某永磁直驅(qū)電機溫度場仿真分析及其優(yōu)化

李會蘭，周立安，晏才松，豐 帆

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001）

繞組溫度過高，絕緣的使用壽命會變短，甚至可能導(dǎo)致絕緣失效。對于永磁電機，永磁體溫度過高還會發(fā)生不可逆退磁。因而永磁電機的溫升計算和方案優(yōu)化尤為重要。常見的電機溫升計算方法有簡化公式法，等效熱路法和數(shù)值方法[1]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究者傾向于利用數(shù)值方法了解電機內(nèi)詳細(xì)的溫度分布，為冷卻結(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)化提供依據(jù)[2-3]。

文章以一款機車用大功率永磁直驅(qū)電機為研究對象，基于計算流體動力學(xué)原理，對電機額定工況下電機溫度場進行仿真分析，分析溫度分布特點和關(guān)鍵部件溫升，并根據(jù)仿真結(jié)果提出優(yōu)化方案，為后續(xù)電機溫升優(yōu)化提供參考。

1 電機冷卻結(jié)構(gòu)介紹

為了保證永磁體工作環(huán)境的清潔，永磁電機基本采用全封閉結(jié)構(gòu)。文章研究的永磁直驅(qū)電機工作在低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)間，定子繞組電流大、銅耗較大，定轉(zhuǎn)子鐵耗和永磁體渦流損耗相對較少。如何在全封閉結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)繞組的良好散熱是電機選擇冷卻方式的關(guān)鍵因素。

全封閉冷卻系統(tǒng)可以分為自通風(fēng)、強迫通風(fēng)以及機座水冷結(jié)構(gòu)。自通風(fēng)結(jié)構(gòu)采用與電機同軸的風(fēng)扇，低轉(zhuǎn)速時風(fēng)量小，冷卻效果差，因此永磁直驅(qū)電機常常采用強迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)和機座水冷結(jié)構(gòu)。空氣冷卻效果相對較差，因此強迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)一般用于功率密度較低，發(fā)熱因素較低的電機。文章研究的永磁直驅(qū)電機功率密度較高，安裝空間比較有限，如果采用強迫通風(fēng)方式，一般采用軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，在鐵芯處布置通風(fēng)孔；冷卻風(fēng)沿軸向吸熱升溫，散熱能力變差，出風(fēng)端部件溫度高，電機軸向溫差大，出風(fēng)端處的軸承溫度通常較高；此外，機車運行環(huán)境較差，冷卻風(fēng)雖然經(jīng)過過濾，但是仍然可能夾帶一些金屬粉末，在磁場作用下，粉末附著在軸向風(fēng)道中，使得電機冷卻效果下降，甚至可能堵塞風(fēng)道。和強迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)相比，水的比熱容約為空氣的4.2 倍，冷卻能力更好且更穩(wěn)定，電機結(jié)構(gòu)更加緊湊，因此文章研究的直驅(qū)電機采用全封閉機座水冷結(jié)構(gòu)。本文研究的電機參數(shù)見表1。

表1 電機參數(shù)

永磁電機采用全封閉結(jié)構(gòu)，軸承和轉(zhuǎn)子位于電機內(nèi)部，散熱相對困難。針對這一問題，文章研究的電機采用空心軸結(jié)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)子向轉(zhuǎn)軸傳熱的導(dǎo)熱熱阻，在轉(zhuǎn)軸和端蓋處布置通風(fēng)孔，增大端蓋和轉(zhuǎn)軸的散熱面積，強化與電機外部空氣的換熱；通過在端蓋與轉(zhuǎn)子壓圈間布置隔板，實現(xiàn)了永磁體工作環(huán)境的全封閉，電機初步方案結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 電機初步方案結(jié)構(gòu)示意圖

2 計算域介紹

電機結(jié)構(gòu)不具有對稱性和周期性，因此建立電機的整機模型，包括定子繞組、定轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、端蓋和轉(zhuǎn)軸等。端蓋和轉(zhuǎn)軸壁面的對流換熱系數(shù)難以給定，因此電機的外流場也作為計算域的一部分。外流場的選取應(yīng)足夠大，文章取車輪直徑為外流場的高度，兩車輪間的距離為外流場的長度，2倍的車輪直徑為外流場的寬度。電機位于外流場的中心，電機軸向方向與計算域長度方向一致。外流場寬度方向的兩個側(cè)面分別為壓力入口和壓力出口，其他側(cè)面為恒溫壁面，壁面溫度與環(huán)境溫度相同，設(shè)為40℃。計算域模型見圖2。

圖2 計算域模型

3 求解條件

采用商用CFD 軟件Fluent 對電機整機三維溫度場仿真計算。在多重參考坐標(biāo)系下，建立流動與傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程，包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。機殼內(nèi)的水處于湍流狀態(tài)，控制方程還有湍流模型，文章選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型。

電機穩(wěn)態(tài)溫度場求解還需給定以下邊界：

（1）進水口設(shè)為速度入口邊界，水流量為100L/min，進口水溫為40℃；出水口為壓力出口邊界，壓力大小為表壓0Pa。

（2）給定固體部件和空氣的熱物性參數(shù)，包括密度，定壓比熱，熱導(dǎo)率，流體還需要給出動力粘度。

（3）損耗按照體平均的方法加載在發(fā)熱部件上。電機損耗值見表2。

表2 電機損耗（kW）

4 計算結(jié)果分析

4.1 初步方案溫升計算結(jié)果分析

表3 給出了仿真計算的關(guān)鍵部件溫升。繞組平均溫升為142K，最高溫升為175K，電機采用200 級絕緣，繞組溫升低于允許的溫升限值。永磁體的最高溫升為148K，最高溫度為188℃，小于釤鈷永磁體允許的最高溫度。固定端和浮動端軸承最高溫升為46K，小于客戶要求的55K。綜合關(guān)鍵部件溫升仿真結(jié)果，部件溫升符合設(shè)計要求。

表3 關(guān)鍵部件溫升

圖3 和圖4 分別給出了電機整機和軸向截面溫度分布云圖。繞組直段的熱量通過定子鐵芯傳給機殼，散熱較好，繞組端部的熱量主要沿軸向傳導(dǎo)至繞組直段，再由機殼內(nèi)的水帶走，傳熱路徑較長，散熱相對較差。因而呈現(xiàn)繞組直段溫度較低，繞組端部溫度較高，靠近機殼的下層繞組溫度較低的分布特點。與定子部件相比，轉(zhuǎn)子部件損耗較小，但轉(zhuǎn)子部件位于電機內(nèi)部，轉(zhuǎn)子的熱量一部分通過氣隙傳給定子鐵芯，再由機殼內(nèi)的水帶走，一部分傳給轉(zhuǎn)子壓圈，與繞組端部附近的空氣換熱，其余熱量傳導(dǎo)給轉(zhuǎn)軸，再由外界空氣帶走，轉(zhuǎn)子散熱環(huán)境較差。轉(zhuǎn)子溫度在150～188℃范圍內(nèi)，軸向溫度分布呈現(xiàn)中間高兩端低的特點。

圖3 電機整機溫度分布云圖

圖4 電機整機軸向溫度分布云圖

根據(jù)仿真結(jié)果可知，電機初步方案的軸承溫升安全余量較小。綜合電機溫度分布特點和傳熱路徑，提出兩種優(yōu)化方案：方案A：繞組端部灌封，減小繞組向機殼傳遞熱量的熱阻，降低繞組端部溫度，減少繞組向軸承傳遞的熱量。方案B：端蓋布置水路，強化軸承散熱。

4.2 繞組端部灌封對電機溫升影響分析

文章研究的電機未灌封時，繞組端部向機殼傳遞熱量的主要熱阻有繞組表面對流傳熱熱阻和空氣的導(dǎo)熱熱阻。由導(dǎo)熱熱阻定義可知，可以通過增大材料的熱導(dǎo)率減小導(dǎo)熱熱阻。灌封膠熱導(dǎo)率是空氣的幾十倍。繞組端部灌封后，繞組端部與機殼間的導(dǎo)熱熱阻減小，但同時增大了繞組表面對流傳熱熱阻。繞組端部灌封后是否可以降低繞組溫度，進而減少傳遞給軸承的熱量，取決于灌封后導(dǎo)熱熱阻的減小程度和繞組表面對流傳熱熱阻增大程度的相對大小[4]。部分電機通過端部繞組灌封降低了繞組溫升[5-6]。

圖5 給出繞組端部灌封示意圖。電機灌封前后的部件溫升對比見表4。根據(jù)仿真結(jié)果，采用熱導(dǎo)率為1.6W/（m.K）的灌封膠對定子端部灌封后，繞組最高溫升降低28K，繞組平均溫升降低16K，灌封可作為該電機繞組溫升優(yōu)化的措施；定子溫度降低，定轉(zhuǎn)子部件換熱溫差變大，轉(zhuǎn)子散熱條件變好，永磁體溫升降低3K；繞組溫度降低，繞組向軸承傳遞的熱量減少，軸承溫升略有降低，其中浮動端軸承溫升降低1K，固定端軸承溫升降低6K。與浮動端軸承相比，固定端軸承溫升降低較多，這是因為繞組并頭在固定端側(cè)，固定端側(cè)的繞組端部與隔板間的空氣區(qū)域較大，傳熱路徑較長，繞組向固定端軸承傳遞的熱量更少。

圖5 繞組端部灌封示意圖

表4 灌封前后溫升對比（K）

固定端軸承平均溫升 -6浮動端軸承最高溫升 -1454346374544浮動端軸承平均溫升 -1

圖6 給出了繞組端部灌封后電機軸向溫度分布云圖。繞組端部灌封后電機溫度分布特點不變，電機最高溫度仍位于繞組端部，最高溫度為187℃。

圖6 灌封后電機整機軸向溫度分布云圖

4.3 端蓋布置水路對電機溫升影響分析

電機振動可能導(dǎo)致隔板與轉(zhuǎn)子壓圈發(fā)生刮擦，因而改為在端蓋上布置隔板，同時轉(zhuǎn)軸不再布置通風(fēng)孔以保證永磁體處于全封閉環(huán)境。與初步方案相比，端蓋和轉(zhuǎn)軸與電機外部空氣換熱的面積減少，預(yù)測軸承溫升將升高。通過端蓋布置水路，強化軸承散熱。

表5 給出端蓋布置水路后的部件溫升變化。端蓋布置水路后，繞組溫升略有降低，約3K；隔板布置在端蓋上，轉(zhuǎn)子部件與電機外部空氣換熱的面積減少，永磁體最高溫升升高18K，永磁體最高溫度206℃，永磁體溫度的安全余量仍較大；固定端軸承最高溫升降低22K，浮動端軸承最高溫升降低13K。對比三個方案的溫升仿真結(jié)果，端蓋布置水路的方案B 作為最終方案，并進行樣機試制和試驗。

表5 端蓋布置水路后溫升變化（K）

圖7 給出了端蓋布置水路后電機軸向截面溫度分布云圖。端蓋布置水路后，端蓋和轉(zhuǎn)軸兩端的溫度較低，在42～76℃范圍內(nèi)。電機最高溫度仍位于繞組端部，最高溫度為212℃。

圖7 端蓋布置水路后電機整機軸向溫度分布云圖

5 樣機試驗驗證

樣機進行了額定工況的溫升試驗，電阻法測得繞組平均溫升為129K，PT100 測得繞組最高溫升為174K。文章仿真得到的繞組平均溫升為140K，最高溫升為172K，與試驗值的誤差絕對值均在10%以內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)一致性較好。

6 結(jié) 論

通過仿真分析某型永磁直驅(qū)電機溫度場，得到以下結(jié)論：

（1）文章研究的永磁直驅(qū)電機采用全封閉水冷結(jié)構(gòu)，繞組溫度呈現(xiàn)繞組端部溫度較高，繞組直段溫度較低，靠近機殼的下層繞組溫度較低的分布特點；轉(zhuǎn)子軸向溫度呈現(xiàn)中間高兩端低的分布特點。

（2）永磁直驅(qū)電機轉(zhuǎn)子壓圈平滑且轉(zhuǎn)速較低，對繞組端部附近空氣的擾動較小，繞組端部表面對流換熱系數(shù)較小。采用熱導(dǎo)率為1．6W/(m．K)的灌封膠灌封后，繞組最高溫升降低28K。繞組端部灌封可作為后期電機繞組溫升優(yōu)化的措施。

（3）端蓋布置水路，強化了軸承散熱，軸承溫升降低明顯。

（4）電機關(guān)鍵部件溫升滿足電機設(shè)計要求。仿真的繞組最高溫升為172K，繞組平均溫升為140K，與試驗值的誤差絕對值在10%以內(nèi)，在工程允許誤差范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)一致性較好。