風冷低噪大功率永磁同步電機設計與仿真

楊榮江, 戴志立, 吳林泉

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴陽 550008；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴陽 550008)

0 引 言

近年來，我國永磁同步電機的研發和應用取得了巨大進展，隨著電機磁路、控制、軸承、散熱、精密機械結構、材料領域的技術進步，電機的轉速和功率指標不斷攀升，使得電機技術獲得了更大的發展空間[1]。永磁同步電機(以下簡稱PMSM)有著功率密度高、結構靈活多變、穩定性強等特點，廣泛應用于工業中，其優化設計也受到廣大學者的關注[2]。

本文研究的大功率PMSM應用于航空機載液壓系統動力泵驅動，具有大功率、長時工作、低噪聲的設計需求，在進行設計時主要從設計方案、電磁仿真分析、熱仿真分析、降噪優化設計進行分析研究。

1 設計方案

大功率電機的電磁負荷大、單位體積損耗顯著，導致電機溫升升高，電機溫升過高會影響到用電設備的安全性，嚴重時會使絕緣材料加速老化，大幅度縮短電機的使用壽命，甚至燒毀電機。大功率電機一般需要進行冷卻設計，電機的冷卻方式主要分為自然冷卻、風冷、介質冷卻等。本文研制的大功率電機在自然冷卻條件下不能滿足長時間工作的工況，介質冷卻外圍設計復雜，系統不提供冷卻途徑。綜合考慮，冷卻結構形式選用風冷模式，電機電磁結構采用8極30槽，轉子磁鋼為表貼式。本文研制的大功率PMSM的主要技術指標如下：額定電壓(270±0.2) V(DC)，控制電壓24 V(DC)；額定功率≥15 kW；額定轉速范圍7 500～8 000 r/min；額定效率≥85%；電機質量≤14.7 kg；長時工作制噪聲90 dB(A)；外形尺寸Φ190 mm×228 mm。

2 電磁仿真分析

2.1 電磁場仿真模型

電機的二維有限元全周期分析模型如圖1所示。對電機定子、轉子、護套、永磁體、繞組、氣隙進行剖分，其網格剖分效果如圖1所示，網格劃分均勻，氣隙處網格密度最大，滿足瞬態場有限元分析的要求。

圖1 電機有限元分析模型及網格剖分

2.2 15 kW工作點電磁仿真分析

電機在15 kW工作點性能仿真結果如表1所示。

表1 15 kW工作點性能指標仿真

電機在15 kW工作點磁密波形如圖2所示，電機的轉矩波形、線反電動勢波形、定子鐵耗和轉子渦流損耗曲線分別如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 15 kW工作點轉矩曲線

圖4 15 kW工作點線反電動勢波形

圖5 15 kW工作點定子鐵心損耗和轉子渦流損耗

參數優化后，從確定的最終方案仿真結果可以看到：電機在額定點轉矩波動1.48%，電機轉矩波動小；線負載反電動勢正弦性好；轉子渦流損耗在電機額定工作點變化平穩，無過大渦流損耗區域，轉子電磁結構合理。

3 結構布局

電機主要由定子、轉子、旋轉變壓器、扇葉等組成，電機結構如圖6所示。

圖6 電機結構圖

在整機結構布置上，電機轉子與扇葉同軸，電機轉子旋轉時帶動扇葉旋轉，產生氣流，氣流通過后罩與殼體的流道對電機進行風冷。

為提升電機運行的平穩性，降低運行振動噪聲，電機的轉子、旋轉變壓器、扇葉安裝一體后進行動平衡測試，采用去重法保證轉子動不平衡量小于80 mg。同時，為避免在力學環境下旋轉變壓器隨轉子軸向竄動影響其輸出精度，以及在力學環境下轉子對軸承的沖擊力，采用鎖緊螺母、軸承蓋將電機軸伸端軸承與轉子、定子殼體進行固定，防止軸向竄動。對電機尾端軸承采用波形墊圈進行預緊，可對高低溫變化時軸向間隙進行補償，降低軸承運行噪聲。

4 熱仿真分析

4.1 熱源的確定

電機的功率密度大，散熱環境惡劣，在有限體積質量下滿足電機長時間工作是本文的技術難點。通過電磁設計、結構設計，電機的性能指標、體積質量都能夠滿足技術指標要求，電機的溫升計算直接影響電機電磁設計、結構設計、質量設計能否可行，因此，對電機進行精確的熱仿真，準確計算電機的溫升，才能最大限度地發揮出電機的性能，保證電機使用的可靠性。

電機溫升是由電機的各部分損耗引起，只有確定了熱源才能保證計算的準確性。通過有限元仿真確定電機主要熱源有定子鐵耗、繞組銅損耗、轉子渦流損耗，如表2所示。

表2 電機主要熱源及工作時間

4.2 邊界條件的確定

電機邊界條件受系統因素和電機內部諸多因素的影響，如電機與系統連接后可通過熱傳導的方式進行散熱；系統安裝后泵體輸出油液最高溫度不超過130 ℃，電機可以通過熱傳導由泵體油液傳導熱量等。在設計時，為了保證電機使用的可靠性，以最嚴苛的環境進行熱仿真計算，暫不考慮系統散熱。

由于電機功率大且長時間工作，單獨靠電機自身散熱，在有限的體積質量下肯定不能滿足設計要求，因此，在電機內部增加了一個扇葉，該扇葉冷設計參數為風速5 m/s，同時在電機殼體表面增加散熱筋，并以最高環境溫度70 ℃進行熱仿真。

4.3 電機瞬態熱分析

本文研制的電機為長時工作制，利用MotorCAD熱仿真軟件模塊，15 kW工作至穩態時的溫度變化如圖7所示。

圖7 電機各部分徑向(15 kW)溫度變化曲線

4.4 仿真結果分析

通過仿真可以看到，在15 kW連續運行后電機各部分溫度最高，從圖7可以看到，定子部分最高溫度為繞組159.2 ℃，轉子部分最高溫度在轉子護套161.7 ℃，軸承最高溫度為142.7 ℃。

電機繞組漆包線最高耐溫220 ℃，繞組引出線在260 ℃，永磁體最高耐溫300 ℃，軸承使用最高耐溫在180 ℃。仿真中，電機繞組熱量可以通過殼體散熱，轉子只能通過軸承從殼體間接將熱量傳出，這就導致轉子溫度比繞組溫度要高。在實際工況中，電機轉軸與泵體連接，熱量直接通過軸傳遞到泵體上，電機轉子溫度遠比仿真溫度要低。通過電機電磁設計、結構設計、熱設計、熱仿真分析，該電機能夠滿足長時間工作的要求。

5 降噪設計仿真分析

5.1 風冷結構布局

整個風冷結構布局由后罩、扇葉、定子殼體組成，如圖8所示。后罩的中心設計有圓形小孔，便于氣流的流入。定子殼體設計有散熱筋，如圖9所示。當電機高速旋轉時，扇葉旋轉形成氣流流動，氣流通過后罩中心小孔從外部吸入空氣，從定子殼體散熱筋之間的氣流流道流出，氣流在流道與電機產生的熱進行交換，實現電機冷卻。

圖8 氣流流動示意圖圖9 定子殼體散熱結構

5.2 模型選用

為解決電機溫度偏高問題，在電機尾部增加一個扇葉進行風冷散熱，而由扇葉產生的氣動噪聲會進一步增加整機噪聲。系統要求電機噪聲不大于90 dB(A)，因此，需要對風扇進行合理流場設計以及噪聲控制。

根據電機風冷布局結構尺寸、轉速、風速等要求，按等環量設計建立電機風扇模型如圖10所示。

圖10 扇葉及外殼三維模型

5.3 網格劃分

扇葉由復雜的幾何模型組成，在ICEM CFD中采用對復雜模型具有更好自適應的非結構網格進行劃分，網格總數為103萬，如圖11所示。

圖11 扇葉模型網格剖分

5.4 流場及噪聲仿真計算結果

根據設計要求，計算工況為出口流速5 m/s，轉速8 000 r/min，利用ANSYS軟件進行流場和噪聲仿真，得到的流場及噪聲如圖12～圖16所示。

圖14 外罩剪切應力云圖

圖15 扇葉聲壓脈動時均值云圖

圖16 噪聲聲壓級

從圖12可以看出，流線通過外殼入口由扇葉轉動帶動，從出口流出，符合風扇在電機帶動下運行規律，而在轉動過程中，圖13顯示位于扇葉頂端入口方向和扇葉中形成氣旋渦流，根據渦聲理論，渦流的產生必然會導致噪聲的增大，也從圖14的外罩剪切應力云圖、圖15的扇葉聲壓脈動時均值云圖印證了產生噪聲聲源位置主要位于渦流產生處。利用傅里葉變換得出風扇產生的噪聲為98 dB(A)，不滿足協議書的要求，因此需對風扇進行優化設計來降低噪聲。

5.5 降噪優化

根據上述仿真結果，噪聲源主要集中在流道結構的設置及葉片上，下面針對這兩部分進行優化設計。

一方面，利用參數化曲面設置流體涵道，減小流體產生回流損失空間。針對風冷結構布局，減小扇葉葉頂與后罩間隙至0.5 mm，繼而降低葉頂損失和葉頂產生的泄漏分離渦流。為使流體均勻進入，后罩中心的進氣孔，從原正方形進氣口調整為圓周進氣口。

另一方面，等環量設計沿徑向扭曲的葉片在改善氣動性能的同時可以降低氣動噪聲[6]，依據這一理論，在原扇葉基礎上，設計葉尖相對葉根形成7.7°的扭角，同時對葉片頂部做弧形槽結構優化。

采用參數化曲面處理后的結構如圖17所示。根據原結構方案產生渦流的位置，對整體涵道進行參數優化，葉片剖面尾跡渦流比相對直葉片減少許多，且葉片間干涉噪聲隨尾跡減少而減小，即沿流體流動路線減少產生流動損失空間，從而可相應降低噪聲。扇葉模型優化如圖18所示。

圖17 參數化曲面優化圖18 扇葉模型優化

針對優化后的風冷結構參數進行仿真分析。數值分析模型如圖19所示。模型網格劃分總數243萬，如圖20所示。利用ANSYS軟件進行流場和噪聲仿真，得到的流場及噪聲如圖21～圖25所示。

圖19 結構優化后數值分析模型圖20 結構優化后網格剖分

圖21 結構優化后流線圖圖22 結構優化后局部速度矢量圖

圖23 結構優化后外罩剪切應力云圖

圖24 結構優化后扇葉聲壓脈動時均值云圖

圖25 結構優化后噪聲聲壓級

由圖21、圖22可以看出，優化模型后的流線通過外殼入口由扇葉轉動帶動，從出口流出，在轉動過程中，未在扇葉頂端入口方向形成氣旋渦流，扇葉頂端對應的外殼處受到的剪切應力范圍相應地減小。利用傅里葉變換得出風扇噪聲為84.93 dB(A)，相比之前降低了13.07 dB(A),滿足低于90 dB(A)的使用要求。

6 實驗測試

采用對拖法對大功率PMSM進行測試，測試結果如表3所示，負載性能測試、工作溫升測試及噪聲測試如圖26～圖28所示。

表3 性能測試數據

圖27 電機15 kW長時工作溫升測試

圖28 電機噪聲測試

從測試結果可以看到，電機所有指標滿足技術協議要求。噪聲測試結果為86 dB(A)，滿足噪聲不大于90 dB(A)的要求。通過性能測試，整機效率為89%，考慮到控制器效率為95%左右，與電機本體效率仿真值97.1%接近。通過溫度測試，電機在15 kW常溫長時間工作后殼體溫度為62.7 ℃，考慮到高溫70 ℃環境影響，與仿真值133.8 ℃基本一致。系統使用中，泵體端液壓油的溫度為130 ℃，對電機有一定的散熱作用，在電機質量上還具有一定的優化空間。

7 結 語

本文對風冷低噪大功率PMSM進行了設計與仿真分析，重點針對噪聲結構進行了優化改進及仿真分析。通過樣機測試，證明了采取的分析改進方法有效，滿足電機技術協議指標要求，能夠對該類型產品的研制具有指導意義。