航空用油冷電機流場研究與仿真

李 孟，閆 波，周育茹，田 磊

(航空工業西安飛行自動控制研究所，西安 710065)

0 引 言

航空用高壓大功率永磁同步電機具有體積小，質量輕、效率高、運行可靠等優點。但是在體積和質量有限的情況下，電機本身溫升是影響電機高效、可靠、長時工作的關鍵因素。高壓大功率電機由于體積小、功率密度大和效率高，單位體積內的發熱要比普通機大得多，當電機內部損耗產生的熱量大于電機散熱能力時，就會導致電機溫升過高，從而引起電機失效。

油冷電機將液壓油引入電機本體形成回路，通過油液循環帶走電機內部熱量，有效改善電機散熱性能，提高電機整體輸出功率，并顯著提升工作可靠性。電機內部包括定子和轉子都浸泡在液壓油中，電機定子鐵心圓周不光滑且有開槽，定轉子氣隙邊界結構復雜，且電機運行時轉子高速旋轉，導致內部液壓油的流動狀態復雜，通過合理設計油道來提高散熱效率比較困難。

計算流體力學(以下簡稱 CFD)是通過計算機數值計算，在流動基本方程控制下對流動的數值模擬，得到復雜流場的分布，研究流體流動問題。隨著CFD仿真技術的發展和日趨成熟，借助CFD技術來研究流體流動問題已成為研究流體流動的重要手段[4]。

本文采用CFD對航空用油冷電機內部的液壓油流動狀態進行數值計算和仿真，為電機合理設計油道提供仿真依據。

1 數學模型

流體流動的三個基本守恒定律包括：質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。由于電機內部流體處于湍流運動狀態，還需要遵循附加的湍流控制方程[4]。

流體質量守恒方程：

流體動量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

湍流方程：

(4)

2 計算模型及邊界條件

2.1 流體域計算模型

電機三維模型如圖1所示。

圖1 電機三維模型圖

為計算繞組中的液體流動，在原始模型中添加等效繞組模型，等效繞組模型完全填滿鐵心中的空隙，詳細結構如圖2所示。

圖2 繞組等效模型

該電機共有4個流體進口和1個流體出口，以流體進出口和電機結構組成的封閉空間生成流體域，生成的流體域如圖3所示。

圖3 電機流體域模型

2.2 基本假設和邊界條件

2.2.1 基本假設

1)假設電機內部流體為不可壓縮液體。

2)電機內流體處于湍流狀態，流體場采用湍流模型中魯棒性較好和工程應用中較為常見的Standardk-ε模型進行計算。

3)電機運行工況為長時工況，采用的計算方法為穩態計算。

2.2.2 邊界條件

電機有4個流體入口和1個流體出口，如圖4所示。

圖4 流體入口

1) 入口邊界

這4個流體入口與同一個腔體連通，該腔體由柱塞泵泄漏液壓油提供壓力，壓力為脈動值，且不易測量，計算中取入口總壓0.8MPa。

2) 出口邊界

電機有1個流體出口，與舵機蓄能器連通，蓄能器壓力穩定為0.5MPa，流體出口壓力取0.5MPa。

3) 壁面條件

根據模型邊界區域的條件，將模型中的所有固體壁面設為固體邊界，即無滑移壁面邊界條件，固體壁面附近流動采用標準壁面函數法確定，假定定子、轉子壁面光滑。

2.3 網格劃分

為適當減小網格量，本文計算域內均采用多面體網格，流體/固體域交界面上有三層以上附面層加密，保證流體附面層計算的準確性，電機網格劃分如圖5所示。

圖5 電機網格劃分

2.4 材料選擇

電機冷卻液選擇航空15#液壓油作為冷卻介質[6]，其參數如表1所示。

表1 15號航空液壓油物性參數

3 計算結果與分析

電機內部流體壓力云圖、速度矢量圖、流體跡線圖分別如圖6～圖8所示，電機最大流速為出口處5.88m/s。

圖6 流體壓力云圖

從電機流場整體來看，定轉子之間的氣隙是影響電機內部流場的關鍵區域，對電機定轉子之間的氣隙區域進行單獨計算，流體計算域僅為電機定轉子之間的氣隙，數值計算采用網格模型和計算結果的速度云圖如圖9所示。

圖9 數值計算的CFD模型與部分結果

將電機定轉子氣隙高度和兩端壓力差作為主要的影響因素進行分析，計算采用的流動模型和邊界條件如表2所示，對應表2中給定工況的數值計算結果顯示如表3至表5所示。

表2 氣隙過流能力計算相關求解設置和邊界條件

表3 氣隙高度為0.6mm的過流能力計算結果

表4 氣隙高度為1.2mm的過流能力計算結果

表5 氣隙高度為1.8 mm的過流能力計算結果

將表3～表5的數據繪成散點圖，不同氣隙對應壓差和流量變化如圖10所示。

圖10 不同氣隙高度對應的氣隙過流能力計算結果

1) 進出口壓差從0增加至1.0MPa過程中，隨著進出口壓差增加，氣隙區域流場的過流能力增加；

2) 氣隙高度從0.6mm逐漸增加到1.8mm過程中，氣隙區域流場的過流能力增加，但隨著氣隙高度等值增加，流場過流流量的增加量相應減小。

因此，氣隙高度和氣隙進出口壓差對電機氣隙流場影響：氣隙高度對氣隙區域流場過流能力的影響隨著氣隙高度增加而變小，而壓差的變化量對過流量能的影響成線性關系。

4 結 語

本文以航空用油冷電機為研究對象，采用CFD數值計算方法，對電機內部的流體進行了計算，分析流體分布和流動特性，并研究了定轉子間氣隙區域的過流能力影響因素。

氣隙高度和氣隙進出口壓差都影響電機氣隙流場的過流能力。氣隙高度對氣隙區域流場過流能力的影響程度隨著氣隙高度增加而變小，而壓差的變化量對過流量能的影響成線性關系。該研究結果可為電機結構優化設計提供技術參考。