基于流固耦合的高速永磁電機(jī)多物理場(chǎng)仿真分析

許海波，胡 巖，劉澤宇，曹 力

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

高速永磁電機(jī)因具有功率密度高、體積小、效率高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。其高頻率、高諧波的特點(diǎn)導(dǎo)致渦流損耗變大，同時(shí)其轉(zhuǎn)子體積小，散熱條件差[2]，因此容易加劇轉(zhuǎn)子溫度的升高，這將會(huì)導(dǎo)致永磁體內(nèi)部溫度過(guò)高甚至超過(guò)其正常運(yùn)行范圍，影響電機(jī)壽命和穩(wěn)定性[3]。

針對(duì)高速永磁電機(jī)的損耗計(jì)算以及溫度場(chǎng)仿真國(guó)內(nèi)外學(xué)者作出大量研究分析。文獻(xiàn)[4]對(duì)比不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，并通過(guò)三維有限元和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得出護(hù)套的等效電導(dǎo)率對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗有著顯著影響，但是并未針對(duì)護(hù)套材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[5]針對(duì)高溫環(huán)境下的轉(zhuǎn)子渦流損耗問(wèn)題，分析了轉(zhuǎn)子材料電導(dǎo)率以及導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的解析模型，得出護(hù)套選取的要求。文獻(xiàn)[6-7]為了降低轉(zhuǎn)子渦流損耗采用了不同護(hù)套材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)降低永磁體渦流損耗效果明顯，但是并未考慮到復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)散熱的影響。文獻(xiàn)[8]研究了全封閉水冷機(jī)殼的高速永磁電機(jī)的溫度場(chǎng)幾何模型，分析了軸向通風(fēng)孔和風(fēng)刺對(duì)電機(jī)溫升影響，通過(guò)增加通風(fēng)孔尺寸和數(shù)量提高轉(zhuǎn)子的散熱能力，但是全封閉結(jié)構(gòu)不利于轉(zhuǎn)子散熱。文獻(xiàn)[9]提出了一種考慮電機(jī)部件間裝配間隙的水冷內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電磁-熱雙向耦合方法，采用了水冷、風(fēng)冷混合冷卻方式以達(dá)到降低溫升，風(fēng)冷需要外部增加通風(fēng)器件，增大了電機(jī)的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[10]分析了轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)在氣隙處產(chǎn)生的風(fēng)摩損耗對(duì)電機(jī)溫升的影響，通過(guò)有限元軟件對(duì)氣隙變化進(jìn)行仿真，同時(shí)計(jì)算出轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響。文獻(xiàn)[11-12]在考慮流體場(chǎng)的基礎(chǔ)上分析了電機(jī)溫度場(chǎng)，揭示了最優(yōu)水速方案下的溫升分布，并通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)冷改變進(jìn)出口風(fēng)速，有效地降低了溫升，但是采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，需要外加離心風(fēng)機(jī)和通風(fēng)管道。由此可見(jiàn)，針對(duì)提高電機(jī)散熱能力，并且減低散熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的研究是較少的。

針對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升容易過(guò)高的問(wèn)題，本文采用一種自扇冷、水冷混合冷卻散熱結(jié)構(gòu)，改進(jìn)電機(jī)的散熱通道，有效降低轉(zhuǎn)子溫升，并通過(guò)ANSYS軟件對(duì)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合仿真。

1 模型建立

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文對(duì)一臺(tái)70 kW，40 000 r/min離心風(fēng)機(jī)用表貼式高速永磁電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析，電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 電機(jī)主要參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的高速永磁電機(jī)參數(shù)如表1所示。高速永磁電機(jī)交變頻率很高，應(yīng)選擇產(chǎn)生渦流損耗較小的、轉(zhuǎn)子2極表貼式結(jié)構(gòu)，為了防止高速離心力導(dǎo)致永磁體脫落，設(shè)計(jì)了3 mm護(hù)套對(duì)永磁體進(jìn)行保護(hù)。永磁體采用NdFeB30材料，永磁體和護(hù)套采用過(guò)盈配合。定子采用DW310-35疊壓硅鋼片。為了提高電機(jī)通風(fēng)散熱能力，定子槽深設(shè)計(jì)為6 mm。

表1 高速永磁電機(jī)基本參數(shù)

2 電機(jī)損耗分析

高速永磁電機(jī)運(yùn)行在高速、高頻的工況下，因此高速永磁電機(jī)損耗主要來(lái)源是定子鐵心損耗、定子繞組銅耗、風(fēng)摩損耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗。

2.1 損耗計(jì)算

基于有限元分析法，通過(guò)Maxwell有限元軟件對(duì)額定運(yùn)行狀態(tài)下的電機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，其中電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套選用碳纖維和合金鋼材料進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示，碳纖維的電導(dǎo)率較低且導(dǎo)熱性能較差，合金鋼材料的電導(dǎo)率較高且導(dǎo)熱性能較好。

表2 護(hù)套材料屬性

在頻率666.7 Hz正弦波電壓源激勵(lì)以及額定負(fù)載下，分別對(duì)兩種護(hù)套下的損耗進(jìn)行仿真。電機(jī)電磁仿真損耗曲線如圖2、圖3所示。

圖2 碳纖維護(hù)套的定轉(zhuǎn)子損耗

圖3 合金鋼護(hù)套下的定轉(zhuǎn)子損耗

由圖2可知，不同護(hù)套材料對(duì)定子鐵耗以及定子銅耗幾乎沒(méi)有影響，在渦流場(chǎng)屏蔽作用下，護(hù)套材料電導(dǎo)率的不同，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子渦流損耗分布出現(xiàn)差異。

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)下，在氣隙處產(chǎn)生大量風(fēng)摩損耗，通過(guò)ANSYS Fluent流體仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，建立氣隙流體模型，設(shè)置流體介質(zhì)是空氣，設(shè)置轉(zhuǎn)子表面粗糙度以及轉(zhuǎn)子表面轉(zhuǎn)速，計(jì)算得出風(fēng)摩損耗是326.5 W。

2.2 熱源分布

在溫度場(chǎng)分析中，損耗通過(guò)熱生成率的形式作為電機(jī)溫度的熱源，如表3所示。

表3 電機(jī)損耗與熱生成率

3 流固耦合下的溫度場(chǎng)分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)高速永磁電機(jī)三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，由于電機(jī)溫升模型內(nèi)包含固體、液體、氣體的互相熱傳遞，因此在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)兩種熱量傳遞方式。在三維坐標(biāo)下，高速永磁電機(jī)導(dǎo)熱模型：

(1)

式中：T是待求解溫度；Tf是環(huán)境溫度；S1是絕熱面；S2是散熱面；α是散熱系數(shù)；μx，μy，μz是x，y，z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；qv是電機(jī)總熱生成率。

3.2 溫度場(chǎng)仿真物理模型

在散熱方式上設(shè)計(jì)兩種冷卻方案：水道冷卻和自扇冷、水冷混合冷卻。通過(guò)對(duì)比兩種方案下的電機(jī)溫升結(jié)果，得出自扇冷冷卻方案的優(yōu)勢(shì)。圖4是自扇冷、水冷混合冷卻模型，機(jī)殼表面有冷卻水的進(jìn)出口。為了使電機(jī)內(nèi)部空氣不斷和外界進(jìn)行交換，在后端蓋設(shè)計(jì)了兩個(gè)入風(fēng)口，在另一端設(shè)計(jì)了兩個(gè)出風(fēng)口。電機(jī)內(nèi)部零件較多，計(jì)算困難，因此需對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。端部繞組伸出部分簡(jiǎn)化為等效直線長(zhǎng)度；定子槽絕緣層、槽楔以及繞組絕緣層簡(jiǎn)化為等效絕緣層。

圖4 自扇冷、水冷混合冷卻模型

3.3 假設(shè)與邊界條件

為了簡(jiǎn)化求解過(guò)程，對(duì)求解模型作出以下假設(shè)：

(1)研究穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)模型，因此控制方程不含時(shí)間項(xiàng)；

(2)電機(jī)內(nèi)的流體為不可壓縮流體；

(3)忽略重力和浮力的影響；

(4)電機(jī)內(nèi)流體的雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于2 300，屬于湍流，采用湍流模型進(jìn)行求解。

高速永磁電機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)載狀態(tài)下，給定邊界條件如下：

(1)螺旋水道入口為速度入口邊界條件，給定1.0 m/s的水流速度；螺旋水道出口為壓力出口邊界條件，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；環(huán)境溫度為300 K；

(2)旋轉(zhuǎn)域包裹區(qū)域給定40 000 r/min轉(zhuǎn)速；

(3)扇葉流體域給定旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，入風(fēng)口、出風(fēng)口為零壓力出入邊界條件；

(4)電機(jī)機(jī)殼、端蓋以及轉(zhuǎn)軸伸出部分外表面為散熱面，給定散熱系數(shù)。

3.4 流體場(chǎng)分析

基于前文的熱源分布以及假設(shè)和邊界條件，通過(guò)ANSYS Fluent仿真軟件仿真出高速永磁電機(jī)流體場(chǎng)。在水道冷卻方案中，電機(jī)是全封閉結(jié)構(gòu)，電機(jī)主要通過(guò)水道以及機(jī)殼表面散熱鰭進(jìn)行散熱，然而機(jī)殼的散熱量很少，因此大部分熱量通過(guò)水道帶出。如圖5所示，冷卻水通過(guò)入口以1 m/s的速度進(jìn)入，可以看出冷卻水在螺旋水道內(nèi)進(jìn)行快速流動(dòng)，不斷從出口流出，出水口的溫度會(huì)大于入水口的溫度，因此帶走了熱量，降低了溫升。

圖5 水道流速、壓力云圖

為了模擬提高電機(jī)溫度仿真精度，電機(jī)采用流固耦合分析計(jì)算方法，在仿真過(guò)程中讓電機(jī)內(nèi)的空氣在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用下運(yùn)動(dòng)起來(lái)，提高了仿真的準(zhǔn)確度。圖6(a)所示為全封閉水冷機(jī)殼結(jié)構(gòu)高速永磁電機(jī)內(nèi)部空氣的流線圖，由于電機(jī)鐵心位于機(jī)殼中心位置，且電機(jī)內(nèi)部氣體與外界空氣沒(méi)有流通，所以電機(jī)內(nèi)部氣體對(duì)稱(chēng)流動(dòng)。氣隙處比較窄，受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的影響，導(dǎo)致氣隙處空氣轉(zhuǎn)速較高，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到159.5 m/s，電機(jī)內(nèi)部?jī)蓚?cè)空腔部分受到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響較小。

圖6 空氣流線圖

在混合冷卻中，轉(zhuǎn)子同軸扇葉的高速旋轉(zhuǎn)，把外界空氣不斷壓迫進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，穿過(guò)氣隙，然后從另一側(cè)出口排出。圖6(b)是自扇冷、水冷模型內(nèi)部空氣流線圖，相比于圖6(a)最大速度提高了40 m/s，并直接與外界空氣進(jìn)行能量交換，提高了電機(jī)散熱能力。

3.5 溫度場(chǎng)分析

由于高速永磁電機(jī)的永磁體采用的是釹鐵硼材料，護(hù)套材料是碳纖維，碳纖維的導(dǎo)熱系數(shù)低于其他金屬材料，永磁體的散熱能力會(huì)降低。NdFeB30永磁體工作極限溫度是180 ℃，并且剩磁是隨著溫度升高而降低的，因此需要對(duì)比不同散熱方案下的溫度場(chǎng)的溫升及變化。

兩種冷卻方案下的電機(jī)溫升如圖7、圖8所示。水道內(nèi)置在機(jī)殼內(nèi)部，水道帶走了定子大部分熱量，機(jī)殼和定子的溫度是整個(gè)電機(jī)溫度最低的，轉(zhuǎn)子散熱環(huán)境較差，因此成為溫度最高的部位。

圖7 水冷方案溫度分布

圖8 自扇冷、水冷混合冷卻方案溫度分布

由于水道是內(nèi)置在機(jī)殼內(nèi)部，并且采用的恒溫冷卻水散熱系數(shù)很高，在熱量傳遞的過(guò)程中，熱量更趨向于向溫度低的地方傳遞。如圖9、圖10所示是定子部分溫度，繞組在定子內(nèi)的區(qū)域的溫度相比伸出區(qū)域更高一些。因?yàn)槎ㄗ硬糠值臒崃恐饕ㄟ^(guò)水道散出去，因此兩種冷卻方案下的定子溫升變化基本一致。

圖9 定子溫度云圖

圖10 繞組溫度云圖

如圖11(a)所示，水冷模型的永磁體最高溫度是127.7 ℃，對(duì)于此種傳統(tǒng)水冷冷卻模型而言，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量只能通過(guò)熱傳遞方式傳遞到轉(zhuǎn)軸和通過(guò)熱對(duì)流傳遞到定子，以及有限的氣體流動(dòng)將熱量帶到機(jī)殼散出，而本文提出的自扇冷、水冷散熱方式可以直接把熱量通過(guò)氣體流動(dòng)帶到電機(jī)外部，如圖11(b)所示，自扇冷、水冷模型下的永磁體最高溫度達(dá)到100 ℃，降低了轉(zhuǎn)子溫升。

圖11 混合冷卻方案下的永磁體溫度

圖12中是兩種冷卻方案的溫度數(shù)值變化曲線，可以明顯的看出，在改善了冷卻路徑之后，混合冷卻方案對(duì)轉(zhuǎn)子溫度的影響很大，相較水冷方案，轉(zhuǎn)子溫度直接降低了16 ℃。因此在設(shè)計(jì)電機(jī)散熱方案的時(shí)候，自扇冷方式對(duì)高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行降溫是有效可行的。

圖12 兩種冷卻方案下的溫度曲線

綜上分析可知，為了降低電機(jī)溫升，通過(guò)自扇冷、水冷散熱結(jié)構(gòu)對(duì)高速永磁電機(jī)進(jìn)行散熱，改善了電機(jī)內(nèi)部空氣的散熱路徑，有效降低轉(zhuǎn)子溫升。

3.6 可行性分析

自扇冷、水冷模型中設(shè)計(jì)了軸向扇葉，并且是直接通過(guò)電機(jī)主軸帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，這增大了電機(jī)的負(fù)載，致使電機(jī)的輸入電流增大，如圖13所示是有無(wú)自扇冷的電流波形對(duì)比。當(dāng)沒(méi)有扇葉時(shí)，電流的幅值是111.20 A，當(dāng)增加扇葉時(shí)，電流幅值是117.62 A，電流增大了額定電流的5.77%。有扇葉模型比無(wú)扇葉模型下的繞組溫度降低了16.75 ℃，在電流幅值高出5.77%，并且銅耗會(huì)相應(yīng)的增大一些的情況下，繞組的溫度依舊比無(wú)扇葉模型的低，因此自扇冷、水冷模型是可行的。

圖13 有無(wú)扇葉的電流波形對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種高速永磁電機(jī)的自扇冷、水冷混合散熱結(jié)構(gòu)，并以一臺(tái)70 kW，40 000 r/min高速永磁電機(jī)為例。利用了扇葉結(jié)構(gòu)迫使空氣快速穿過(guò)電機(jī)，通過(guò)分析自扇冷模型的空氣流線走勢(shì)，自扇冷結(jié)構(gòu)改變了電機(jī)內(nèi)部的散熱路徑，有利于電機(jī)與外界的熱傳遞。通過(guò)流固耦合法對(duì)高速永磁電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，精確計(jì)算出電機(jī)的溫升分布，自扇冷、水冷模型，相較于水冷模型，永磁體溫度降低了27.7 ℃，有效降低了轉(zhuǎn)子溫度，保證了永磁體不會(huì)出現(xiàn)高溫退磁現(xiàn)象。