駱 苗，王洪武，張東寧，宋劍橋

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0 引 言

高功率密度電機具有質(zhì)量輕、體積小、效率高等特點，近年來受到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電動汽車、航空航天、潛艇等特殊應(yīng)用領(lǐng)域[1]。由于高功率密度的特點，也導(dǎo)致了該種類電機產(chǎn)生的熱量較高。電機的性能受到溫度的影響，其中最為顯著的影響在于對電機絕緣材料的影響。要確保高功率密度電機的有效可靠運行，就必須保證電機具有足夠的散熱能力，研究難點在于發(fā)熱和散熱問題[2]。

高功率密度電機的熱量產(chǎn)生原因復(fù)雜，包括定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、機械損耗等。發(fā)熱過度會導(dǎo)致磁鋼局部失磁、鐵心局部過熱等影響安全性的因素，因此必須進行熱仿真分析研究。通過FloEFD軟件對電機進行熱仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)，提高電機的散熱能力，避免局部過熱，這對延長電機壽命、提高電機可靠性、減輕冷卻系統(tǒng)壓力都有重要意義。

1 電機結(jié)構(gòu)與熱仿真建模

永磁同步電機及其驅(qū)動組件系統(tǒng)作為高空飛行器的主要動力元件，必須使飛行器在不同溫度、氣壓及風力環(huán)境下均能保持良好的驅(qū)動控制能力。以某型號高空飛行器螺旋槳驅(qū)動電機為例，將電機與減速器實行一體化設(shè)計，以滿足電機高功率密度的要求，并且合理地設(shè)計電機的外形結(jié)構(gòu)尺寸，確保電機在高空低溫低氣壓的條件下，具有良好的散熱能力[3]。利用Inventor軟件進行電機3D建模，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，此結(jié)構(gòu)為經(jīng)FloEFD熱仿真軟件優(yōu)化后的電機結(jié)構(gòu)。

圖1 電機三維結(jié)構(gòu)圖

本文采用三維熱仿真軟件FloEFD對電機散熱情況進行仿真分析，仿真參數(shù)按照電機處于高空環(huán)境中的額定運行狀態(tài)進行設(shè)定，通過分析比較仿真結(jié)果，對電機外殼散熱筋的結(jié)構(gòu)尺寸進行調(diào)整，進而不斷優(yōu)化電機組件的散熱能力。

FloEFD是通用流體傳熱分析軟件，它基于有限體積法開發(fā)。將建立好的三維模型導(dǎo)入FloEFD軟件中，進行固體材料屬性、流體屬性、初始及環(huán)境溫度、環(huán)境氣壓、邊界條件、溫度監(jiān)測點等設(shè)置，最終進行求解分析。電機是由定轉(zhuǎn)子、機殼、端蓋等組成的復(fù)雜機械裝配體，考慮到機械尺寸較小的零部件對電機溫度影響較小，在進行熱仿真分析時對其進行簡化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對電機仿真模型進行了簡化處理：忽略螺釘、墊片等零件；忽略倒角、退刀槽等；忽略輻射的影響[4]；對定子繞組與沖片進行了等效處理，將其等效為均質(zhì)材料。

通過電機電磁計算，該型號高空飛行器驅(qū)動電機在額定功率運行時發(fā)熱量為1 600 W，為簡化模型，本仿真直接將定子齒設(shè)定為發(fā)熱源，并定義發(fā)熱量為1 600 W，對電機進行熱仿真分析。

2 三維熱場仿真

針對高空環(huán)境下電機周圍實際的氣壓、溫度、風速等環(huán)境因素，項目組聯(lián)合北京航空航天大學特種電機研究中心進行電機實際運行環(huán)境的仿真分析，根據(jù)對方給出數(shù)據(jù)，項目組選擇6組相對有代表性的環(huán)境因素對該電機進行熱分析計算，6種環(huán)境工況如表1所示。

表1 電機熱仿真六種工況

通過軟件對電機模型進行簡化、分解等系列處理，著重分析電機定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計算結(jié)果如下。

1)電機在地面運行時的分析結(jié)果

對不帶散熱器的電機與帶散熱器的電機2種情況進行熱仿真分析。對幾組不同散熱筋尺寸的電機進行仿真，結(jié)合電機質(zhì)量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結(jié)構(gòu)。

(a) 不帶散熱器的電機仿真結(jié)果

不帶散熱器的電機仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不帶散熱器的電機溫度分布曲線與云圖

(b) 帶散熱器的電機仿真結(jié)果

由圖2熱仿真結(jié)果可以看出，不帶散熱器的電機散熱效果差，定子溫度達到了200 ℃以上。電機設(shè)計時磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運行在150 ℃設(shè)計，該電機無法滿足散熱要求，因此需要通過熱仿真設(shè)計一款合理的散熱器。

通過對幾組不同尺寸的散熱器進行熱仿真分析，確定電機前端蓋加上長度為35 mm的散熱筋后，可以有效提高電機散熱能力，且質(zhì)量與體積都符合要求，電機溫度分布曲線如圖3所示，定子溫度為99 ℃，前端蓋溫度為71 ℃，后端蓋溫度為65 ℃，達到了預(yù)期的散熱要求。

圖3 帶散熱器的電機溫度分布曲線與云圖

2)電機處于高度3 km，風速5 m/s時的運行分析結(jié)果

3 km高度，5 m/s風速下的電機溫度分布曲線如圖4所示。

圖4 高度3 km，風速5 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

3)電機處于高度3 km,風速10 m/s時的熱仿真情況

3 km高度，10 m/s風速下的電機溫度仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 高度3 km,風速10 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

4)電機處于高度6 km,風速5 m/s的熱仿真情況

6 km高度，5 m/s風速下的熱仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 高度6 km,風速5 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

5)電機處于高度6 km,風速10 m/s時的熱仿真情況

6 km高度，10 m/s風速下的熱仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 高度6 km,風速10 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

6)電機處于高度6 km,風速15 m/s時的熱仿真情況

6 km高度，15 m/s風速下的熱仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 高度6 km,風速15 m/s時電機溫度分布曲線與云圖

對比圖4～圖8可以看出，當高空飛行器驅(qū)動電機位于同樣高度，即環(huán)境溫度與氣壓相同時，風速越高，越有利于電機散熱，即定子溫度與機殼溫度都越低。而在同樣的風速條件下，高度越高，越不利于電機散熱，即定子溫度與機殼溫度都越高。

3 仿真結(jié)果分析

通過分析對比電機在6種工況下的熱仿真溫度分布曲線與云圖，機殼與前后端蓋的溫度低于定子繞組的溫度，待整體溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，定子溫度、前端蓋溫度、后端蓋溫度如表2所示。

電機設(shè)計時磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運行150 ℃設(shè)計，根據(jù)計算值留有設(shè)計余量，符合電機溫升需求，滿足電機穩(wěn)定運行的要求。

表2 6種工況下電機定子、前端蓋、后端蓋溫度表

4 結(jié) 語

本文利用FloEFD軟件對某高空飛行器螺旋槳驅(qū)動電機進行了熱仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對電機結(jié)構(gòu)進行了改進，優(yōu)化了電機散熱性能，為電機在不同環(huán)境下的穩(wěn)定運行提供了有效的仿真數(shù)據(jù)，縮短了電機研制周期，降低了研發(fā)成本。