盤式無鐵心永磁發電機溫度場分析和冷卻方式研究

閆羽佳，趙錦成

(軍械工程學院，石家莊 050003)

0 引 言

盤式電機與傳統徑向磁通電機不同，也被稱為軸向磁通電機。這種電機體積小、功率密度高，已經成為電機領域的研究熱點。盤式無鐵心永磁發電機沒有定子鐵心，既減輕了電機質量，又消除了電機鐵耗，進一步提高了電機的功率密度和效率。但相對于徑向磁通電機，盤式電機散熱面積小，隨著電機功率密度的提升，電機內部溫度不斷升高。對于盤式無鐵心永磁電機來說，為了保證電機的可靠運行，一方面繞組溫升不能超過對應絕緣等級下耐熱性能的要求；另一方面永磁體溫升要保證不造成永磁體退磁[1-3]。

目前，國內外對于盤式無鐵心永磁電機的研究主要集中在電磁設計領域，而對溫度場的分析還比較少。為了保證電機運行的可靠性，驗證電磁設計的合理性，溫度場的分析十分必要[4-6]。本文以一款針對取力發電系統設計的盤式定子無鐵心永磁發電機為研究對象，以ANSYS Workbench仿真平臺為基礎，建立了電機三維溫度場仿真模型，分析了熱源分布和傳熱過程，計算了電機在自然散熱條件下的穩態溫度場分布情況，電機內部最高溫度點在繞組上，達到164.1 ℃。機殼散熱系數下降時，電機內部溫度進一步升高，難以滿足要求。通過引入機殼水冷結構，當冷卻水溫為40 ℃時，將繞組溫度最高點限制為104.9 ℃，有效改善了電機散熱狀況，并且明確了不同冷卻方式選擇的依據，為進一步的研究打下了基礎。

1 電機仿真計算模型

1.1 物理模型

本文所討論的電機為盤式永磁發電機，具有中間無鐵心定子和雙轉子結構，定子盤采用利茲線繞組澆灌環氧樹脂封裝而成，轉子磁極由90°Halbach陣列釹鐵硼永磁鐵構成，如圖1所示。

圖1 盤式無鐵心電機 結構示意圖 定子盤為三相繞組，電機主要尺寸如表1所示。表1 盤式無鐵心電機尺寸參數表

參數數值參數數值極對數16永磁體厚度dPM/mm6線圈數24永磁體內徑φPMi/mm160線圈匝數12永磁體外徑φPMo/mm280電樞盤厚度da/mm9端蓋厚度de/mm15單側氣隙長度δs/mm1機殼外徑φno/mm160轉子背鐵厚度hFe/mm6機殼內徑φni/mm145

1.2 數學模型

熱傳導方程[7]：

(1)

式中：λ為物體傳熱系數；T為物體溫度；Tf為環境溫度；q為單位體積發熱率；ρ為物體密度；c為物體比熱容；τ為時間；n為單位法向量；S1為絕熱邊界面；S2為散熱邊界面。

1.3 基本假設和邊界條件[8]

為簡化計算，節約計算時間，在不影響精度的前提下，根據電機的周期對稱性，取周向1/8長度進行分析計算，進行網格剖分后如圖所示2所示。

圖2 盤式無鐵心電機1/8模型剖分示意圖

基本假設如下：定轉子和機殼都看作均勻表面；物體導熱系數恒定不變；繞組當作實體建模，銅耗在繞組中均勻分布。

邊界條件如下：電機周向斷面為絕熱面，電機定轉子和機殼表面為對流換熱面，電機內部各部件交界面為傳導換熱面，機殼與外界流體為對流換熱面。

2 電機傳熱過程分析

傳熱的基本方式有熱傳導、熱對流和熱輻射3種。電機定子繞組產生的熱量傳導到定子盤后，一部分傳導到機殼上，再通過機殼對流換熱到外界環境中；另一部分直接通過對流換熱傳遞到機殼內部空氣中，最終也傳遞到外部環境中。

2.1 熱源分析

電機的熱源來源于損耗，所以損耗計算的精度直接影響了溫度場溫升計算的精度。定子無鐵心結構不會產生定子鐵心損耗，能夠產生損耗的部件有定子繞組銅耗、轉子鐵心損耗和永磁體損耗。由于磁場諧波畸變小，永磁體的渦流損耗和轉子鐵心損耗都很小，所以電機的損耗主要在定子繞組銅耗上，損耗的具體數值將通過仿真計算后得到。

2.2 導熱系數和對流換熱系數

電機各部分所采用的材料和導熱系數如表2所示。

表2 盤式無鐵心電機材料和熱參數表

由于轉子運動，氣隙中空氣隨轉子旋轉而流動，使定、轉子間的傳熱過程比較復雜，通常根據經驗公式，建立對流連接進行等效計算[9]。本文結合軟件的優勢，通過建立空氣域和加載轉子運動進行仿真分析。由于電機工作環境的不確定性，機殼外表面在自然條件下的對流散熱系數在10～20 W/(m2·K)之間，本文取值15 W/(m2·K)進行分析。

3 仿真結果與分析

3.1 電磁場仿真

電機工作在3 000 r/min的額定轉速下，經仿真計算后，電機氣隙磁密分布如圖3所示，其中圖3(a)為氣隙磁密三維向量分布圖，圖3(b)為氣隙截面磁密的二維分布圖。

(a)三維分布圖

(b)二維分布圖圖3 盤式無鐵心電機氣隙磁密示意圖

額定功率10 kW時，各部分損耗如表3所示。

表3 盤式無鐵心電機損耗表

可以看出，損耗主要集中在繞組上，與前文分析一致。

3.2 溫度場仿真

將仿真得到的損耗值作為熱源引入溫度場進行分析，得到機殼散熱系數為15 W/(m2·K)時溫度場分布情況，如圖4所示。

圖4 盤式無鐵心電機溫度場示意圖

可以看出，溫度最高的位置為定子盤，由于樹脂材料有多種牌號，耐熱性能選擇范圍較寬，所以主要需要考慮繞組和永磁體的溫升情況，如圖5所示。

(a) 繞組

(b) 永磁體圖5 盤式無鐵心電機溫度示意圖繞組和永磁體

繞組最高溫度達到164.1 ℃，能夠滿足H級絕緣180 ℃的溫升限制。永磁體最高溫度達到138.96 ℃，低于繞組最高溫度，由于選用的永磁體牌號為45UH,最高工作溫度也達到180 ℃，同樣能夠滿足要求?？梢钥闯?，只要繞組滿足溫升限制，電機就能夠穩定運行。隨著機殼表面散熱系數的變化，繞組最高溫度變化如圖6所示。

圖6 繞組最高溫度與機殼散熱系數關系圖

由圖6可以看出，當機殼表面散熱系數下降到12 W/(m2·K)時，繞組的最高溫度點溫度已經超過了所允許的180 ℃。也就是說，在電機散熱條件較差時，僅僅通過在空氣中的自然對流散熱已經不能滿足電機穩定運行的需求。

4 優化設計

為滿足復雜環境條件下的需求，增強電機的散熱能力，引入水冷系統。對于盤式電機而言，能夠采用埋設水冷管道的部位主要有端蓋，機殼和軸承，其中軸承水冷工藝復雜，使用較少[10]。由于本文盤式電機熱源集中在中間定子上，機殼水冷能夠縮短傳熱過程，所以本文采用結構較簡單、散熱高效的螺旋水道機殼水冷結構。水道截面為矩形，長20 mm，寬5 mm，水道結構如圖7所示。

圖7 水冷水道結構示意圖

由于機殼導熱系數較高，溫差較小，可以將機殼和電機內部溫度場分成兩部分進行計算。先在水冷機殼內加載等效熱源算得溫度場，再將機殼內壁平均溫度代入電機溫度場中進行計算。冷卻水溫40 ℃，水流速1 m/s，加載水冷后，得到機殼溫度如圖8所示。

圖8 機殼溫度場示意圖

機殼內壁平均溫度為41.65 ℃，帶入溫度場進行分析得到電機溫度場如圖9所示。

圖9 盤式無鐵心水冷電機溫度場示意圖

繞組溫度最高點為104.9 ℃，相比機殼散熱系數為15 W/(m2·K)時的自然冷卻方式，溫度降低了59.2 ℃，下降了36.08%，散熱情況改善顯著。但是，機殼水冷沒有改變電機內部結構，定子繞組相對其他部件依然溫升跨度較大，這一現象只能通過進一步改善電機內部結構或者采用散熱能力更好的材料來改善。

5 結 語

本文針對盤式定子無鐵心永磁電機，基于ANSYS Workbench仿真計算了電機的三維溫度場，分析了電機自然冷卻條件下各部件的溫度分布特性。通過仿真結果可以看出，盤式無鐵心電機熱源主要集中在定子繞組上，定子繞組的溫升大小是電機能否穩定運行的關鍵因素。通過引入機殼水冷結構，有效降低了電機的整體溫升，提高了電機的環境適應能力。

雖然盤式無鐵心電機的溫度場仿真分布基本滿足了預期要求，但是還有進一步優化的可能性和必要性。電機定子繞組散熱較差，相對其他部件溫度較高的特性較為明顯，將電機結構進一步優化后進行樣機的制作和實驗驗證，是下一步研究工作的重點內容。