胡鵬飛，靳栓寶，沈 洋，魏應(yīng)三，蘭任生，莊雙江

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輪緣驅(qū)動無軸推進(jìn)器冷卻方案設(shè)計與多物理場耦合計算

胡鵬飛，靳栓寶，沈 洋，魏應(yīng)三，蘭任生，莊雙江

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢430033）

針對輪緣驅(qū)動無軸推進(jìn)器中集成化永磁電機(jī)的散熱問題，設(shè)計了自然循環(huán)的海水冷方案，即在無軸推進(jìn)器槳葉的前、后端開槽，并與電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的氣隙連通，形成閉合的、與推進(jìn)器進(jìn)出流方向相反的自然水循環(huán)通道，冷卻通道的流量由推進(jìn)器槳葉前后截面的壓力差、氣隙的高度等參數(shù)決定。文章基于有限元方法計算了永磁推進(jìn)電機(jī)的電磁性能，并采用有限體積法對輪緣驅(qū)動式集成化永磁電機(jī)推進(jìn)器的冷卻方案進(jìn)行了電磁場、溫度場與流場的耦合計算，校驗了集成化永磁推進(jìn)電機(jī)冷卻方案的有效性。

無軸推進(jìn)器 永磁推進(jìn)電機(jī) 海水冷卻 多物理場耦合分析 數(shù)值計算

0 引言

無軸推進(jìn)是將推進(jìn)電機(jī)集成于推進(jìn)器中，取消推進(jìn)軸系及相關(guān)配套系統(tǒng)、設(shè)備，利用電流傳遞功率輸出的一種新型推進(jìn)技術(shù)。根據(jù)永磁推進(jìn)電機(jī)的布置位置（如圖1所示），可將無軸推進(jìn)器分為輪轂驅(qū)動式和輪緣驅(qū)動式[1,2]。進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著高性能永磁材料的開發(fā)，以及大容量高功率密度永磁無刷電機(jī)技術(shù)的日趨成熟，輪緣式集成電機(jī)推進(jìn)器逐漸從實驗室走向工程應(yīng)用[3-6]。

在輪緣驅(qū)動式無軸推進(jìn)器中，永磁推進(jìn)電機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其運行過程中必然會產(chǎn)生一定的能量損失，而絕大部分的損耗將以發(fā)熱的形式耗散掉，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的工作溫度升高。電機(jī)過高的工作溫度會使永磁體產(chǎn)生不可逆退磁、絕緣老化，嚴(yán)重情況將導(dǎo)致電機(jī)燒毀[7-9]。目前，國內(nèi)外有關(guān)輪緣驅(qū)動式無軸推進(jìn)器的研究主要集中在推進(jìn)器水動力和集成化電機(jī)電磁方案設(shè)計上[2,10,11]，鮮有文章介紹輪緣驅(qū)動式無軸推進(jìn)器冷卻方案的細(xì)節(jié)設(shè)計和整系統(tǒng)分析實際進(jìn)流情況下集成化永磁電機(jī)的冷卻性能。

本研究以輪緣驅(qū)動無軸推進(jìn)器高效冷卻方案設(shè)計為研究目標(biāo)，針對推進(jìn)器導(dǎo)管內(nèi)集成化電機(jī)推進(jìn)器散熱問題，詳細(xì)介紹了如何有效利用槳葉盤面前后的壓力差和電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙作為通道，進(jìn)行無軸推進(jìn)器集成化永磁電機(jī)自然循環(huán)水冷方案的設(shè)計。并且，采用計算流體力學(xué)方法對集成化永磁電機(jī)冷卻通道內(nèi)的實際流動狀況進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，校驗了該冷卻方案的有效性。

1 集成化永磁推進(jìn)電機(jī)電磁性能分析

輪緣驅(qū)動無軸推進(jìn)器主要由永磁推進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)管、葉輪、導(dǎo)葉和輪轂等部件組成，如圖2推進(jìn)器的額定功率為1.76MW。在設(shè)計中采用了雙3相80極480槽永磁推進(jìn)電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為159 rpm，推進(jìn)電機(jī)幾何如圖3所示。降低集成化永磁推進(jìn)電機(jī)的電磁振動，在電機(jī)設(shè)計中同時采用了多相繞組、削極技術(shù)、表貼式磁極綜合優(yōu)化等技術(shù)。

在電機(jī)本體設(shè)計過程中，首先采用商用有限元軟件設(shè)計并分析目標(biāo)電機(jī)的空載電磁性能，包括空載氣隙磁場、磁鏈、反電勢和齒槽轉(zhuǎn)矩波形。從圖4例舉的空載磁鏈及反電勢波形可以看出，目標(biāo)電機(jī)展現(xiàn)出了相當(dāng)正弦的波形，所以具備實現(xiàn)低輸出轉(zhuǎn)矩脈動的性能特點，符合電磁設(shè)計目標(biāo)。優(yōu)化后的永磁推進(jìn)電機(jī)基本尺寸為：定子外徑2.61 m、定子內(nèi)徑2.53 m、永磁體最大厚度24 mm、轉(zhuǎn)子顎部厚度12.6 mm、電磁氣隙高度15 mm毫米、硅鋼片疊片長度228 mm。

由于目標(biāo)集成化永磁推進(jìn)電機(jī)采用了偏心削極等設(shè)計技術(shù)，所以額定工況下的輸出轉(zhuǎn)矩波形十分平滑參看圖5。其峰峰值轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)僅僅為0.0423%（西門子大型永磁直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)設(shè)計要求為不高于0.5%），據(jù)此可以達(dá)到較高的低噪聲運行水平。圖6展示了目標(biāo)推進(jìn)電機(jī)的負(fù)載磁密與磁力線分布圖。計算結(jié)果表明，永磁推進(jìn)電機(jī)定子的鐵耗為1.013 kW，銅耗為55.4 kW，并將作為發(fā)熱源代入下一步計算中。

2 輪緣驅(qū)動無軸推進(jìn)器冷卻方案設(shè)計

必須設(shè)計有效的散熱方式，保證大功率永磁電機(jī)運行中能夠?qū)㈦姍C(jī)內(nèi)所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)和散發(fā)出去。據(jù)此，提出了一種在推進(jìn)葉輪的前、后端開槽，并與電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子間的氣隙連通，形成閉合的自然水循環(huán)通道（如圖7所示）對大功率輪緣驅(qū)動式集成化永磁電機(jī)進(jìn)行冷卻的方式。其中，冷卻通道中的冷卻介質(zhì)水的流量，由泵噴葉輪前后截面的壓力差、氣隙的高度、厚度等參數(shù)決定。

3 無軸推進(jìn)器冷卻方案的性能分析

傳統(tǒng)的電機(jī)散熱計算方法如簡化公式法、等效熱路發(fā)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞?、有限元、有限差分法很難精確計算在實際進(jìn)流情況下輪緣驅(qū)動式集成化永磁電機(jī)推進(jìn)器的散熱和冷卻情況。本文采用有限元與有限體積法相結(jié)合方法計算集成化永磁推進(jìn)電機(jī)推進(jìn)器冷卻方案的性能。其中，有限元方法用來計算永磁推進(jìn)電機(jī)的電磁性能，并將計算得到的電機(jī)鐵耗和銅耗輸入到基于有限體積法建立的輪緣驅(qū)動式無軸推進(jìn)器的水動力模型中，最終計算出實際進(jìn)流條件下無軸推進(jìn)器的冷卻性能，指導(dǎo)推進(jìn)器的下一步優(yōu)化設(shè)計工作。

圖2顯示的是輪緣驅(qū)動式無軸推進(jìn)器的三維幾何模型。圖8顯示了整個無軸推進(jìn)器數(shù)值計算模型的計算域大小，其中計算域徑向大小選擇20D（D為推進(jìn)器直徑）；尾流計算域40D；進(jìn)流計算域為8D。

在數(shù)值計算建模中，采用全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格完成無軸推進(jìn)器的網(wǎng)格劃分，圖9（a）顯示了導(dǎo)管壁面網(wǎng)格，圖9（b）顯示了推進(jìn)器葉輪和導(dǎo)葉葉片的壁面網(wǎng)格，圖9（c）顯示了推進(jìn)器電機(jī)1/80模型的壁面網(wǎng)格分布，整個計算域的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為4873萬。

為了增加數(shù)值計算的穩(wěn)定性，輪緣驅(qū)動式無軸推進(jìn)器推進(jìn)性能的數(shù)值計算采用分步逐漸增加轉(zhuǎn)速的方法來完成，即先計算無軸推進(jìn)器轉(zhuǎn)速為零時的流場，然后逐漸增加推進(jìn)器轉(zhuǎn)速，來模擬推進(jìn)器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)流場，直至整個計算域流場穩(wěn)定。計算得到無軸推進(jìn)器和電機(jī)氣隙內(nèi)流場的流線分布可以參看圖10，此時氣隙的流量達(dá)到了426 kg/s。圖11（a）顯示了永磁推進(jìn)電機(jī)定子的三維溫度分布情況，圖11（b）顯示了電機(jī)定子沿徑向的溫度分布情況，圖11（c）顯示了永磁推進(jìn)電機(jī)定子1/80模型的徑向溫度分布情況。可以看出，無軸推進(jìn)器在額定工況下的定子槽內(nèi)最高溫度為60.4℃，其結(jié)果小于H級絕緣等級規(guī)定的最高工作溫度120°。結(jié)果表明，該散熱方案是有效的，能夠滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文以輪緣驅(qū)動式無軸推進(jìn)器中的1.76 MW永磁推進(jìn)電機(jī)為研究對象，通過在推進(jìn)器槳葉的前、后端開槽，并與電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的氣隙連通，利用推進(jìn)器葉輪前后截面的壓力差設(shè)計了閉合的、與推進(jìn)器進(jìn)出流方向相反的冷卻通道，實現(xiàn)了無軸推進(jìn)器集成化永磁推進(jìn)電機(jī)自然循環(huán)冷卻方案。采用有限元和有限體積法相結(jié)合的方法完成集成化永磁推進(jìn)電機(jī)電磁場、溫度場、水動力等多物理場的耦合計算，分析了集成化永磁電機(jī)氣隙在真實進(jìn)流條件下的流動和散熱情況，計算結(jié)果表明該無軸推進(jìn)器在額定工況下的定子槽內(nèi)最高溫度為60.4℃，小于H級絕緣等級規(guī)定的最高工作溫度120°，校驗了該無軸推進(jìn)器永磁推進(jìn)電機(jī)冷卻方案的有效性。

[1] 馬騁．吊艙推進(jìn)技術(shù)[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2007．

[2] Jinghui Liang, Xiaofeng Zhang, Mmingzhong Qiao, Peng Zhu, etl. Optimal design and multifield coupling analysis of propelling motor used in a novel integrated motor propeller[J]．IEEE Transactions of Magnetics，2013,9,12):2-85.

[3] 王選卓．集成電機(jī)推進(jìn)器驅(qū)動裝置的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013．

[4] 汪勇，李慶．新型集成電機(jī)推進(jìn)器設(shè)計研究[J]．中國艦船研究，2011，6，(11)：82-85．

(51307177，51309229，51409256)

Design and Multifield Coupled Analysis of Cooling System for PM Motor in Rim Driven Propulsor

Hu Pengfei, Jin Shuanbao, Shen Yang, Wei Yingsan, Lan Rensheng，Zhuang Shuangjiang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Since electrical machine’s working temperature significantly affects permanent magnet (PM) characteristic and reliability of the insulation, the design of effective cooling system becomes a vital concern of rim driven propulsor. In this paper, a natural cooling system is designed for the integrated PM motor inside a rim driven propulsor by designing the cooling water passing through air-gap between PM motor’s stator and rotor. In order to predict maximum temperature precisely, an electromagnetic, thermal and computational fluid dynamic coupled multifield analysis is developed and applied to verify the effectiveness of designed natural cooling system.

shaftless propulsor; PM motor; computational fluid dynamic (CFD); thermal analysis

U664.34

A

1003-4862（2016）03-0028-04

2015-12-09

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目

胡鵬飛(1990-), 男, 博士生。研究方向：電力集成。