兆瓦級高速永磁電機新型轉子冷卻結構研究

摘 要：兆瓦級高速永磁電機轉子側無強迫冷卻措施時轉子側溫升高、永磁體失磁風險高，基于此問題，提出一種新型的加強筋轉子軸向通風結構，該結構能夠提高轉子側的壁面對流散熱系數、提升轉子側的散熱能力、降低電機溫度。以一臺1 MW、18 000 r/min的高速永磁電機為例，建立該電機的三維全域流固耦合求解模型，基于計算流體力學和有限元法對電機流體場與溫度場進行分析，揭示電機在額定工況下的流體與溫度分布規律。將新冷卻結構與傳統冷卻結構的散熱性能及溫升變化進行對比，驗證新型冷卻結構在提升電機散熱性能方面的有效性。最后，分析入口風速對電機最高溫度的影響，得到適合該冷卻結構的入口風速范圍，為外部風壓設備的選擇提供理論支撐。

關鍵詞：兆瓦級高速永磁電機；電機損耗；轉子通風冷卻；流體場；溫度場；冷卻結構優化

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號：TM351文獻標志碼：A

Investigation of new rotor cooling structure optimization in a MW high-speed permanent magnet motor

CAI Wei， NIU Jinhua， TANG Yue

（School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：When there is no forced cooling measures on the rotor side of the MW high-speed permanent magnet motor， the rotor side temperature rises and the risk of permanent magnet demagnetization is high. Based on this problem， this paper proposes a new axial ventilation structure with reinforced ribs， which can improve the wall heat transfer coefficient on the rotor wall， enhance the heat transfer capacity of the rotor side， and reduce the temperature of the motor. In this paper， a three-dimensional global fluid-solid coupling solution model was established for a 1 MW， 18 000 r/min high-speed permanent magnet motor， and the fluid field and temperature field of the motor were analyzed based on computational fluid dynamics and finite element method. The distribution of fluid and temperature of the motor under rated working conditions is revealed. The heat dissipation performance and temperature rise change of the new cooling structure was compared with that of the traditional cooling structure， and the feasibility of the proposed new cooling structure in improving the heat dissipation performance of the motor was verified. Finally， the effect of inlet wind speed on the maximum temperature of the motor was analyzed， and the suitable inlet wind speed range for this cooling structure was obtained， providing theoretical support for the selection of external wind pressure equipment.

Keywords：MW high-speed permanent magnet motor; motor losses; rotor ventilation cooling; fluid field; temperature field; cooling structure optimization

0 引 言

高速永磁電機具有功率密度高[1]、傳動效率高[2]、動態響應快[3]等優點，在航天用電機、壓縮機、船舶供電、空調離心機、高速空壓機、精密電子等領域獲得了廣泛應用，是當前國內外電機研究領域的熱點之一。

然而，高速電機轉速高、繞組電流頻率和鐵心中的磁通交變頻率高[4]、損耗密度高[5]，這使得該類電機轉子側發熱嚴重、散熱困難。文獻[6-7]采用軸向通風的方式來對高速永磁電機轉子側進行冷卻，冷卻風由電機一側進入，流經電機內氣隙等區域，帶走電機部分熱量，由電機另一側流出。但轉子軸向長度一般較長，風摩損耗占比大，轉子散熱困難[8]，且氣隙中的空氣熱阻高，碳纖維護套導熱能力差，傳統冷卻方法已無法滿足散熱要求。因此，在滿足電機設計指標、達到電氣要求的前提下，設計高效的轉子冷卻方法和冷卻系統，對于大功率高速永磁電機而言格外重要[9-10]。

目前，眾多國內外學者采用計算流體力學的方法對高速電機的傳熱理論展開分析研究。文獻[11]針對一臺1 020 kW、19 000 r/min的高速永磁電機提出混合通風冷卻散熱系統，對轉子表面風摩損耗及流體場做出系統的分析研究。文獻[12]針對一臺75 kW、60 000 r/min的高速永磁電機，通過流體場分析計算了轉子空氣摩擦損耗，總結了空氣摩擦損耗與電機轉速之間的關系。文獻[13]針對一臺10 MW、10 000 r/min的空冷實心轉子感應電動機提出“三進兩出”的通風冷卻結構，有效降低了電機的最高溫度。上述研究雖對通風結構做出了改進，但對電機轉子側的溫升影響較小，高速永磁電機的轉子側溫度高、永磁體失磁的問題依舊存在。

本文以一臺1 MW表貼式高速永磁同步電機為例，建立該電機的三維全域流固耦合求解模型與冷卻系統結構模型，采用計算流體力學和有限元的方法對溫度場與流體場進行求解分析，揭示了電機內溫度分布與流體分布的規律。由于原始冷卻結構電機轉子側無強迫冷卻措施時轉子側溫升高、永磁體失磁風險高，因此本文提出一種新型的加強筋轉子軸向通風結構，該結構能夠增強轉子側的對流散熱，進而降低轉子溫度，通過對比新型冷卻結構與傳統冷卻結構的散熱性能，驗證了所提出的新型冷卻結構的合理性。

1 三維流固耦合傳熱模型的建立

1.1 數學模型

基于流體力學和傳熱理論，建立兆瓦級高速永磁電機的三維全域流固耦合求解數學模型，該數學模型滿足質量、動量、能量三大守恒定律[14]，表達式為：

式中：k為流體湍流的動能；ε為擴散因子；σk和σε為普朗特數；G1ε和G2ε為常數；Gk為湍流發生率。

1.2 物理模型

本文所研究的電機為一臺1 MW、18 000 r/min，4極27槽的兆瓦級高速永磁電機，根據高速永磁電機設計指標及要求，電磁方案需滿足電機在額定及峰值工況下穩定可靠運行，原電機三維全域流固耦合求解模型如圖1所示，電機的基本參數如表1所示。兆瓦級高速永磁電機損耗大，單一的冷卻方式不能滿足本電機的散熱需求，因此，本文采用機殼雙螺旋水冷和轉子外部強迫風冷混合冷卻的方式，冷卻系統結構如圖2所示。其中通風道包括定子槽口內風道及氣隙兩部分，位于圖1的空氣域，如圖2（a）所示，雙螺旋水路位于圖1的定子機殼內，如圖2（b）所示。

1.3 溫度場等效模型及邊界條件確定

1）溫度場等效模型及傳熱系數。

為進行溫度場模擬，將繞組絕緣漆、絕緣紙和定子槽內空氣等替換為等效絕緣層，如圖3所示。絕緣層的導熱系數、密度和比熱容可由下式確定[17]：

式中：v1、v2分別為轉子、轉軸外表面線速度；Reb、Nub分別為定子繞組端面氣隙雷諾數、努塞爾特常數；D1、D2分別為定子內外徑；n為電機轉速；γ為空氣運動粘度系數。

2）基本假設及邊界條件。

針對高速電機內流體特點及傳熱情況給出溫度場和流體場求解的基本假設和邊界條件[14]：

1）根據計算流體力學（computional fluid dynamics，CFD）理論，電機內部的流體由于轉速較低，被認為是不可壓縮的。

2）本文只考慮電機內部的熱對流和導熱，不考慮熱輻射對溫升的影響。

3）認為電機各部件損耗均勻分布。

4）水路入口溫度為50 ℃，入口流量為7 L/min。本文認為水路壁面系數是均勻分布的，平均對流傳熱系數為2 400 W/（m2·℃）。

5）風路采用流固耦合進行求解，計算模型為湍流模型，給定入口速度13 m/s，入口溫度為環境溫度，出口為標準大氣壓。

6）轉子旋轉所帶動的氣隙空氣沿周向旋轉，轉子與空氣耦合面的周向旋轉角速度為18 000 r/min。

1.4 熱源激勵

研究電機熱特性的前提需要準確計算得到熱場的熱源，即電機的各項損耗，本文中的損耗值均為電機在轉速18 000 r/min時的額定負載工況下求得，求取電機的各項損耗分析如下所示，其中下列分析中包括定子鐵耗、轉子渦流損耗、交流銅耗、風摩損耗。

1）定子鐵耗。

考慮到定子鐵心溫度對繞組溫度影響較大，建立其二維有限元模型，電機正常運行時的鐵損密度分布如圖4所示。

3）交流銅耗。

交流銅耗Pac包括直流銅耗Pdc和高頻附加銅耗Pad，受趨膚效應、鄰近效應的影響，本文采用有限元法建立每個導體的實體模型，根據導體剖分單元上的電密J，繞組電密圖如圖6所示，對每個單元進行積分得繞組的總交流損耗，表達式為[19]：

式中：l為導體長度；J為電密；A為矢量磁位。

4）風摩損耗。

風摩損耗Pf是由于高速旋轉的轉子與靜止的空氣產生相對速度而產生的，本文中的轉子旋轉速度高達數萬轉，產生的風摩損耗更是遠超普通電機，在耦合能量方程的前提下，利用三維流體場法對電機進行穩態分析，其基本原理符合[12]：

Pf=Pout－Pin。（10）

式中Pout、Pin分別為風道出入口總能量。根據有限元求得風摩損耗為2 073.4 W。

將以上得到的各項損耗計算熱源的生熱率，最終將所得到的生熱率賦值到熱源設置的模塊中完成。電機生熱率是指電機穩態運行的過程中，單位體積內的電機損耗所產生的熱量值，其表達式為[20]

Q=P／V。（11）

式中：Q為生熱率；P為電機發熱部件損耗；V為電機發熱部件體積。電機損耗與升熱率如表2所示。

1.5 流體場與溫度場的分析

基于以上假設和基本條件，將熱源升熱率賦值到熱源設置模塊等，對電機三維全域傳熱模型的流體場與溫度場進行求解分析。

電機流體流速分布如圖7所示，空氣域內對流散熱系數分布如圖8所示。由圖7可知，空氣域軸向風道與氣隙側流體流速、軸向風道頂端與底端流速分布均相差較大，越靠近氣隙側流體分布越密集，流速越大，其最大流速位于氣隙側內表面，為132 m/s，受開口槽影響，定子槽口中間的流體分布要大于槽口兩側，總體分布合理。受流體分布及流速影響，氣隙側平均對流散熱系數可達447.8 W/（m2·℃），受轉子高轉速的影響，對流散熱系數越靠近轉子表面的數值越大；其中軸向風道的平均對流散熱系數可達212.6 W/（m2·℃），受開口槽影響，定子槽口中間的散熱系數要大于槽口兩側。

由于軸向風道頂部和底部的對流散熱系數相差較大，因此下面對軸向風道側進行流體分析。對流換熱是流體和與之接觸的固體壁面之間的熱量傳遞過程，部分流體分析的直線如圖9所示，在軸向風道不同位置分別畫直線1、2，其中直線1靠近軸向風道底部，直線2靠近軸向風道頂部槽口位置。圖10為空氣域對流散熱系數的分布，其中直線1的平均對流散熱系數為256.7 W/（m2·℃），直線2的平均對流散熱系數為476.6 W/（m2·℃），兩者相差較大，由此可知，在轉子高轉速的影響下，越靠近槽口側散熱效果越好，靠近軸向風道頂部的散熱效果遠大于軸向風道底部的散熱效果。

電機溫度場分析如圖11所示，在環境溫度為室溫的狀況下，定子鐵心溫度分布如圖11（a）所示，定子繞組溫度分布如圖11（b）所示，永磁體溫度分布如圖11（c）所示，轉子溫度分布如圖11（d）所示。由圖11（a）可知，定子部分的高溫區域主要集中在定子槽內部分，最高溫度達到82.7 ℃，圖11（b）定子繞組的最高溫度達到89.7 ℃。由圖11（c）可知，電機的最高溫度出現在永磁體中間側，為150.4 ℃。其次是圖11（d）轉子的溫度分布，最高溫度為150.3 ℃，出現在轉子軸向中間處，依次向兩端降低，這是由于表貼式兆瓦級高速永磁電機永磁體位于轉子表面，而高速永磁電機的轉子軸向長度一般較長，轉子散熱困難導致永磁體散熱困難，轉子外部強迫風冷的通風結構的轉子部分溫度較高，轉子內永磁體極易發生不可逆退磁，其冷卻效果還有待改進。

2 新型冷卻結構電機熱特性分析

2.1 加強筋轉子軸向通風結構設計

由于電磁設計和磁鋼裝配等需求，表貼式高速永磁電機永磁體極間間隙一般填充非導磁導電的高強度塑料，高溫高強度塑料導熱系數低、熱阻大，導致溫升增加，電機在高溫情況下，特別是轉子高溫情況下，轉子內永磁體易退磁，從而影響電機的正常運轉，因此高導熱特性的材料對高速電機轉子具有重要作用。本文在保證電機的電磁性能不變的情況下，將該電機永磁體極間間隙的高溫高強度塑料替換為高導熱特性的填充鋼材料，通風冷卻結構改進為加強筋轉子軸向通風結構，如圖12所示，圖12內的加強筋結構如圖13所示。

改進后的通風域圖12與改進前的通風域圖2（a）相比，原有的通風道不變，增加圖13的加強筋通風道結構，加強筋位于每對永磁體之間的間隙內，布設一周，共計4個，加強筋內部為通風區域，沿軸向方向每個加強筋有5個等面積開口。該冷卻結構的優點是當轉子高速旋轉時，冷卻風在離心力的作用下會將冷卻介質壓入加強筋內部，加強筋沿軸向表面有數個徑向通風孔，使得冷卻介質直接帶走永磁體和轉子鐵心熱量，從而提高轉子側內部的散熱效率。改進后的求解模型如圖14所示。

2.2 新型冷卻結構電機與原冷卻結構電機的熱特性對比

在其他條件不變的情況下，對新型冷卻結構電機進行流體場和溫度場求解。改進后的流體流速分布圖如圖15所示，最高速度為261 m/s，位于加強筋內，與原始電機最高速度相差129 m/s，加強筋作為新的通風區域出現流體分布，流速大都分布在104～156 m/s之間。

不同結構改進前后平均對流散熱系數對比，如圖16所示。由其前兩項對比可知，氣隙和軸向風道側平均對流散熱系數改進后均有所降低，這是由于加強筋的引入使得風量更加向轉子側集中，但降低幅值可忽略不計。其中永磁體和轉子的壁面對流散熱系數分別是234.8、256.9 W/（m2·℃），相較原始電機兩者分別增加了135.6、111.7 W/（m2·℃）。這是由于改進后空氣域加強筋中的5個等面積開口使冷卻介質和永磁體、轉子直接接觸，如圖17所示。改進前永磁體流固接觸面為A面，轉子流固接觸面為C面，即改進前轉子側僅通過氣隙和端面進行散熱。而改進后永磁體和轉子的流固接觸面分別增加B面及D面，散熱面積共增加了10 348 mm2，故改進后轉子側不僅通過氣隙和端面進行對流傳熱，還通過加強筋內部風道由冷卻介質帶走轉子側部分熱量，因此改進前后對流散熱系數差別較大。

新型冷卻結構電機額定運行時溫度分布如圖18所示，圖19為改進前后的溫度對比圖。結合兩圖來看，圖18（a）、圖18（b）均較改進前增加了1.2 ℃，可忽略不計，由圖16前兩項可知，氣隙、軸向風道改進后散熱系數減小，由圖18（c）可知，電機的最高溫度出現在永磁體中間側，為138.6 ℃。其次是圖18（d）轉子的溫度分布，最高溫度為136.6 ℃，由永磁體和轉子溫度分布云圖可知，最高溫均出現時，該電機的最高溫度是138.6 ℃，位于圖18（c）永磁體中間部分，相較改進前永磁體150.4 ℃降低了11.8 ℃，圖18（c）、圖18（d）溫度均有所降低，降低的原因為改進后轉子側散熱面積增加，對流散熱系數增大，兩者散熱效果增強，溫度降低。

該電機的通風結構改進為加強筋轉子軸向通風結構后，其優點是轉子側溫度降低，其不足之處是改進后的電機風摩損耗增大。下面對風摩損耗增大而電機溫度下降原因做進一步的詳細數據分析。表3為通風冷卻改進前后的數據對比。

對比通風冷卻方案改進前后，在入口流量保持一致的情況下，新型冷卻結構電機的風摩損耗較優化前變大，這是由于高速永磁電機的風摩損耗主要由轉子與氣隙摩擦產生，改進后的電機轉子于永磁體極間間隙增設加強筋通風道，與冷卻介質的接觸面積變大，在電機高轉速的影響下，通風域內最高風速變大，風摩損耗隨之變大，風摩損耗較優化前增加408 W，占比電機總損耗1.9%，對電機影響因子較小。

對比通風冷卻方案改進前后的電機溫度仿真結果，新型冷卻結構電機轉子側最高溫度為138.6 ℃，比傳統冷卻結構電機降低了7.8%，這是由于改進前永磁體和轉子的對流散熱系數位于兩者端面，內部只能通過熱傳導方式進行間接散熱，散熱困難。而改進后的冷卻風能夠直接在加強筋內流動，電機散熱面積增大、最高風速增大、對流散熱系數增大，永磁體和轉子的壁面對流散熱系數分別增加，在以上因素的影響下使得轉子側溫度大幅降低，且新型冷卻結構電機溫差較傳統冷卻結構電機溫差降低了11.8 ℃，有利于電機可靠運行。

增設加強筋通風道后，雖然風摩損耗變大，但電機與風接觸面積變大，轉子側散熱的效果更加理想，風摩損耗增加占電機總損耗的1.9%，電機的最高溫度較優化前降低7.8%，通過對比兩者數據，綜合考慮，兆瓦級高轉速電機風摩損耗對電機溫升的影響要遠小于加強筋通風道開通后使轉子部位溫度大幅降低的效果。

2.3 入口風速對電機最高溫度的影響

為了研究不同入口風速對電機冷卻的效果，得到了適合該冷卻結構的入口風速范圍，為外部風壓設備的選擇提供了理論支撐，本文分析了入口風速為7、9、11、13、15、17 m/s時電機最高溫度的變化規律。本電機采用的是他扇冷卻，入口最高風速是外部風扇能提供到的。采用三維流體場法求解出不同入口風速對應的風摩損耗及電機最高溫度，可得不同風摩損耗下的電機最高溫度分布，如圖20所示。當入口風速在7～13 m/s之間時，通風域周圍流體流速減小，永磁體、轉子、繞組、定子最高溫度隨電機入口速度的增加下降較快。當入口風速在13～17 m/s之間時，通風域周圍流體流速趨于飽和，永磁體、轉子、繞組、定子最高溫度隨電機入口速度的增加下降趨勢減緩，因此選用13 m/s入口風速，此時電機最高溫度達到138.6 ℃。

3 結 論

本文針對兆瓦級電機轉子過熱問題，提出一種新型的加強筋轉子軸向通風結構，該結構通過提高轉子散熱面積，提升轉子的對流散熱系數，降低轉子溫度。本文對電機的流體場及溫度場進行研究，比較改進前后電機的散熱性能及溫升變化，結果驗證了提出的新型冷卻結構的合理性，得到如下結論：

1）通過對原電機的流體場分析可得，轉子高轉速下氣隙中越靠近轉子表面的散熱系數越大，受開口槽影響，定子槽口中間的散熱系數要大于槽口兩側。電機額定工況下最高溫度出現在永磁體區域，約為150.4 ℃，定子部分的高溫區域主要集中在定子槽內部分，最高溫度達到82.7 ℃，定子繞組最高溫度達到89.7 ℃。

2）采用新型的加強筋轉子軸向通風結構使得轉子側的對流散熱系數與風摩損耗同時變大，風摩損耗較優化前增加408 W，占電機總損耗的1.9%，對電機溫升影響小，電機的最高溫度較優化前的150.4 ℃降低11.8 ℃，比改進前電機溫度降低了7.8%，冷卻效果得到明顯改善，通過對比兩者數據，風摩損耗對兆瓦級高速電機溫升的影響要遠小于加強筋通風道開通后使轉子部位溫度大幅降低的效果。

3）電機的入口風速在7～17 m/s變化時，電機內永磁體、轉子、繞組、定子最高溫度先呈線性下降而后趨于平緩，因此采用13 m/s的入口風速，此時電機最高溫度可達138.6 ℃。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2023-07-21

基金項目：國家自然科學基金（U21A20145）

作者簡介：蔡 蔚（1959—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為驅動電機、功率電子控制器及汽車電動化電驅動系統、低振動噪聲電機等；

牛金花（1999—），女，碩士研究生，研究方向為永磁電機綜合物理場計算、高性能永磁電機設計與分析；

唐 躍（1987—），男，博士，講師，碩士生導師，研究方向為復雜條件下電機綜合物理場計算、電動用高性能永磁電機設計。

通信作者：牛金花