高速水冷永磁電機冷卻系統分析*

佟文明，程雪斌(沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心，遼寧沈陽　110870)

?

高速水冷永磁電機冷卻系統分析*

佟文明，程雪斌
(沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心，遼寧沈陽110870)

摘要:為了研究水冷系統對高速永磁電機冷卻效果的影響，基于計算流體動力學(CFD)以及數值傳熱學理論，利用有限體積法對常用的軸向“Z”字型和周向螺旋型水冷系統進行詳細分析，得到了水冷系統的流速、流阻及溫度分布。在采用螺旋型水冷結構的基礎上，對電機的流體場和溫度場進行計算，分析了水道數、水道寬度、冷卻水速及冷卻水溫對電機溫升的影響。為高速電機水冷系統的設計與熱分析提供參考。

關鍵詞:高速永磁電機;計算流動力學;水冷系統;流固耦合

程雪斌(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為高速永磁電機冷卻系統設計與流固耦合分析。

0　引言

高速永磁同步電機具有功率密度大、效率高、可直接與原動機或負載相連等優點，廣泛應用于高速機床、高速離心壓縮機、鼓風機等領域［1］，但是由于其功率密度較高，單位體積損耗大，加之高速運行時的空氣摩擦損耗，且轉子散熱條件差，容易造成轉子局部高溫，嚴重時可能造成永磁體不可逆退磁［2］，從而影響電機安全運行。因此，對冷卻系統內的流體流動與傳熱進行有效分析，合理設計冷卻系統，對電機安全運行具有十分重要的意義。

目前已有許多專家學者針對電機的冷卻結構及其冷卻介質的流動特性進行過研究。文獻［3］對一臺高功率密度電機設計了定子外雙螺旋紋循環冷卻系統，同時利用熱網絡法對電機的定子溫升進行了計算，試驗結果表明該冷卻系統滿足了溫升要求;文獻［4］設計了雙向螺旋冷卻水道結構，進行了三維流體場和溫度場計算，研究了不同熱源、不同入口水流量對其溫度分布的影響，有效地提高了散熱效率;文獻［5］應用ANSYS CFX軟件對采用螺旋型水冷系統的高速電主軸在不同冷卻水流量、工況、環境溫度條件下的溫升進行了對比分析;文獻［6］基于傳熱學及流體力學理論推導了水冷電機的冷卻水流速與電機內部溫度的關系，并建立其熱網絡模型研究了不同冷卻水流速對電機各部分溫升的影響;文獻［7］設計了一種高效率并聯“V”型水冷結構，并運用有限體積法對水冷結構內部的流體流動和電機的溫升進行了計算分析，同時研究了水冷翅片的高度及進水流量對溫度場分布的影響;文獻［8］針對一臺兆瓦級高速永磁電機采用了風冷與定子外水冷相結合的冷卻系統，其中風冷系統采用軸向與徑向相結合的⊥型混合通風方式，并采用FLUENT軟件計算了通風系統內的流體分布。

本文以傳熱學及計算流體動力學相關理論為基礎，分別建立軸向“Z”字型和周向螺旋型水冷系統的物理模型，應用計算流動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)流固耦合詳細對比分析了其流速、流阻及溫度分布規律，并采用螺旋型水冷結構作為此高速電機的水冷方式，在此基礎上，計算了電機的流體場和溫度場分布，同時分析了水道數、水道寬度、冷卻水速、冷卻水溫對電機溫升的影響，為高速電機水冷系統的選取及熱分析提供參考。

1　水冷系統物理模型

本文研究的高速永磁電機為全封閉水冷電機，在機殼內設有冷卻水道對電機進行散熱，電機基本設計參數如表1所示。

表1　15 kW高速永磁電機基本參數

根據冷卻水在機殼內的流向不同，通常可分為軸向“Z”字型和周向螺旋型兩種［9］，分別如圖1、圖2所示。

圖1　軸向“Z”字型結構

圖2　周向螺旋型結構

軸向“Z”字型水路中冷卻水流入水道后沿著平行分布的隔板在電機的軸向流動，進、出水口較容易設計在電機的同一端。周向螺旋型水路中冷卻水沿著機殼的圓周方向呈螺旋前進的方向流動，與機殼接觸面積大。本文根據高速電機的結構尺寸，建立了相同截面尺寸及散熱面積的軸向“Z”字型和周向螺旋型結構。

2　流固耦合傳熱數學模型

根據傳熱學原理，對于各向同性介質，水冷系統內的熱交換可用三維穩態導熱微分方程［10］表示:

式中:λ——求解域內各種介質的導熱系數，W/(m·K) ;

T——固體待求溫度，K;

q——熱源密度，W/m3;

α——對流散熱系數，W/(m2·K) ;

Tf——附近流體的溫度，K;

s1、s2——求解域中的絕熱面、散熱面。

水冷系統內流體流動同時滿足質量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律，由于水冷系統內水流速不大，可認為冷卻水是不可壓縮的流體，相應的三維流體通用控制方程［11］可表示為如下形式:

通用控制方程的展開形式為

式中: u——速度矢量;

u、v、w——速度在x、y、z方向上的分量;

φ——通用變量;

Γ——擴展系數;

ρ——流體密度;

S——源項。

為使水冷系統達到較好的冷卻效果，冷卻水的流動狀態應處于湍流狀態，故采用最廣泛的標準k－ε湍流模型。其控制方程［11］為

式中: G——平均速度梯度引起的湍動能k;

σk、σε——湍動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特數的倒數;

ut——湍流粘性系數; C1ε、C2ε——經驗常數。

3　水冷系統流固耦合計算

由于研究重點是水冷系統內的流體流動與傳熱特性，為簡化求解過程，其基本假設與邊界條件如下:

(1)電機總損耗作為熱源施加于機殼內壁面，并假設熱源均勻分布于內壁面上，全部損耗均轉化為熱量，被冷卻水強迫對流帶走;

(2)認為水冷系統內各介質的物理特性參數不隨溫度變化;

(3)入口邊界條件采用速度入口，入口水速為1.2 m/s，出口邊界條件采用壓力出口，出口壓力為1個標準大氣壓，初始水溫和環境溫度設為300 K;

(4)流體與固體接觸面均為無滑移壁面。

3.1流體場分析

根據以上假設及邊界條件，求解出水冷系統內的流速、流阻及溫度場分布，圖3、圖4分別為軸向型和周向螺旋型水路的流速分布及流阻分布圖。

圖3　軸向“Z”字型結構

從圖3、圖4中可以看出，軸向型水路中冷卻水的流速分布并非完全均勻，平均流速為1.05 m/s，由于水路中存在較多直角轉彎，流動方向發生急劇變化，導致水流在拐角處的流速相對較大，同時水流往復循環通過轉彎處次數較多，導致水路中的流阻為2.27 kPa。周向螺旋水路比較平滑，水流整體比較平緩，冷卻水沿著螺旋方向作圓周前進流動，流速分布比較均勻，平均流速為1.05 m/s，冷卻水流過水路時流阻為9.68 kPa。

3.2溫度場分析

圖5、圖6分別為軸向“Z”字型和周向螺旋型水冷結構的溫度分布云圖。從圖5、圖6可以看出，軸向“Z”型水路中沿軸向的溫度分布較均勻，而周向螺旋型上從入水口至出水口，軸向水道之間的溫度逐漸升高，冷卻水平均溫升為0.9 K。從入水口開始，周向螺旋型水路溫度沿著水流螺旋方向逐漸升高，且均勻變化，直至出水口處溫度達到最大，冷卻水平均溫升也為0.9 K。對于機殼，螺旋水路段及軸向水路段對應的機殼區域溫度變化趨勢與水路溫度變化基本一致，溫度較低，而未被水路覆蓋的機殼兩端區域由于冷卻效果差，導致溫度相對較高。

圖4　周向螺旋型結構

圖5　軸向“Z”字型結構

圖6　周向螺旋型結構

從溫度場分布來看，軸向“Z”字型和周向螺旋型水路的最高溫度值很接近，冷卻效果均較好，但軸向型水路流阻較大，消耗泵的功率會增加。針對本文所研究的高速電機，鐵心長度與定子鐵心外徑之比不大，同時考慮到軸向水冷結構加工復雜耗時，最后選擇螺旋型水冷結構更適合此高速永磁電機。

4　水冷高速永磁電機流固耦合分析

在采用螺旋型水冷結構基礎上，考慮到計算時間及計算機硬件的要求，選取電機圓周1/4區域為研究對象，應用CFD流固耦合計算電機在冷卻水溫300 K、冷卻水流速1.2 m/s時的流體場和溫度場分布。

圖7為電機內空氣的三維流線圖。從圖7中可以看出，轉子高速旋轉時，機內空氣的流動情況十分復雜，求解域內空氣的最大流速為102.72 m/s，位于定轉子氣隙內，且氣隙流速沿軸向分布相對均勻，這是由于氣隙狹長，同時氣隙壁面對空氣流動的束縛作用，氣隙內空氣能以較高的速度沿著轉子高速旋轉的方向流動;當空氣進入體積相對較大的兩側端腔后，流速迅速減小。

圖7　電機內空氣三維流線圖

圖8為求解域的溫度分布云圖。從圖8中可以看出整體溫度分布基本沿軸向中心對稱，溫升最大值為91.9 K，位于永磁體中部。轉子區域溫升較高，平均溫升為86.6 K，而定子區域溫升較低，其中繞組最高溫升為46.9 K，位于繞組兩側端，且上層繞組溫升較下層繞組溫升高。這主要是由于定子與機殼緊密接觸，散熱條件好，使得定子區域產生的熱量能較好地被水道內冷卻水帶走，而由于端腔空氣流動性能較差，且轉子位于電機內部，散熱條件較差，導致溫升較高。

圖8　求解域溫度分布云圖

5　影響電機溫升的相關因素

根據牛頓冷卻定律［12］描述物體對流換熱過程:

式中:Φ——對流換熱的熱流量，W;

α——對流換熱系數，W/(m2·K) ;

ΔT——流體與固體壁面間溫差，K;

A——對流換熱面積，m2。

由式(6)可知，對流換熱熱系數α、流體與固體壁面間溫差ΔT及對流換熱面積A均會直接影響對流換熱量，而對流換熱系數和對流換熱面積與冷卻水的流動狀態、水道數及截面尺寸等有關。

5.1水道數對電機溫升的影響

保持水道截面積及其他條件不變，改變水道數，可得到不同水道數下電機各部件的溫升值，繞組、永磁體、轉子鐵心的平均溫升隨水道數變化的關系曲線，如圖9所示。從圖9中可以看出，水道數的增加，電機各部件溫升均在降低，但下降的幅度越來越小，由于水道數增多，水路流阻會越來越大，所需水泵功率也增大，且水道加工越耗時，綜合考慮電機散熱、水道加工時間及水泵功率，水道數不宜過多。

圖9　各部件平均溫升與水道數變化關系

5.2水道寬度對電機溫升的影響

高速電機由于安裝空間有限，使得機殼徑向尺寸受限，導致水道高度變化程度不大，因此可以通過改變水道寬度來改善其冷卻效果。保持水道高度7 mm及其他結構尺寸不變，分別計算了水道寬度為9 mm、12 mm、15 mm、18 mm時的溫度場分布，可得到不同水道寬度下電機各部件的溫升值，如圖10所示。從圖10中可以看出適當增加水道寬度，增加對流散熱面積，可有效增強冷卻效果，降低各部件的溫度。

圖10　各部件平均溫升與水道寬度變化關系

5.3冷卻水速對電機溫升的影響

下面在截面尺寸為7 mm×15 mm時，分析不同冷卻水速和冷卻水初溫對電機溫升的影響。

冷卻水速是影響電機溫升的重要因素，保持其他條件不變，改變入口水速，可得不同冷卻水速下電機各部件的溫升值，永磁體、轉子鐵心的平均溫升隨入口水速變化的關系曲線，如圖11所示。從圖11中可知，隨著水速的增加，電機各部件溫升均逐漸降低，當水速增大到1 m/s，即冷卻水已充分處于湍流狀態時，各部件溫升變化緩慢趨于穩定，出現了熱飽和區。考慮到水速增大要增加水泵功率，出于節能的考慮，并不是水流速越大，冷卻效果越好，實際應用中應選擇合理的水速。

圖11　永磁體、轉子鐵心溫升與水速變化關系

5.4冷卻水初始溫度對電機溫升的影響

在同樣條件下，分析冷卻水初溫對電機溫升的影響。

冷卻水初始溫度不同也會對電機溫升產生影響，保持其他初始和邊界條件也不變，分別對初始水溫為10℃、15℃、20℃、30℃的求解域模型進行計算，得到不同初始水溫下電機各部件溫度值，繞組、永磁體、轉子鐵心的平均溫度隨冷卻水初溫變化的關系曲線，如圖12所示。從圖12中可以看出，冷卻水初始溫度對電機各部件溫度的影響很大，冷卻水初始溫度從10℃增加到30℃時，各部件的溫度幾乎是線性增加的，即冷卻水初始溫度每增加5 K時，繞組、永磁體、轉子鐵心的平均溫度約升高5 K。

圖12　永磁體、轉子鐵心溫度與冷卻水初溫變化關系

6　結語

本文應用CFD流固耦合詳細分析了軸向“Z”字型和周向螺旋型水冷系統，并在采用螺旋型水冷系統的基礎上，計算高速永磁電機的流體場和溫度場分布及不同邊界條件對電機溫升的影響，可得到如下結論: (1)電機長徑比不大時，軸向“Z”字型和周向螺旋型水冷系統的冷卻效果接近，但軸向型水路流阻較大，泵消耗功率也較大; (2)高速電機內氣隙空氣流速較大，而端腔空氣流動性較差，轉子散熱困難，導致轉子區域溫度較高，且遠大于定子區域溫度; (3)水道數、水道寬度及冷卻水速的增加，可以有效降低電機溫升，但當其達到一定程度，電機各部件溫升逐漸趨于穩定，冷卻水初始溫度對電機溫升影響較大。因此，可適當改變冷卻水溫降低電機溫升。

【參考文獻】

［1］王鳳翔.高速電機的設計特點及相關技術研究［J］.沈陽工業大學學報，2006，28(3) : 258-263.

［2］殷巧玉，李偉力，張曉晨.高速永磁發電機冷卻流道結構雙維度連續量子蟻群優化的溫度場計算［J］.中國電機工程學報，2011，31(36) : 77-85.

［3］王北社.定子外水冷卻高功率密度電機設計技術研究［D］.西安:西北工業大學，2007.

［4］CHIEN C H，JANG J Y.3-D numerical and experimental analysis of a built-in motorized high-speed spindle with helical water cooling channel［J］.Applied thermal engineering，2008，28(17) : 2327-2336.

［5］陳文華，賀青川，何強，等.高速點主軸水冷系統三維仿真與試驗分析［J］.中國機械工程，2010，21 (5) : 550-555.

［6］李翠萍，柴鳳.冷卻水流速對汽車水冷電機溫升影響研究［J］.電機與控制學報，2012，16(9) 1-8.

［7］和偉超，吳建華.電動汽車驅動電機水冷系統的設計及其溫度場分析［J］.輕工機械，2013，31(5) : 19-25.

［8］張鳳閣，杜光輝，王天煜，等.兆瓦級高速永磁電機通風系統設計與轉子表面風摩耗研究［J］.電機與控制學報，2014，18(2) : 50-55.

［9］梁培鑫，柴鳳，李翠萍，等.水冷電機水路設計的研究［J］.微電機，2013，46(5) : 1-4.

［10］陶文銓.數值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.

［11］王福軍.計算流體力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［12］魏永田，孟大偉，溫佳斌.電機內的熱交換［M］.北京:機械工業出版社，1998.

Cooling System Analysis of High-Speed Water Cooling Permanent Magnet Motor

TONG Wenming，CHENG Xuebin
(National Engineering Research Center for Rare-earth Permanent Magnet Machines，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

Abstract:In order to study the influence of water cooling system on cooling effect for high speed permanent magnet motor(HSPMM)，on the basis of computational fluid dynamics(CFD) and numerical heat transfer theory，the axial water channel of Z-type and circumferential spiral water channel were analyzed in details by finite volume method.The velocity distribution，flow resistance and temperature field distribution of water cooling system were obtained.Then the fluid and temperature field of HSPMM was calculated based on the adopted the spiral channel cooling system，and the influence of water channel number，water channel width，cooling water velocity，cooling water temperature on temperature rise of the water-cooled motor were analyzed.It provided reference for the water cooling system design and thermal analysis in high speed motor.

Key words:high speed permanent magnet motor; computational fluid dynamics(CFD) ; water cooling system; fluid-solid coupling

收稿日期:2015-09-02

作者簡介:佟文明(1984—)，男，博士，講師，碩士生導師，研究方向為特種電機及其控制。

*基金項目:國家自然科學基金(51307111) ;國家科技支撐計劃項目(2013BAE08B00) ;遼寧省教育廳科學技術研究項目(L2013049)

中圖分類號:TM 351

文獻標志碼:A

文章編號:1673-6540(2016) 03-0016-006