基于丁胞水冷結構的高速永磁電機溫度場分析

陳進華 劉威 張馳 崔志琴 舒鑫東

摘要：針對高速永磁電機損耗密度高，散熱困難，易引起永磁體過熱而造成不可逆退磁問題，基于流體動力學及流固耦合理論，提出丁胞水冷結構的散熱方案，并對多種水冷方案在相同的條件下進行流體場比較分析，得出相應的溫度云圖、速度云圖和湍動能云圖。分析得出，丁胞結構產生水道渦流，破壞了水道的平穩流動，提高了散熱能力。最后，對散熱效果較好的上壁面球凸水道結構進行參數化分析，并對優化后的方案進行電機溫度場分析。丁胞水冷結構為解決高速永磁電機這類高功率密度電機的散熱問題提供一種新的思路。

關鍵詞：高速電機;丁胞;溫度場;流體動力學

DOI：10.15938/j.emc.2019.09.005

中圖分類號：TM 315

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）09-0035-08

Temperature field analysis of high?speed permanent magnet ?machine based on dimpled water?cooling structure

CHEN Jin?hua1，LIU Wei1，2，ZHANG Chi1，CUI Zhi?qin2，SHU Xin?dong1

（1.Laboratory of Robotics and Intelligent Manufacturing Equipment Technology of Zhejiang Province， Ningbo Institute of??Materials Technology and Engineering， Chinese Academy of Sciences，Ningbo 315201，China;

2.School of Mechanical and Electrical Engineering， North University of China， Taiyuan 030051，China）

Abstract：

For the problem that the high speed permanent magnet machine has high?loss density， and heat dissipation difficulty， it is easy to cause overheat and cause irreversible permanent magnet demagnetization. In this paper， based on the theory of hydrodynamics and fluid?solid coupling， the heat dissipation scheme of the dimpled water?cooled structure is proposed. The water temperature was analyzed under the same conditions， and the corresponding temperature cloud and turbulent energy cloud. Analysis shows that the structure of the small cell water vortex， destruction of the smooth flow of waterways， improve the cooling capacity. Finally， the parameter analysis of the upper squash spherical convex waterway structure with better heat dissipation was carried out， and the temperature range of the machine was analyzed. The dimpled water cooling structure is a new way to solve the heat dissipation problem of high power permanent magnet machine.

Keywords：high?speed magnet machine; dimpled; temperature field; hydrodynamics

0引言

高速永磁電機轉速高、體積小、功率密度高，其幾何尺寸遠小于輸出功率相同的中低速電機，可以有效地節約材料，但同時具有損耗密度高和散熱困難的缺點，因此合理的冷卻方案對該類電機的安全、高效運行至關重要 。高速電機冷卻系統一般包括外殼的水冷系統和內部的風冷系統，其中水冷方式由于效率高、噪音低等優點，被廣泛運用。

傳統高速電機外殼一般采用螺旋水道結構或直槽水道結構2種方式，較好的改善了電機的散熱效果。王曉遠分別采用了軸向型、周向型、螺旋型3種水冷方式對車用高功率密度電機進行溫度場分析，并通過實驗驗證了仿真的正確性。李偉力對一臺實驗樣機進行了三維溫度場仿真，并與實驗結果進行對比，證明了計算方法的正確性。程樹康研究了風冷、水冷周向螺旋槽及軸向直槽冷卻結構對微型電動車用電機溫升的影響，得出周向螺旋槽水路結構電機溫升稍低于軸向直槽冷卻結構。丁樹業對2.5 MW永磁風力發電機進行流體場仿真，得出發電機相關的流動特性、傳熱特性和發電機的溫升分布情況，并與實驗結果進行比較分析。路義萍針對屏蔽電機進行了三維溫度場分析，得到溫度分布情況，并分析了相關因素對電機溫升的影響。Siddique W 研究了3種基于丁胞結構的燃氣輪機葉片的冷卻，比較3種類型凹坑的傳熱能力。Murata A提出不同旋轉角度的淚珠狀丁胞結構冷卻方案，并通過瞬態紅外熱像儀進行驗證。Chang S數值研究比較了具有凹坑和不具有凹坑2種垂直翅片陣列的傳熱能力，通過有限元法對不同垂直翅片陣列的傳熱能力進行仿真分析。Vorayos N對14種波紋表面的散熱能力進行了研究，總結了凹坑間距對散熱能力的影響。張峰仿真分析丁胞平板的流動與換熱特性，通過改變丁胞的排列方式和位置，研究了換熱特性差異，并提出了改進優化后的丁胞結構。

目前，對于丁胞結構的研究主要集中在平面散熱矩形通道這一方面，但將丁胞流道用于電機圓形外殼的研究鮮有報道。針對以上問題，本文提出將丁胞結構流道應用于高速永磁電機的散熱中。本文基于流體動力學理論，在相同條件下設計了直槽水道系統和4種丁胞結構系統。同時通過ANSYS CFX軟件進行多種情況下的高速永磁電機溫度場仿真，并對丁胞流道進行了參數化分析。

1高速永磁電機

本文研究的40 kW高速永磁電機外殼采用機殼水冷的散熱方式。高速永磁電機的主要參數如表1所示。

根據高速永磁電機尺寸參數設計了常用的直槽結構水路，如圖1所示。直槽水冷結構為直槽道形式，流體從水道入口進入，沿著水道呈S形反復循環至水道出口流出，覆蓋住整個電機，保證了電機的散熱。該直槽水道共18個直槽，為了減少網格數量和計算時間，取其1/18作為研究對象，建立如圖2所示的高速永磁電機求解域模型。

2電機數學模型

2.1損耗計算

在有限元仿真軟件中，永磁電機的總損耗作為熱源進行有限元分析。其中電機總損耗包括鐵耗、摩擦損耗、定子銅耗、轉子銅耗和其他損耗組成，其表達式為

ploss=pFe+pac+pf+poth。（1）

式中：ploss為總損耗;pFe為鐵耗;pac為銅耗pf、poth分別為風摩耗和其他損耗。

2.2控制方程

高速永磁電機水冷系統內的熱交換符合三維穩態導熱微分方程：

λ2Tx2+2Ty2+2Tz2=-q，

Tns1=0，

-λTns2=α（T-Tf）。（2）

式中：λ為系統中介質的導熱系數，w/（m·k）;T為系統中固體的溫度，K;q為系統熱源密度，w/m3;α為系統的對流散熱系數，w/（m2·k）;Tf為周圍流體的溫度，K;s1、s2為系統中的絕熱面和散熱面。

黏性流體運動方程N-S方程可以準確地的描述流體的運動過程。所有黏性流體的運動分析都可視為是對該方程的研究

ρdudt=η2u-gradp+f。（3）

式中：公式左端為慣性力;η2u為表征粘性力;gradp為表征壓力;f為表征體積力。

2.3流體模型計算

對于異形管道，其雷諾數可以表示為

Re=ρudhη。（4）

式中：ρ為流體密度，kg/m3;u為界面流體的流速，m/s;η為流體的動力黏度，kg/（m·s）;dh為流道的水力半徑，m。根據流體力學知識，當雷諾數大于2 000時認為流體模型為湍流模型，而雷諾數小于2 000時則認為是層流模型。通過計算可以得到水冷系統的Re為23 000。

換熱理論研究已經發展的相對成熟，計算結果也較為準確。針對異形管道的努塞爾數計算采用Gn公式。

Gn公式具體形式為：

當0.5

Nu=0.021 4（R0.8e-100）Pr0.4×?1+10.3dR3;（5）

當1.5

Nu=0.012（R0.87e-280）Pr0.4×

1+10.3dR3。（6）

式中：Nu為流體的努塞爾數;Pr為流體的普朗特數（該系統下流體的普朗特數在1.5～7之間）;d為流道的內徑;R為流道的曲率半徑。

對流傳熱系數計算公式為

h=Nuλd。（7）

式中：h為對流傳熱系數;λ為流體導熱系數。

3高速永磁電機流體場分析

3.1整機流體場仿真

應用流體力學軟件ANSYS?CFX 15.0對電機模型進行流體場仿真，入口速度為3 m/s，入口溫度設置為20 ℃;出口為壓力出口，氣壓為標準大氣壓;外壁面為散熱面;電機外殼采用鋁制機殼;所有壁面都為無滑移邊界條件。溫升云圖如圖3所示。

電機損耗以熱量方式進行散出，損耗熱量Ploss散出主要包括外殼水冷散熱量Pw、內通風道散熱量Pn和其他散熱量Poth3個部分。

Ploss=Pw+Pn+Poth。（8）

電機外殼水冷散熱量和流速的關系式為

Pw=mc（Tout-Tin）。（9）

式中：m為質量流量，kg/s;Tout為出口溫度，K;Tin為進口溫度，K;c為比熱容，J/（kg·K）。

根據計算得到的外殼部分散熱量，可以計算出外殼內表面的熱流密度q，熱流密度與內表面尺寸的關系式為

q=PwS=PwπDL。（10）

式中：S為外殼內表面面積;L為電機外殼長度。

3.2多方案確定和網格無關性驗證

對普通直槽水道結構的1/18進行流體場仿真，在普通直槽水道結構的內外表面設置同樣大小的丁胞。圖4所示5種水路結構依次為普通直槽水道結構、上壁面球凸水道結構、上壁面球凹水道結構、下壁面球凸水道結構、下壁面球凹水道結構。

丁胞流道排列方案如圖5所示，其中D為丁胞直徑，S1為丁胞縱向距離，S2為丁胞橫向距離，其中，S1/D=3.8，S2/D=1.25。

采用流體力學軟件進行數值求解時，其劃分網格的質量和數量對計算結果影響巨大，因此需要對電機流體模型進行了網格無關性驗證。表3為不同網格數下上壁面球凸水道結構的水道最大速度值，其中通過網格劃分軟件對水道結構的球凸周圍進行網格加密。可以看出網格數量在80萬以上，其速度沒有明顯變化，在考慮計算精度和計算速度的基礎上，則對5種水道結構進行網格劃分的數量選取為100萬個左右。

3.3多方案流體場分析

應用流體力學軟件CFX對5種水路進行流體場仿真，在外殼內表面設置式（14）計算出的熱流密度，其他部分采用整體電機模型仿真的邊界條件。

截取5種水路水道中間平面，通過 CFX流體力學仿真，可以得出其平面速度云圖如圖6所示。從速度云圖中可以看出，普通直槽水道結構最大水速為3.4 m/s，最大水速產生在后半部分中間層，此處水流方向發生劇烈變化，從而導致水流速度很大。

4種丁胞水道結構的最大水速為3.4～3.7 m/s，丁胞水道結構的水流速度在每個丁胞結構處發生明顯變化，各種丁胞結構水速均有不同程度的增幅。這是由于丁胞結構破壞了水流的正常流動，凸凹不平的結構一部分阻礙了水流流動，使水流變得紊亂，變相增大了水流速度，遠離丁胞部分的水速變化較為平緩。而丁胞結構阻礙了水流在此處的流動，靠近兩個丁胞結構外殼中間部分的水流速相對偏小。

不同丁胞水道結構水速差異由以下原因導致：1）外殼凸出的丁胞結構相對外殼內陷的丁胞結構占用了更多水道空間，更加壓迫了水道的流動，從而導致外殼凸出結構的水速相對外殼內陷結構更大;2）4種丁胞水道的布置是同軸心、同角度布置，上壁面丁胞排列相對下壁面比較稀疏;水道呈面包狀，上壁面的面積大于下壁面面積。這些原因導致了上壁面的丁胞結構對水流速度的影響沒有下壁面的大，上壁面的同種丁胞結構最大流速小于下壁面的同種丁胞結構。

圖7為中間截面處的歸一化湍動能分布云圖。丁胞結構的湍動能增大了40.8%～65.6%，增大效果明顯。普通直槽水道結構兩側湍動能較大，呈對稱狀態，丁胞結構湍動能較大的地方出現在丁胞結構的表面和其對側。丁胞結構處由于水道結構突然改變，水流也隨著變化，使丁胞表面附近產生湍動能，同時丁胞結構也增大了其他部分的水流湍動能。

圖8所示為5種結構分別在不同入口速度下的水道最高速度。水道整體的速度最大值出現在水道拐角處，此處水流方向發生巨大轉變，導致此處及其周圍的水速都很大。隨著入口水速的增大，丁胞水道獨特的結構影響了水流正常流動的慣性，使局部水流速度增大。4種丁胞結構的最高速度近似相同，均大于普通直槽水道。

3.4電機外殼溫度場分析

在相同的條件下，對5種水冷裝置進行溫度場仿真，仿真結果的溫度場如圖9所示。

直槽結構的外殼溫度呈階梯狀分布，外殼外表面的溫度最低，靠近熱源的內表面溫度最大，為42.0 ℃。丁胞結構的溫度分布類似直槽結構，最大溫度為39.2～39.8 ℃，溫升降幅5.5%～6.8%。丁胞結構不僅散熱面積增大，而且由前面分析得知，凹坑部分的流速比光滑面的流速大，增加了換熱面的散熱系數，降低了整體的溫度。

不同丁胞水道結構溫度場差異由以下原因導致：1）上壁面的丁胞結構最高溫度低于下壁面的同種類型結構。上壁面的丁胞結構擾動了下側的水流流動，除了靠近丁胞部分的水流速度較大外，其下側的大部分水速和湍動能均大于上側;2）外殼凸出的丁胞結構相對外殼內陷的丁胞結構占用了更多的水道空間，促進了下側流體的流動，強化了散熱能力。以上這些原因導致了上壁面球凸水道結構的溫度低于其他水道結構。

一般用努塞爾數作為評估換熱能力的標準。5種水道結構努塞爾數分布云圖如圖10所示。對于直槽水道，在拐角處由于水道方向發生巨大變化，水流湍急形成大量渦流，大大強化了此處的換熱系數，此處的努塞爾數也達到了最大。

對于丁胞結構水道，丁胞結構整體的努塞爾數遠大于直槽結構，流體在通過流道時，丁胞結構對流體流動的擾動作用，強化了冷卻效果，使丁胞部分的努塞爾數增大。普通直槽水道結構平均努塞爾數為10 832.7，丁胞水道結構平均努塞爾數增大了70.8%～127.6%。

圖11為直槽水道和4種丁胞水道的外殼最高溫度和最低溫度隨入口速度的變化曲線。丁胞水道的溫度降低幅度由水速為0.5 m/s時的2.1%～4.0%，到水速為3 m/s時的5.0%～7.7%，再到水速為5 m/s時的4.2%～5.9%。可見在一定程度上，散熱效果隨著水速的增大而增大，增大到一定范圍后，其溫度降低幅度略微下降，但整體上丁胞結構冷卻效果始終優于普通直槽水道。

4丁胞水道電機參數化分析

對散熱效果較好的上壁面球凸水道結構進行優化分析。上壁面球凸水道結構如圖12所示，其中陰影部分為電機機殼，d為丁胞深度，R為丁胞球體的半徑。

對丁胞深度d從0.8～1.8 mm的11個上壁面球凸水道結構進行流體場仿真，仿真結果如圖13所示。外殼最高溫度幅值變化在2 ℃之內，其中丁胞深度取1.3 mm時最小。最低溫度變化幅度很小，可忽略不計。

對丁胞半徑從2.63～4.03 mm的8個上壁面球凸水道結構進行流體場仿真，仿真結果如圖14所示。隨著丁胞半徑的增大，外殼最高溫度幅值先增大后減小趨于平穩，變化在2℃之內，其中丁胞半徑大于3.03 mm時外殼溫度相對較小，取丁胞半徑為3.03 mm。

選取優化后的丁胞水道，對已設計好的1/18電機模型在相同的情況下進行溫度場仿真。如圖15所示，電機的最高溫度為109.6 ℃，相比之前的溫度下降了3.7 ℃。最高溫度出現在轉軸永磁體處，此處的碳纖維護套作為永磁體的保護層，其傳熱系數僅為0.7 w/（m2·k），散熱能力很差，而其他部分的傳熱能力遠大于碳纖維護套。因而此處散熱困難，導致溫度過高。碳纖維護套外面就是內通風道，強制通風帶走了熱量，從而靠近風道處溫度過低，而內側溫度依然很高，此處的溫度會發生劇烈“跳變”。

分別選取上壁面球凸水道結構和普通直槽水道結構的中間軸線，對其進行電機徑向距離的溫度分析如圖16所示。

電機徑向距離為105 mm，最高溫度出現在靠近碳纖維護套處，丁胞結構比普通直槽水道結構溫度低。丁胞結構增強了冷卻性能，降低了電機的溫升。

5結論

本文研究了丁胞水道結構在高速永磁電機外殼冷卻方面的應用，分析了丁胞流道的流動特性和換熱特性，得出以下結論：

1）丁胞結構流道冷卻性能較好，布置規律的丁胞增大了散熱面積和丁胞處的渦流，提高了壁面換熱系數，有利于熱量的散出，4種丁胞水道均優于普通直槽水道。

2）丁胞流道的最大速度和直槽水道的最大速度近似，但直槽水道的湍動能遠小于丁胞流道的湍動能，加強了換熱效果。

3）上壁面球凸水道結構的冷卻性能優于其他丁胞水道結構。丁胞直徑和丁胞深度對電機散熱效果有影響。

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