軸向磁通永磁電機混合冷卻結構設計與分析

姜明盛,張志鋒,武 岳,趙國新

(沈陽工業大學 電氣工程學院,沈陽 110870)

0 引 言

軸向磁通永磁(以下簡稱AFPM)電機在新能源汽車等領域的應用越來越多,其研究亦備受關注[1]。雙轉子單定子結構的AFPM電機具有轉矩密度大、效率高、穩定性好、噪聲小和結構緊湊等優勢,因此更加適用于安裝空間有限的場合[2-4],但是其存在著溫升過高的問題[5]。對于雙轉子單定子結構AFPM電機,高效的冷卻系統有助于電機延長使用壽命和提升性能[6]。

目前,AFPM電機大多使用風冷冷卻,或者在電機端蓋以及外殼上設置冷卻水道。文獻[7]分析了轉子有無風葉、風葉數量、風葉長度、風葉長寬比等一系列因素對電機流體場和溫度場的影響,并確定了最佳的電機散熱結構,最后通過實驗驗證了仿真計算的正確性。文獻[8]對AFPM電機的端蓋冷卻水道結構進行對比,分析了水道結構對電機散熱能力的影響,在確定水道結構后,又研究了螺旋水道個數、肋片厚度以及水道軸向長度對于冷卻效果的影響,最后通過仿真計算選擇了最好的冷卻結構,但是該方案的電機永磁體散熱較差,溫度較高。文獻[9]提出了一種風冷-熱管冷卻結構,分析了不同尺寸和安裝位置對熱管散熱的影響,選擇了最優的方案,并通過仿真證明了熱管冷卻結構可以有效抑制繞組的溫升,但是對定子溫升的抑制并不明顯。文獻[10]對于其研究的雙轉子單定子AFPM電機采用了風冷結構,并研究了不同風速、不同通風孔直徑以及不同通風孔數量對于電機散熱能力的影響,由仿真結果確定了電機風冷結構的最佳風速和最合適的通風孔直徑,但是該風冷結構對于定子和繞組的冷卻效果較差,定子和繞組的溫度偏高。

采用槽內水冷的結構,可以直接對電機繞組進行冷卻,能夠有效降低電機的繞組溫升[11-13]。文獻[14]在電機槽中插入銅管,形成了電機的冷卻結構,還分析了電機冷卻管道位置對于散熱的影響,證明了槽內冷卻的效果。文獻[15]針對AFPM電機設計了兩種水冷結構,并進行了對比分析,給出了選擇槽內內外循環水冷結構的理由,最后通過實驗驗證了理論分析的正確性。文獻[16]針對無軛分塊電樞AFPM電機設計了一種定子水冷結構,該定子水冷結構能夠有效降低電機定子和繞組的溫度,缺陷是對電機永磁體的冷卻效果欠佳,永磁體可能會產生不可逆退磁,引發電機故障。

綜上所述,雙轉子單定子AFPM電機采用風冷結構可以有效抑制永磁體和轉子的溫升,但對電機定子和繞組的冷卻效果欠佳。相較于風冷結構,水冷結構可以有效降低定子和繞組的溫度,冷卻效果更好,但可能會出現永磁體溫度過高的問題,仍需進一步優化。因此,本文設計了一種新型的雙轉子單定子AFPM電機混合冷卻結構,能同時有效冷卻電機的各個部件,并分析了流體流速對電機冷卻效果的影響,從而確定了混合冷卻結構的最佳入口流速,為雙轉子單定子AFPM電機的冷卻結構設計提供了參考。

1 電機模型及參數

雙轉子單定子AFPM電機拓撲結構如圖1所示。永磁體粘結在轉子盤上,定子和繞組通過定子架固定,放置在兩組永磁體的中間位置。

電機的磁路結構如圖2所示。

圖2 電機磁路圖

本文電機去除了傳統的雙轉子單定子AFPM電機的定子軛部,減小了電機定子鐵心的質量,降低了電機的溫升,提高了電機的可靠性。由于電機不存在定子軛部,定子之間無法直接連接,所以需要通過定子架固定在一起,而定子、繞組、定子架三者之間用環氧樹脂進行填充并連接在一起,環氧樹脂同時提高了定子、繞組以及水冷結構之間的導熱性。電機的定子架如圖3所示。

圖3 電機定子架結構圖

電機定子和繞組散熱困難,因此需要設置水冷結構。而永磁體和轉子靠近電機端蓋部分,散熱較為容易,可以通過在端蓋上開設通風孔將永磁體和轉子產生的熱量傳導出去。本文將研究混合冷卻結構的冷卻效果。電機參數如表1所示。

表1 電機參數

2 溫升分析

2.1 電機等效模型

為簡化仿真計算,提出以下假設:忽略銅線的排布方式;定子、繞組、定子架之間填充環氧樹脂。

簡化后的繞組如圖4所示。填充環氧樹脂后的電機結構如圖5所示。

圖4 電機繞組圖圖5 填充環氧樹脂后的電機結構

2.2 熱源分析

在電機運行過程中,其熱源就是電機各部分產生的損耗。電機的各部分損耗和生熱率如表2所示。

表2 電機損耗和生熱率

2.3 流體力學理論

流體的運動狀態可以用雷諾數判斷[17]:

(1)

式中:ρ是流體密度;v是流體流速;d是流道的等效直徑;μ是流體的動力粘度。

電機各部分材料的熱物性參數如表3所示。

表3 材料的熱物性參數

3 單風冷結構研究

3.1 單風冷結構電機模型與網格劃分

本文的單風冷結構在電機端蓋上設置進風口,在電機機殼上再設置出風口,空氣從電機兩側端蓋上的通風口進入電機,冷卻電機,最后從電機機殼上的出風口吹出。

在保證仿真計算精度的前提下,該簡化模型提高了計算效率,縮短了仿真計算時間。簡化后的電機模型如圖6所示。

圖6 風冷電機圖

對求解域模型進行網格剖分,為了保證仿真計算的準確性,電機模型關鍵部件的網格采取加密處理,流體和固體交界面建立邊界層網格,生成電機網格模型。在基于計算流體力學方法對電機溫度場進行仿真分析之前,需要做以下假設:電機的冷卻過程中忽略重力的影響;流體設置為不可壓縮流體;賦予電機各部分相應的熱源密度。

電機求解域的邊界條件設置如下:采用K-Epsilon湍流模型求解流體場;入口設置為速度入口,出口設置為壓力出口;忽略輻射散熱。

3.2 單風冷結構溫度場仿真結果分析

對單風冷結構電機進行仿真,其溫度分布云圖如圖7所示。

由圖7可以看出電機各個部分的溫度分布情況,其中轉子最高溫度為88.38 ℃,永磁體最高溫度為83.8 ℃。由此可知,單風冷結構對轉子和永磁體的散熱效果比較好,因為轉子和永磁體緊貼著電機的端蓋部分,散熱較為容易,其次是轉子和永磁體的損耗相對較小。而定子和繞組的最高溫度分別為231.3 ℃和229.2 ℃,主要原因是定子和繞組自身的生熱率較大,單風冷結構的冷卻空氣只能吹拂到定子和繞組的外徑處,散熱面積小,且定轉子之間的氣隙空間狹窄,風量較小,定子和繞組產生的熱量無法傳遞到永磁體和轉子上,故定子和繞組的溫升加大。定子的最高溫度為231.3 ℃,超過了電機絕緣等級H級所允許的最高溫度180 ℃,這會導致電機故障,甚至會燒毀電機。

4 混合冷卻結構研究

4.1 混合冷卻結構電機模型

雙轉子單定子AFPM電機的定子和繞組損耗較大,且定子和繞組排列緊密,散熱困難,因此需要更高效的冷卻結構。從以上仿真可知,定子和繞組的溫升較高,已經超過了電機溫升的限值,單風冷結構無法有效冷卻電機的定子和繞組部分,為了降低電機定子和繞組的溫升,需要設計更有效的冷卻結構,即混合冷卻結構。

混合冷卻結構分為兩部分,一部分是風冷結構,另一部分是水冷結構。風冷結構主要對永磁體和轉子進行冷卻,降低轉子和永磁體的溫升,防止永磁體發生不可逆退磁而導致電機故障。水冷結構主要對電機定子和繞組進行冷卻,相比于永磁體和轉子,定子和繞組部分的損耗更大,且散熱更加困難,采用水冷結構進行冷卻,可以有效降低定子和繞組的溫升。

因為風冷結構主要冷卻永磁體和轉子,不需要冷卻定子和繞組,所以對風冷結構做適當的簡化。簡化如下:取消電機機殼上的出風口;將電機進風口和出風口均設置在電機端蓋上;改變電機的進風口和出風口形狀,增大電機端蓋的散熱面積。

簡化后的電機端蓋風冷結構如圖8所示。

本文電機的定子不存在軛部,定子之間無法連接,需要特殊的定子架將電機的定子固定在一起,因此本文的水冷結構以電機特殊的定子架為依托進行設計,將水冷水道設置在定子架中,從而充分利用了定子架的結構,并有效降低了電機的溫升。電機的水冷結構如圖9所示。

圖9 電機水冷結構圖

4.2 不同流速對電機溫升的影響

由于電機風冷結構主要冷卻轉子和永磁體,水冷結構主要冷卻定子和繞組,所以分析風速對電機散熱的影響可以用轉子和永磁體溫度判斷,分析水速對電機散熱的影響可以用定子和繞組溫度判斷。

圖10為不同風速對電機溫升的影響。由圖10可知,隨著風速的增加,轉子和永磁體的溫度持續下降。轉子溫度更低是因為更加接近端蓋風冷結構。

圖10 不同風速對電機溫升的影響

圖11為不同水速對電機散熱的影響。隨著水速的增加,電機定子和繞組的溫度不斷下降,與理論分析相吻合。

圖11 不同水速對電機溫升的影響

綜上所述,流體流速的增加可以增強冷卻結構的散熱效果,但是流體流速的不斷增加會出現飽和區,即流速的變化較大,溫度的變化卻很小,無法獲得更好的散熱能力。所以,并不是流體流速越大,散熱效果越好。綜合考慮,最終選擇風冷結構的入口風速為15 m/s,水冷結構的入口水速為2 m/s。

4.3 溫度場仿真分析

混合冷卻結構電機的各部件溫度分布云圖如圖12所示。其中,圖12(a)的定子最高溫度為95.29 ℃,位于定子中心位置,定子中心未與水冷結構接觸,散熱效果較差。而定子其他位置與電機繞組相接觸,兩者之間存在熱傳導,散熱效果較好。

圖12 混合冷卻電機各部分溫度

由圖12(b)可知,電機繞組的最高溫度為81.21 ℃,最高溫度出現在水道出水口附近的繞組端部上,在出水口處冷卻水的溫度較高。繞組最高溫度低于定子最高溫度,因為繞組與水冷結構的傳輸厚度最小,所以散熱效果最好。

由圖12(c)可知,永磁體的最高溫度為100.9 ℃。永磁體未與水冷結構接觸,同時,永磁體的渦流損耗較大,發熱量較高,散熱效果較差。因此為了降低永磁體的溫度,設計了端蓋風冷結構來降低永磁體的溫度。

由圖12(d)可知,轉子最高溫度為91.76 ℃,低于永磁體最高溫度,轉子的鐵耗小,且轉子直接和端蓋接觸,可以由端蓋風冷直接冷卻,因此散熱效果好于永磁體。

5 結 語

針對雙轉子單定子AFPM電機的散熱問題,本文提出了一種新型的雙轉子單定子AFPM電機混合冷卻結構,并進行了溫度場仿真分析,得出了以下結論:

1)隨著冷卻流體的流速增加,電機溫度下降趨勢減緩,達到溫度下降飽和區,因此需要選擇最合適的入口流速,保證達到最好的散熱效果;

2)混合冷卻結構具有較高的冷卻效率,可以有效降低電機各部分的溫度,使得電機的溫度不超過電機H級絕緣的溫度極限,保證電機長時間平穩運行。