大功率高速永磁电机三维全域热-流场分析_王天煜.pdf

.大 电 机 技 术电 机 部 分大功率高速永磁电机三维全域热流场分析王天煜，齐福园，白 斌，张诗琦（.上海电子信息职业技术学院，上海；.沈阳工程学院，沈阳；.辽宁清原抽水蓄能有限公司，辽宁 抚顺）摘 要 大功率高速永磁电机采用空水冷混合冷却系统，同时存在水流域和空气流域，常规的单流域数值计算简化模型很难精确计算电机温度场。本文以一台.、的空水冷高速永磁电机为例，建立三维全域流固求解域模型，提出多层变尺度网格划分方法，实现对电机网格的精细化控制。采用有限体积法对流体场及温度场进行耦合计算，揭示了水流场与空气流场的流动特性以及电机内各个部件的温度场分布特性。将全域热流场计算结果与实验结果进行对比，验证了计算方法的准确性。基于全流域计算结果，拟合出对流换热系数与双螺旋水道轴向位置的关系式。为高速永磁电机冷却系统优化设计等相关研究奠定基础。关键词 高速永磁电机；温度场；流体场；有限体积法；耦合分析中图分类号 文献标志码 文章编号（），（，；，；，）：，：；基金项目：国家自然科学基金（）；辽宁省自然科学基金（）前言高速永磁电机（，）可靠性高、效率高、功率密度高，广泛应用于汽车、航空、鼓风机、压缩机等高速负载领域，特别是大功率高速电机，在国防及重大工业领域有着迫切的需求。目前大功率高速永磁电机的转子多为表贴式结构，护套材料以碳纤维为主。碳纤维护套径大功率高速永磁电机三维全域热 流场分析.向导热能力较差，造成转子散热困难，转子温升高。高温状态下永磁体易发生退磁，因此温升问题已成为大功率高速永磁电机产业化的瓶颈。欲解决转子温升问题，需对电机温度场进行准确计算。国内外学者针对温度场计算方法的研究已取得很多成果，近年来应用较多的为有限元法、有限体积法。为提高计算效率，通常对电机模型进行简化，文献中选取基于丁胞水冷结构的高速永磁电机的 模型进行计算，将水道对流换热系数视为常值。文献中选取空冷电机的 模型进行温度场求解，未设置水道，通过设置周期边界实现对全域的模拟。简化模型虽然可以降低计算量，提高计算效率，但在计算过程中电机的流体域被分割，无法直接模拟对流换热过程，对流换热系数多采用估算值，影响计算精度。对于螺旋水道，上述采用设置周期边界的方法并不适用。针对上述问题，本文以一台.、的空水混合冷却高速永磁电机为例，建立三维全域流固求解域模型，提出多层变尺度网格划分方法实现对电机网格的控制，采用有限体积法对电机全域热流场进行计算，分析了高速永磁电机三维全域内的热流特性。通过与实验结果对比，验证计算方法的准确性，并根据温度场模拟结果拟合出换热系数与水道轴向位置的关系。物理模型及边界条件.电机主要结构与设计参数本文以一台.、转速为 空水冷电机为例。电机的损耗计算已在文献和中详细论述，电机的具体设计参数见表。表 电机设计参数电机参数数值电机参数数值功率 额定电压 额定电流 转速（）定子外径 转子外径 极数气隙尺寸 定子内径 定子槽数.边界条件及基本假设根据工程实际，给出电机稳态工作下的基本假设：（）电机的损耗作为热源，赋值在损耗主要发生位置且分布均匀；（）绕组端部进行平直化等效处理，绕组铜线等效为铜条；（）电机内部流体流动过程中的雷诺数较大，需以湍流模型进行求解；马赫数较小，流体视为不可压缩流体；（）针对电机稳态运行研究，不考虑时间项对电机内部热流场的影响；（）电机在标准大气压下工作，忽略流体的浮力和重力对流体场的影响。根据假设条件，结合工程实际，给出如下流体场与温度场耦合的求解边界条件：（）电机风冷系统以 的速度将 的空气送入电机入风口；（）冷却水入口流量为 ，温度为；（）电机转速为 。.三维全域求解模型的建立基于电机基本假设，根据电机的设计参数及结构特点，建立 三维全域流固耦合有限元模型。定子由定子铁芯和绕组组成，如图 所示，定子设有内、外风道，气隙与内风道相通。永磁转子采用表贴式结构及碳纤维保护套，如图 所示。图 电机定子有限元模型图 转子有限元剖面模型图 为电机流体域模型。电机内部流体域包括冷却水流体域以及内、外风道和气隙构成的空气域。图（）为电机空气域，冷却气体从电机一侧流入，通过轴向的风冷通道从另一端流出，形成全轴风冷系统；图（）为机壳中双螺旋水槽形成的水道内流体.大 电 机 技 术域，设有两个入水口和两个出水口。为实现对于转子转动的模拟，本文采用旋转坐标系的方式模拟转子转动。图 电机流体域有限元模型.网格划分.网格划分原则流体温度场仿真对网格质量要求较高，网格结果对数值模拟的精确性有很大影响。有限元网格划分既要准确描述几何形状，也要准确描述变形梯度。为更好反映尺寸梯度较大区域的数据变化，应采用较为密集的网格。随网格密度增加，计算精度提高，但计算效率相应降低，所以网格的合理分配至关重要。此外网格间应保证良好过渡，网格密集区域与网格稀疏区域之间的过渡应相对平稳，否则将影响计算结果的准确性。体积大，内部结构复杂，且存在流固耦合面，若要保证网格质量，则网格数量及计算量均很大。因此电机网格分配及控制是电机全域热流场分析的关键。.网格划分方法为实现对电机网格质量与数量的精细化控制，本文提出多层变尺度的网格划分方法。具体方法是将形状复杂的模型剖分成多个几何形状相对简单的模型，或在几何模型尺寸变化梯度较大的方向上进行分割，减小单个几何模型的尺寸梯度；优先划分尺寸较小、网格较密的部分；再对相邻部分逐个划分，并控制网格尺寸及数量，保证网格平稳过渡。电机内部空气域中气隙厚度为，而机壳内径为，径向尺寸变化梯度大且形状复杂。首先将电机气隙剖分成一个形状规则的圆环体，简化几何模型的复杂程度，并将剖分出来的气隙设置为旋转坐标系中的转动区；继续剖分空气域，剖分出一个过渡层，减小空气域径向上的尺寸变化梯度。气隙为网格细密区，优先对气隙进行划分，后划分与其相邻部分。在对电机定子进行剖分时，为减小定子铁芯尺寸变化梯度，使定子铁芯部分的网格能从槽口位置平稳过渡到定子轭，将定子槽口位置单独剖分出来，如图 所示。图 电机定子铁芯剖分示意图.网格划分结果电机整机模型网格划分结果如图 所示。由图中可以看出，气隙处径向尺寸较小，为保证网格质量，此处的网格尺寸小。端部平直化后的绕组、水道内的水流域等几何形状相对比较规则的部分，网格以 面体网格为主。电机端部空气域尺寸较大，且形状复杂，网格主要表现为四面体网格，且网格粗大，以减少网格数量。图 网格划分结果图最终网格数量为，在计算机可承受计算量范围内。网格质量采用 标准进行评价。最大倾斜指数为.，小于.，可知网格质量良好，可以基本保证流体计算的准确性。热 流特性分析.流体场分析根据边界条件与基本假设，基于有限体积法对三维全域流固耦合模型进行数值计算，流体场特性如下：图 为电机稳态下的风冷速度云图。空气为黏性流体，受转子转动影响，转子附近空气流速较高。径向上风冷介质整体流速自转子向机壳方向逐渐衰减。大功率高速永磁电机三维全域热 流场分析.外风道为轴向流道，流动平稳，无旋流，流速均匀。内风道与气隙内流体均以旋流状态流动，受轴向流速影响，内风道出口端转子附近出现多处旋流，提高了转子出口侧端部的散热效果。图 平面上空气域速度分布云图内风道与气隙相通，两者共同构成的流道形状较为复杂。图 为 平面上单个内风道的速度矢量图。图 为 平面上电机气隙与内风道局部压力云图。气隙内的流体随转子转动而周向运动。周向均布于气隙之上的内风道尺寸远大于气隙。流体流经内风道时，尺寸增大，流速减小，压强增大，呈现逆压梯度流动，形成旋流。风冷介质沿电机轴向流动，又随转子周向流动，在气隙内形成旋流，实现转子散热。图 内风道及气隙的速度矢量图图 平面上空气域的压力云图水道形状规则，水路平滑，流速较慢，流速梯度小，流动状态以层流为主。图 为 截面上水道流速分布云图。水道云图形状相对规则。可知两条水流道横截面上的流体流速变化趋势基本相同。水流道截面为矩形，流体因黏性作用，在边角附近位置的流速较低，流速接近零。水流道中间位置，流体流速最快，可达.。图 水道流速分布云图.温度场计算结果电机内部温度场整体分布情况如图 所示。转子中间散热条件较差，温度较高，在护套与永磁体处发热严重，呈现高温集中区，最高温度为.。内风道中流体温度高于外风道，受外风道出口风温影响，内风道出口伸出端的下层绕组温度有轻微降低。图 全域温度场分布云图图 为各部件温度对比，图 为转轴温度分布云图，由图 和图 可知，转子温度整体高于定子。护套、转轴、永磁体在轴向上温度梯度较大，定子铁芯径向上温度梯度较大，接近转子的位置散热条件差，温度最高。护套径向导热能力差，故平均温度高于永磁体，转子有效部分由于散热困难，径向上温度梯度不大。.大 电 机 技 术图 电机主要部件的温度关系图图 转轴温度分布云图 实验验证基于上述冷却方案及物理模型，加工了一台样机，样机温升实验平台如图 所示。图 温升实验台样机用齿轮箱连接带动负载，变频驱动器（）供电。定子绕组预埋测温传感器，转子采用红外线温度传感器测温，以测量电机稳态（每小时内温度变化不超过.）下转子温度。温升实验的实际环境温度与计 算 的 环 境 温 度 相 同。样 机 带 负 载 在 转 速 下运行，温升实验结果与模拟结果对比见表。经对比可知计算温度结果与实测值基本一致，误差可控制在 以内，从而验证了数值计算方法的正确性。表 模拟结果与实验结果对比位置实验温度 模拟温度 误差 内风道.入风口侧绕组.定子铁芯.定子轭.内风道.出风口侧绕组.定子铁芯.定子轭.对流换热系数为准确确定对流换热系数，便于简化模型计算，可由解析法推导出水流域对流换热系数与水流道轴向位置关系。并基于全域热流场计算结果拟合关系式系数，对流换热系数通常通过牛顿冷却公式（）进行计算：（）其中，为热流密度；为流体与固体壁面间的温度差。电机温度场计算中不考虑辐射传热。将傅里叶定律应用于贴壁流体层可得：（）将两式联立得到：（）其中，为换热系数；为流体导热系数。通过全域温度场计算，可知不同点的热流密度与换热面流固温差，带入计算得出水道不同轴向位置的换热系数如图 所示。图 不同位置的换热系数 在电机温度场计算中，通常为换热系数 为未知的第三类边界条件问题。局部换热系数特征方程为：.（）大功率高速永磁电机三维全域热 流场分析.其中，为努塞特数，为特征长度为 的雷诺数；为普朗特数；为流体流速；为流体运动黏度；为热扩散率。对特征方程从 到 积分（其中 为电机水道周向长度），可将计算结果整理成换热系数与水道轴向位置的关系式：（）其中，为水流道轴向位置；经数据拟合可得系数 .，.，。结论本文针对一台.、的高速永磁电机进行全域热流场耦合分析，得到如下结论：（）基于有限体积法建立三维全域热流耦合精细化模型，分析高速电机流体场、温度场特性，并与实验结果对比，验证了计算方法的准确性；（）提出多层变尺度的网格划分方法，保证网格质量的前提下，控制网格数量，提高运算效率；（）基于精细化模型计算结果，通过数据拟合，得出对流换热系数与水流道轴向位置关系式，为冷却系统优化设计奠定基础。参 考 文 献 董剑宁，黄允凯，金龙，等 高速永磁电机设计与分析技术综述 中国电机工程学报，（）：张凤阁，杜光辉，王天煜，等 高速电机发展与设计综述 电工技术学报，（）：梁得亮，褚帅君，贾少锋，等 高温高速永磁电机关键技术研究综述 西安交通大学学报，（）：，：，（），：，：沈建新，秦雪飞，尧磊，等 高速永磁电机转子强度分析与护套设计 中国电机工程学报，（）：佟文明，程雪斌，舒圣浪 高速永磁电机流体场与温度场的计算分析 电工电能新技术，（）：，：张超，陈丽香，于慎波，等 不同保护型式下的高速表贴式永磁转子应力与温升分析 电工技术学报，（）：兰志勇，王琳，徐琛，等 高速永磁同步电机温度场及水冷分析 电气传动，（）：陈进华，刘威，张驰，等 基于丁胞水冷结构的高速永磁电机温度场分析 电机与控制学报，（）：，：，（）：，：王天煜，温福强，张凤阁，等 兆瓦级高速永磁电机转子多场耦合强度分析 电工技术学报，（）：田雨，杜志叶，柳双，等 有限元电场计算时模型表面网格精细控制方法 电力自动