁體部分，最高溫度達196.7℃，線圈溫度也較高，總體溫度在170℃左右；封裝體溫度分布規律如下：其下端溫度較高，上部溫度低，特別是在上部段邊沿外圍區域，其溫度與環境溫度差別不大。

(a) 電機固體零件表面溫度分布

(b) 電機中間截面固體溫度分布

該電機采用了動音圈結構，音圈與周圍結構件緊密相連，熱量可以很好地通過自身和與其相連的部件表面傳遞到冷媒中，且其散熱強度也很低，因而線圈溫度較低。而永磁體部分則為獨立懸臂結構，僅在上部與其它零件連接，與線圈相比能夠借助于其他部件散熱的能力弱，形成了電機中溫度最高的部件。

由于工作時線圈，特別是永磁體溫度與其制造成本、壽命和運行可靠性密切相關[8-9]，按照上述模擬結果，這兩個部件上如此高的溫度會給實際生產中帶來很多問題，因此有必要采取其他必要措施。

空氣導熱系數小、比熱容低，作為冷媒冷卻能力有限，液態冷媒的導熱系數、比熱容都遠高于空氣，采用液態冷媒是解決該電機遇到問題的一種自然選擇。

2.2 冷卻油冷媒

采用與上述計算完全相同的網格，以冷卻油替代計算模型中冷卻媒質對電機冷卻進行了重新計算，計算中線圈和永磁體的發熱強度、拓展幾何體的流體邊界溫度和流體域參考壓力均保持不變，電機固體零部件部分溫度及其分布如圖4所示。

(a) 電機固體零件表面溫度分布

(b) 電機中間截面固體溫度分布

從計算結果可以看出，當電機采用冷卻油作為冷媒介質時，相同負荷條件下電機內最高溫度顯著下降，永磁體上最高溫度為57.4℃，線圈上的溫度在55.1℃，因此采用冷卻油冷媒介質后，電機冷卻性能可以得到大幅提高，完全滿足實際使用要求。

2.3 討論

鑒于音圈電機結構和使用特點，通常情況下對其進行強制對流冷卻，不但結構復雜，還可能給控制系統引入電磁干擾信號。由于自然冷卻不需要附加其他通風設備，簡便易行，對冷卻要求較低的音圈電機是種理想選擇。

從上面計算可以看出，對于本文研究對象，當以空氣作為冷媒時電機最高溫度出現在永磁體上，數值達196.7℃，遠高于電機所用釹鐵硼永磁體的許用溫度，需要選用成本高的高溫永磁材料。而采用冷卻油作為冷媒后，電機最高溫度點的位置未變，但降至57.4 ℃，且包含電機封裝體的溫度都不高。

從傳熱角度而言，液體冷卻油自然對流換熱能力遠高于空氣，因而用冷卻油替代空氣作為冷媒介質后，可以顯著降低音圈電機內部溫度。另外從自然對流換熱基本要求出發，在電機內部和封裝體上冷媒孔也是必要的。自然對流冷卻是通過加熱冷媒流體在其內部產生溫度差，并導致密度產生差異。在重力和密度差共同作用下流體發生流動，增強熱量的傳遞，因此為了提高傳熱效果，冷媒流體需要一個通常的流動通道。因此，電機底部冷媒孔(參見圖1)是冷媒從底部流入永磁體所在空間、帶走熱量的便利通道，對提高自然對流冷卻效果、降低永磁體溫度起到了很大作用。

3 結 語

本文以采用自然對流冷卻的某音圈電機為例，采用流-固熱耦合求解方法計算了空氣和冷卻油冷媒對電機的冷卻效果，并分析了電機內部結構對冷卻的影響，可得出如下結論：

1) 對于采用自然對流冷卻的音圈電機，工作時最高溫度出現在永磁體上。在最大工況下工作時，以空氣為冷媒最高溫度可達196.7℃，這對電機成本、使用壽命和工作安全性都提出了挑戰。

2) 用冷卻油替代空氣作為冷媒后，可以顯著降低音圈電機永磁體上的溫度，在現有技術條件下，該冷卻方法完全可以滿足電機在運行中的冷卻要求。

3) 基于自然對流冷卻原理，進行自然對流冷卻電機時，結構設計時須預留合理的冷媒流通通道。

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StudyonNaturalConvectionCoolingforVoiceCoilMotor

ZHOU Pu1,ZHONG Yan1,DAI Xue-chang1,ZHANG Yi1,WU Wei-liang2

(1.No.704ResearchInstitute,CSIC,Shanghai200031,China;2.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Withsmallsize,lightweight,rapidresponsetospeedandaccelerationtheseadvantages,thevoicecoilmotorsarewidelyusedinavarietyoftheservo-controlsystem.Becauseofthecompactstructureofthevoicecoilmotor,itismoredifficultforitscooling.Coolingtechniquesbecomethekeyrestrainingfactorforreducingproductioncostandincreasingtheservicelifeofthemotoratsomespecialconditions.Basedonthefluid-solidheatcoupledmethod,itwasinvestigatedtheconjugateheattransferinavoicecoilmotor,whichiscooledbyair/oilnatural-convectionheattransfer.Itwasindicatedthatthemaximumtemperatureinthemotorcanbesignificantreducedbytakingtheoilasthecoolingmedium.Itwillbebenefitedfromusingoilascoolingmediumtheproductioncosttoreduceandlifetoincreaseaswellasreliabilitytoimproveforvoicecoilmotor.

voicecoilmotor;electricmotorcooling;conjugateheattransfer;natural-convectionheattransfer

2016-07-09

TM

A

1004-7018(2017)01-0026-04