楊帆 王志威 帥茂

摘要：損耗引起的溫升是確定電機定額的主要因素。利用模擬軟件Fluent與流固耦合傳熱機理，在一臺1.9kW永磁同步電機上研究了自然冷卻和強制風(fēng)冷兩種冷卻方式對電機溫度分布特征的影響，并制作樣機進(jìn)一步試驗。仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相近，驗證了仿真的準(zhǔn)確性。

Abstract： The temperature rise caused by the loss is the main factor in determining the motor rating. Using the simulation software Fluent and the fluid-structure coupling heat transfer mechanism， the influence of natural cooling and forced air cooling on the temperature distribution characteristics of the motor was studied on a 1.9kW permanent magnet synchronous motor， and a prototype was made for further testing. The simulation result is similar to the test result， which verifies the accuracy of the simulation.

關(guān)鍵詞：永磁同步電機;自然冷卻;強制風(fēng)冷;仿真

Key words： permanent magnet synchronous motor;natural cooling;forced air cooling;simulation

中圖分類號：TM351? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0086-03

0? 引言

電機的定額通常從機械和熱兩方面的考慮來確定[1]。例如，繞組最大電流一般由絕緣材料不被損壞，或者其壽命不被過度縮短的前提下所能承受的最高溫度來決定，即損耗引起的電機發(fā)熱溫升最終決定在不過度損壞電機絕緣的前提下，所能得到的最大功率輸出[2]。此外，由于絕緣材料的退化同時受時間和溫度這兩個因素的影響，電機溫升過高會加速電機絕緣材料老化，縮短使用壽命，同時溫升過高會使繞組電阻增大，使電機效率下降，而電機效率下降將進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱量增加，從而再次推高溫度上升。因此，電機的定額、效率和壽命均與其工作溫度密切相關(guān)。

定子繞組和定子鐵芯是伺服電機的主要發(fā)熱部件，定子鐵芯安裝在機殼內(nèi)壁，通過與機殼的接觸將熱量導(dǎo)出到機殼，機殼與空氣接觸進(jìn)行自然冷卻散熱。為了提高電機材料的利用率，高功率密度電機均采用較高的電磁負(fù)荷，從而使電機運行時單位體積的損耗明顯增加，使電機各部件的溫度升高[3]。隨著電機功率密度的增大，電機的散熱問題成為制約電機發(fā)揮性能的重要因素。本文以1臺1.9kW交流永磁同步電機為例，通過有限元方法模擬不同冷卻方式下電機整機溫度分布，并在對拖測試平臺上進(jìn)行電機溫升試驗。

1? 有限元模型建立

圖1為1.9kW永磁同步電機在自然風(fēng)冷和強制風(fēng)冷這兩種冷卻方式下的物理模型圖，為了方便進(jìn)行有限元分析以及提高計算效率，需要對主軸系統(tǒng)的三維模型進(jìn)行簡化假設(shè)和相應(yīng)前處理。將電機前后端蓋上的軸承簡化為相同直徑大小的圓環(huán)套筒。忽略倒角、圓角、通孔、螺紋孔和接線柱等比較難捕捉的特征結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)軸和端蓋間微小間隙，影響全局網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量，設(shè)置成貼合。編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量和比熱容不大，且為空心結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)離繞組發(fā)熱源，對全局溫升影響較小，因此對其模型進(jìn)行省略簡化。鐵芯由硅鋼片疊壓制成，硅鋼片之間有絕緣層和微小氣隙，將其設(shè)置為一個導(dǎo)熱系數(shù)各向異性的整體。將每個定子槽中的繞組線束等效為槽絕緣包裹的整體，后續(xù)通過設(shè)置虛擬厚度的方式模擬槽絕緣。忽略輻射的散熱效果，忽略轉(zhuǎn)子和軸承的損耗。采用對稱的形式，將整個模型沿電機軸線和重力方向組成的平面剖開，對電機半模型進(jìn)行仿真求解。

將簡化后的電機模型導(dǎo)入到有限元軟件中，對其劃分網(wǎng)格，并在流固接觸面設(shè)置邊界層網(wǎng)格，以捕捉空氣動力粘度變化特征。根據(jù)電機內(nèi)部熱交換及傳熱學(xué)相關(guān)理論，確定系統(tǒng)內(nèi)各熱邊界條件，熱源部分按鐵耗、銅耗分別賦予鐵芯、繞組體積源項。由于自然冷卻是依靠空氣流體自身溫度場不均勻引起流動，需充分考慮流固界面熱交換情況，因此選擇采用k-ω模型進(jìn)行求解，以期獲得更高仿真精度。相關(guān)模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2? 仿真結(jié)果分析

基于前文建立的有限元模型對自然冷卻電機及強制風(fēng)冷電機進(jìn)行有限元仿真。圖2（a）為自然冷卻電機整體溫度分布圖，電機機殼呈現(xiàn)前后兩端低，中間高的溫度分布，這是由于定子及安裝在定子內(nèi)的繞組為發(fā)熱源，熱量通過定子與機殼內(nèi)壁的接觸傳遞到機殼，因此機殼與定子接觸的區(qū)域出現(xiàn)局部的熱量集中。在靠近安裝板區(qū)域附近的電機前端蓋呈現(xiàn)非常低的溫度，因為此處前端蓋連接的安裝板和底板有較大表面積進(jìn)行自然對流散熱。圖2（b）為自然冷卻電機繞組溫度分布圖，繞組整體表現(xiàn)出后端蓋側(cè)高、前端蓋側(cè)低的溫度分布特征，且后端蓋側(cè)的端部繞組是繞組高溫區(qū)集中的地方，原因歸結(jié)于前端蓋側(cè)的端部繞組被灌封膠全包裹，端部繞組產(chǎn)生的熱量可通過注滿的灌封膠直接傳遞到機殼與前端蓋，中間不經(jīng)過空氣傳熱。而后端蓋側(cè)的端部繞組僅部分被灌封膠包裹，剩下的部分是與空氣接觸進(jìn)行自然對流換熱，且此處為電機動力線束引出端，具有較多絕緣材料影響傳熱效率。同時，由于機殼內(nèi)空氣自然對流時受到重力作用，熱空氣向上流動，導(dǎo)致位于電機圓周上半部分的繞組溫度高于位于電機圓周下半部分的繞組。仿真結(jié)果顯示，前端端部繞組的最高溫度為99.5℃，根據(jù)公式ΔT=T-T0（T0為環(huán)境溫度，T為待測點實際溫度），環(huán)境溫度為20.0℃，計算出其溫升為79.5K。圖2（c）為自然冷卻電機定子鐵心溫度分布圖，定子鐵心在前后方向上，后端蓋側(cè)溫度高，前端蓋側(cè)溫度低;在重力方向上，下半部溫度低，上半部溫度高;在徑向方向上，溫度分布特征是離機殼越近溫度越低，最內(nèi)側(cè)溫度最高，達(dá)到89.9℃，與繞組局部高溫區(qū)域位置基本一致。

圖3（a）為強制風(fēng)冷電機整體的溫度分布圖，由于風(fēng)扇在電機后端旋轉(zhuǎn)吹風(fēng)的緣故，電機外表面溫度分布特征為后端溫度更低，然后隨著風(fēng)速風(fēng)壓的損失，對流換熱系數(shù)降低，電機前端溫度比電機后端相對較高。圖3（b）為強制風(fēng)冷電機繞組溫度分布圖，繞組在重力方向上表現(xiàn)出溫度均勻分布的特征，說明此時電機內(nèi)空氣自然對流換熱的影響遠(yuǎn)小于強制風(fēng)冷對流換熱對溫度分布的影響。而在徑向上，越靠近定子溫度越低，繞組中心處成為高溫集中區(qū)域，其端部繞組最高溫度為67.0℃，在20.0°C的環(huán)境溫度下，溫升為47.0K。與自然冷卻電機相比，強制風(fēng)冷電機端部繞組溫升下降了32.5K。圖3（c）是強制風(fēng)冷電機定子鐵心溫度圖，定子鐵心整體溫度較低，且與機殼溫度分布特征一致。由此可知，運用強制風(fēng)冷的方式，提高了機殼表面散熱效率，使得端部繞組的熱量能夠快速地傳遞到機殼上，從而有效地降低端部繞組的最高溫升。

3? 電機試驗及結(jié)果分析

制作強制風(fēng)冷樣機進(jìn)行電機試驗，測試平臺如圖4所示，主要由試驗樣機、負(fù)載電機、K型熱電偶、溫度數(shù)據(jù)采集卡、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、控制柜和電腦等組成。電機測試工況運行條件與仿真相同，電機功率為1.9kW，轉(zhuǎn)矩為11.9Nm，轉(zhuǎn)速為1500r/min，環(huán)境溫度20.0℃，風(fēng)扇冷卻空氣流速為5.0m/s。通過K型熱電偶來進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，在電機后端上下兩個端部繞組設(shè)置測溫點，上下分別為測溫點a、測溫點b，在機殼上端外表面設(shè)置測溫點c。測量數(shù)據(jù)整理后，樣機溫升的測量結(jié)果與仿真結(jié)果對比如表2所示。

從表2可以看出，自然冷卻電機試驗測量得到的最大溫升為81.7K，強制風(fēng)冷電機試驗測量得到的最大溫升為45.4K，而且測量值與仿真值近似，說明仿真結(jié)果具有可靠性和一定的參考價值。分析如下：①自然冷卻電機機殼溫度測量值與仿真值差別較大，主要是由于建模省略了機殼外表面的散熱筋與不規(guī)則外形，使得機殼與空氣接觸的表面積減少，散熱效果減弱。②端部繞組的導(dǎo)線束纏有絕緣材料導(dǎo)致厚度不均，造成內(nèi)部傳熱環(huán)境復(fù)雜，測溫也會有一定的偏差。

4? 結(jié)語

采用強制風(fēng)冷的冷卻方式，能通過空氣的流動提高機殼表面對流換熱能力，將端部繞組熱量傳遞到機殼進(jìn)行快速散熱，實現(xiàn)電機最高溫升的有效降低，使永磁同步電機在條件有限的情形下獲得功率密度的進(jìn)一步提升。后續(xù)研究可以從以下方向持續(xù)改進(jìn)：①完善仿真模型，繼續(xù)研究各工況下不同冷卻方式對電機溫度分布的影響;②針對對流換熱特性，對冷卻系統(tǒng)流道及電機機殼表面散熱筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，求得更適應(yīng)于強制風(fēng)冷電機散熱的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑里先科，魏書慈，邱建甫.電機中的空氣動力學(xué)與熱傳遞[M].機械工業(yè)出版社，1985.

[2]烏曼.電機學(xué)[M].電子工業(yè)出版社，2014.

[3]卓亮，趙飛，馬立麗，楊光力.航空電機及控制器的溫度場仿真分析[J].電機與控制應(yīng)用，2019（07）.