劉曉斌，李正宇，朱李禮，李 軒，張小虎

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065；2 陸軍工程大學(xué)通信士官學(xué)校，重慶 400035)

0 引言

隨著對發(fā)射車作戰(zhàn)需求的增加，發(fā)射車上設(shè)備用電功率也隨之增大。輸出功率的增加使發(fā)電機(jī)的發(fā)熱量急劇增大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)在高溫連續(xù)工作時輸出功率減小。供電作為發(fā)射車電氣最重要的功能之一是當(dāng)務(wù)之急必須解決的。但由于受發(fā)射車空間所限，不能再改變發(fā)電機(jī)的安裝和體積。

鑒于上述原因，優(yōu)化和提升發(fā)電機(jī)的散熱問題是工程研制階段的重點(diǎn)改進(jìn)內(nèi)容，某型發(fā)射車使用的電勵磁磁通切換電機(jī)，是整流發(fā)電一體的發(fā)電機(jī)，功率變換控制裝置集成在發(fā)電機(jī)內(nèi)，具有體積小和易安裝等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)工程樣機(jī)過程中不僅保留了其優(yōu)點(diǎn)，重要的是對散熱問題進(jìn)行了大幅優(yōu)化。經(jīng)過熱仿真分析和實(shí)物驗(yàn)證，發(fā)電機(jī)的散熱效率有大幅提升，滿足了要求的指標(biāo)。

1 磁通切換電機(jī)特性分析

磁通切換電機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，而且反電勢正弦、轉(zhuǎn)矩脈動小。圖1為一臺電勵磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。圖2給出了該發(fā)電機(jī)匝處于不同位置時的磁力線分布。

圖1 電勵磁磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

2 發(fā)電機(jī)的組成和功能

2.1 發(fā)電機(jī)的組成

該車載發(fā)電機(jī)主要由發(fā)電機(jī)本體、發(fā)電控制器兩部分組成，發(fā)電控制器安裝在電機(jī)的后端部。發(fā)電機(jī)的外部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由電機(jī)殼體、后蓋板、后端蓋、軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)罩、風(fēng)機(jī)端蓋和控制板組成。其中需要散熱的部件集中布置在發(fā)電機(jī)殼體和后端蓋部分，包括電機(jī)線圈、控制器上的整流二極管、MOSFET管等。

圖2 電勵磁磁通切換電機(jī)磁場分布

圖3 發(fā)電機(jī)外部結(jié)構(gòu)

2.2 發(fā)電機(jī)的功能

發(fā)電機(jī)編配于發(fā)射車上，主要為整車用電設(shè)備提供額定6 kW電能，滿足整車設(shè)備的用電需求。

車輛啟動后，發(fā)動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，發(fā)電控制器控制發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，并將發(fā)電機(jī)發(fā)出的低壓交流電經(jīng)過整流變換為28 V直流電，輸出給車載用電設(shè)備。

3 問題描述

原理樣機(jī)在常溫條件下測試時發(fā)現(xiàn)電機(jī)殼體溫度達(dá)到160 ℃以上，超過150 ℃的指標(biāo)要求。因此需要對發(fā)電機(jī)進(jìn)行散熱改進(jìn)，使其溫度滿足工作指標(biāo)要求。一般常用的方式是加大通風(fēng)和散熱面積，但由于原體積和安裝不能做大的改變，故純粹加大風(fēng)機(jī)和散熱面積的方式就不作為首選了。在盡量減少外形和尺寸變化的情況下，經(jīng)過分析決定對發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)以達(dá)到最大的散熱效果。

4 熱耗計(jì)算

發(fā)電機(jī)的熱源主要分布在電機(jī)本體、后端蓋和后蓋板。其中發(fā)電機(jī)額定輸出功率為215 A，額定勵磁電流為50 A。相關(guān)熱耗參數(shù)及計(jì)算如下。

4.1 發(fā)電機(jī)本體

溫度為75 ℃時電樞線圈電阻為0.005 7 Ω，勵磁線圈電阻為0.137 Ω；溫度為125 ℃時，電樞線圈電阻為0.006 6 Ω，勵磁線圈電阻為0.159 Ω。

按照溫度為125 ℃最大阻值計(jì)算得出熱功耗：電機(jī)消耗功率215×215×0.006 6=305.1 W；勵磁消耗功率50×50×0.159=397.5 W。

4.2 后端蓋

端蓋的發(fā)熱源為整流二極管，單個整流二極管導(dǎo)通壓降為0.57 V，整流電路經(jīng)過兩只二極管全橋整流。其熱耗功率為：215×0.57×2=245.1 W。

4.3 后蓋板

后蓋板的發(fā)熱源為勵磁回路整流二極管和功率MOSFET,其熱耗主要來自器件的導(dǎo)通壓降。按50 A勵磁電流，工作溫度85 ℃考核，此時兩只二極管導(dǎo)通壓降為1.14 V，功率MOSFET導(dǎo)通壓降為1.2 V。

其熱耗功率為：勵磁回路整流二極管熱功耗 50×1.14=57 W；功率MOSFET熱功耗 50×1.2=60 W；綜上三部分的總熱功耗為 1064.7 W。

5 改進(jìn)分析

根據(jù)系統(tǒng)的散熱要求(進(jìn)出風(fēng)口的空氣溫差不大于15 ℃)，由式(1)計(jì)算出系統(tǒng)要滿足散熱需求:

(1)

式中：ρ為空氣的密度；C為空氣的比熱容；ΔT為空氣的進(jìn)出口溫差；Q為系統(tǒng)熱耗。經(jīng)計(jì)算所需要的風(fēng)量約為0.09 m3/s。

為了驗(yàn)證原方案的散熱效果以及更好的進(jìn)行散熱改進(jìn)設(shè)計(jì)，用專業(yè)熱仿真軟件ANSYS Icepak對發(fā)電機(jī)的模型進(jìn)行簡化建模與計(jì)算。其中風(fēng)機(jī)為軸流風(fēng)機(jī)，其流量-壓力曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)流量-壓力曲線

其中風(fēng)機(jī)的壓頭為454 Pa，此時風(fēng)機(jī)有效風(fēng)量約為0.058 m3/s，不滿足散熱所需的0.09 m3/s，此時電機(jī)的線圈、殼體以及后端蓋溫度分布情況如圖5所示，因此需要改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使散熱滿足需求。

圖5 原模型溫度及風(fēng)機(jī)壓力分布情況

通過對原模型進(jìn)行測試與建模仿真計(jì)算可以看出，原結(jié)構(gòu)散熱不滿足需求主要是系統(tǒng)的有效散熱風(fēng)量不足，分析原因主要有以下兩點(diǎn)：

1)風(fēng)機(jī)與電機(jī)后端蓋板的距離過近，如圖6所示，僅為8 mm，過近的距離使風(fēng)機(jī)的工作壓頭過大，有效風(fēng)量大大降低；

2)原結(jié)構(gòu)中電機(jī)本體為開放式結(jié)構(gòu)，殼體外的散熱翅片上未設(shè)計(jì)有效風(fēng)道，導(dǎo)致經(jīng)過散熱翅片的有效風(fēng)量有限，散熱效率較低。

圖6 原模型風(fēng)機(jī)與電機(jī)后端蓋板間距

由上述分析可知，增大系統(tǒng)風(fēng)量是解決電機(jī)散熱的最佳途徑，增加風(fēng)量的手段主要有兩個：一是更換風(fēng)量更大的風(fēng)機(jī)；二是降低現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的工作壓頭。更換風(fēng)機(jī)會改變相關(guān)的安裝接口、增加系統(tǒng)的功耗和噪聲，因此通過降低現(xiàn)有風(fēng)機(jī)的壓頭來提高有效風(fēng)量是較為合理的辦法。

根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況，通過以下兩種措施來綜合提高系統(tǒng)風(fēng)量：

1)在原電機(jī)本體的開放式結(jié)構(gòu)上增加風(fēng)道，使有效風(fēng)能夠全部通過本體的散熱翅片到達(dá)出風(fēng)口；

2)適當(dāng)增加風(fēng)機(jī)與電機(jī)后端蓋板的距離，確定合適的距離值使系統(tǒng)有效風(fēng)量滿足散熱要求。

為確定風(fēng)機(jī)和電機(jī)后端蓋板之間的距離值，分別對18 mm,28 mm和38 mm間距下的電機(jī)溫度和風(fēng)量進(jìn)行了仿真計(jì)算，原有8 mm及3種不同間距計(jì)算的溫度和風(fēng)量可見表1。后3種間距的仿真結(jié)果如圖7～圖9所示，由結(jié)果可知，間距28 mm時，線圈溫度可降低約45 ℃，系統(tǒng)有效風(fēng)量也滿足散熱需求，當(dāng)間距進(jìn)一步增大到38 mm時，對系統(tǒng)的整體溫度以及系統(tǒng)有效風(fēng)量已無明顯改進(jìn)，因此將風(fēng)機(jī)和電機(jī)后端蓋板間距調(diào)整為28 mm，即可使系統(tǒng)散熱滿足要求。

表1 不同間距下的散熱效果對比

圖7 間距18 mm時溫度及風(fēng)機(jī)壓力分布情況

圖8 間距28 mm時溫度及風(fēng)機(jī)壓力分布情況

圖9 間距38 mm時溫度及風(fēng)機(jī)壓力分布情況

6 結(jié)論

通過對發(fā)電機(jī)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)建模和仿真分析最終確認(rèn)采用增加風(fēng)道和風(fēng)機(jī)與電機(jī)后端蓋板的距離共同來解決發(fā)電機(jī)的散熱問題。散熱效果的改善經(jīng)過某型發(fā)射車高溫試驗(yàn)驗(yàn)證，長時間大功率輸出正常，溫度的平衡點(diǎn)維持在122 ℃，滿足指標(biāo)要求。

在惡劣條件下發(fā)電機(jī)的持續(xù)工作能力和帶載能力提升也使得發(fā)射車朝著緊湊型全電化系統(tǒng)的發(fā)展更進(jìn)一步。