高功率密度電機的熱仿真分析

駱 苗，王洪武，張東寧，宋劍橋

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

高功率密度電機具有質量輕、體積小、效率高等特點，近年來受到了廣泛的應用，尤其在電動汽車、航空航天、潛艇等特殊應用領域[1]。由于高功率密度的特點，也導致了該種類電機產生的熱量較高。電機的性能受到溫度的影響，其中最為顯著的影響在于對電機絕緣材料的影響。要確保高功率密度電機的有效可靠運行，就必須保證電機具有足夠的散熱能力，研究難點在于發熱和散熱問題[2]。

高功率密度電機的熱量產生原因復雜，包括定子銅耗、定子鐵耗、轉子鐵耗、機械損耗等。發熱過度會導致磁鋼局部失磁、鐵心局部過熱等影響安全性的因素，因此必須進行熱仿真分析研究。通過FloEFD軟件對電機進行熱仿真分析，根據仿真結果優化電機結構，提高電機的散熱能力，避免局部過熱，這對延長電機壽命、提高電機可靠性、減輕冷卻系統壓力都有重要意義。

1 電機結構與熱仿真建模

永磁同步電機及其驅動組件系統作為高空飛行器的主要動力元件，必須使飛行器在不同溫度、氣壓及風力環境下均能保持良好的驅動控制能力。以某型號高空飛行器螺旋槳驅動電機為例，將電機與減速器實行一體化設計，以滿足電機高功率密度的要求，并且合理地設計電機的外形結構尺寸，確保電機在高空低溫低氣壓的條件下，具有良好的散熱能力[3]。利用Inventor軟件進行電機3D建模，其結構如圖1所示，此結構為經FloEFD熱仿真軟件優化后的電機結構。

圖1 電機三維結構圖

本文采用三維熱仿真軟件FloEFD對電機散熱情況進行仿真分析，仿真參數按照電機處于高空環境中的額定運行狀態進行設定，通過分析比較仿真結果，對電機外殼散熱筋的結構尺寸進行調整，進而不斷優化電機組件的散熱能力。

FloEFD是通用流體傳熱分析軟件，它基于有限體積法開發。將建立好的三維模型導入FloEFD軟件中，進行固體材料屬性、流體屬性、初始及環境溫度、環境氣壓、邊界條件、溫度監測點等設置，最終進行求解分析。電機是由定轉子、機殼、端蓋等組成的復雜機械裝配體，考慮到機械尺寸較小的零部件對電機溫度影響較小，在進行熱仿真分析時對其進行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對電機仿真模型進行了簡化處理：忽略螺釘、墊片等零件；忽略倒角、退刀槽等；忽略輻射的影響[4]；對定子繞組與沖片進行了等效處理，將其等效為均質材料。

通過電機電磁計算，該型號高空飛行器驅動電機在額定功率運行時發熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設定為發熱源，并定義發熱量為1 600 W，對電機進行熱仿真分析。

2 三維熱場仿真

針對高空環境下電機周圍實際的氣壓、溫度、風速等環境因素，項目組聯合北京航空航天大學特種電機研究中心進行電機實際運行環境的仿真分析，根據對方給出數據，項目組選擇6組相對有代表性的環境因素對該電機進行熱分析計算，6種環境工況如表1所示。

表1 電機熱仿真六種工況

通過軟件對電機模型進行簡化、分解等系列處理，著重分析電機定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計算結果如下。

1)電機在地面運行時的分析結果

對不帶散熱器的電機與帶散熱器的電機2種情況進行熱仿真分析。對幾組不同散熱筋尺寸的電機進行仿真，結合電機質量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結構。

(a) 不帶散熱器的電機仿真結果

不帶散熱器的電機仿真結果如圖2所示。

圖2 不帶散熱器的電機溫度分布曲線與云圖

(b) 帶散熱器的電機仿真結果

由圖2熱仿真結果可以看出，不帶散熱器的電機散熱效果差，定子溫度達到了200 ℃以上。電機設計時磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運行在150 ℃設計，該電機無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設計一款合理的散熱器。

通過對幾組不同尺寸的散熱器進行熱仿真分析，確定電機前端蓋加上長度為35 mm的散熱筋后，可以有效提高電機散熱能力，且質量與體積都符合要求，電機溫度分布曲線如圖3所示，定子溫度為99 ℃，前端蓋溫度為71 ℃，后端蓋溫度為65 ℃，達到了預期的散熱要求。

圖3 帶散熱器的電機溫度分布曲線與云圖

2)電機處于高度3 km，風速5 m/s時的運行分析結果

3 km高度，5 m/s風速下的電機溫度分布曲線如圖4所示。

圖4 高度3 km，風速5 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

3)電機處于高度3 km,風速10 m/s時的熱仿真情況

3 km高度，10 m/s風速下的電機溫度仿真結果如圖5所示。

圖5 高度3 km,風速10 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

4)電機處于高度6 km,風速5 m/s的熱仿真情況

6 km高度，5 m/s風速下的熱仿真結果如圖6所示。

圖6 高度6 km,風速5 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

5)電機處于高度6 km,風速10 m/s時的熱仿真情況

6 km高度，10 m/s風速下的熱仿真結果如圖7所示。

圖7 高度6 km,風速10 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

6)電機處于高度6 km,風速15 m/s時的熱仿真情況

6 km高度，15 m/s風速下的熱仿真結果如圖8所示。

圖8 高度6 km,風速15 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

對比圖4～圖8可以看出，當高空飛行器驅動電機位于同樣高度，即環境溫度與氣壓相同時，風速越高，越有利于電機散熱，即定子溫度與機殼溫度都越低。而在同樣的風速條件下，高度越高，越不利于電機散熱，即定子溫度與機殼溫度都越高。

3 仿真結果分析

通過分析對比電機在6種工況下的熱仿真溫度分布曲線與云圖，機殼與前后端蓋的溫度低于定子繞組的溫度，待整體溫度達到穩定狀態后，定子溫度、前端蓋溫度、后端蓋溫度如表2所示。

電機設計時磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運行150 ℃設計，根據計算值留有設計余量，符合電機溫升需求，滿足電機穩定運行的要求。

表2 6種工況下電機定子、前端蓋、后端蓋溫度表

4 結 語

本文利用FloEFD軟件對某高空飛行器螺旋槳驅動電機進行了熱仿真分析，根據仿真結果對電機結構進行了改進，優化了電機散熱性能，為電機在不同環境下的穩定運行提供了有效的仿真數據，縮短了電機研制周期，降低了研發成本。