權(quán)晨龍, 馮國勝, 郝長生， 張 偉, 張艷明

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北電機(jī)股份有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)業(yè)在向綠色環(huán)保方面轉(zhuǎn)變，電動(dòng)汽車成為汽車工業(yè)的研發(fā)焦點(diǎn)，現(xiàn)在全世界大部分的汽車生產(chǎn)廠家都在研究新能源汽車。與此同時(shí)，國內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車的需求與日俱增，相關(guān)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。研究和開發(fā)高性能永磁電機(jī)對(duì)我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化非常有益，事實(shí)上永磁同步電機(jī)已成為新一代電動(dòng)汽車的最佳選擇[1]。電動(dòng)汽車對(duì)永磁同步電機(jī)的外形尺寸、功率、振動(dòng)噪聲等有特殊的要求，車用電機(jī)工作環(huán)境惡劣，當(dāng)溫升嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致線圈絕緣層損壞使其失去絕緣的作用，導(dǎo)致永磁體磁通密度的降低，甚至出現(xiàn)永久性退磁現(xiàn)象；定轉(zhuǎn)子受熱膨脹，電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生改變，電機(jī)運(yùn)行精度下降，這些不良的后果都會(huì)影響電機(jī)的性能，降低電機(jī)的可靠性[2]。因而對(duì)電機(jī)進(jìn)行磁熱耦合分析很有必要，在電機(jī)制造前能夠幫助設(shè)計(jì)人員評(píng)估電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，避免不必要的損失。

文獻(xiàn)[2]以表貼式外轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，采用穩(wěn)態(tài)溫度場和空氣對(duì)流散熱，研究了永磁同步電機(jī)溫度場。文獻(xiàn)[3]以高速爪極式電機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)有限元分析對(duì)其進(jìn)行電機(jī)的熱分析。文獻(xiàn)[4]提出一種熱網(wǎng)絡(luò)法研究電機(jī)溫度場的方法，對(duì)輪轂電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了分析。上述研究方法中，沒考慮到當(dāng)下永磁同步電機(jī)采用最多的水冷的冷卻方式。采用雙向耦合計(jì)算結(jié)果精確，但計(jì)算量成倍增長，計(jì)算效率低，研發(fā)周期長，在實(shí)際應(yīng)用中有很多的局限。

研究的電機(jī)采用水冷的冷卻方式，首先在電磁仿真軟件Maxwell 2D中建立了電機(jī)的電磁有限元模型[5-6]，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁場的分析，仿真計(jì)算得到電機(jī)的損耗，將損耗以熱源的方式耦合到Fluent軟件三維模型的相應(yīng)位置，采用三維模型能夠得到更真實(shí)的電機(jī)溫度場分布，單向耦合能更有效地得到電機(jī)的溫度場分布情況，節(jié)省計(jì)算機(jī)資源。

1 電機(jī)熱性能參數(shù)的確定

1.1 電機(jī)基本參數(shù)

以一臺(tái)40 kW永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，該電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)的基本參數(shù)

Maxwell 2D計(jì)算得到的額定工況下永磁同步電機(jī)的磁密云圖和磁感線分布圖如圖1和圖2所示。

圖1 電機(jī)的磁密云圖

圖2 電機(jī)的磁感線分布圖

1.2 熱源計(jì)算

永磁同步電機(jī)的電磁損耗主要包括定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗、銅耗和永磁體渦流損耗，電磁損耗是輪轂電機(jī)的主要熱源，其中永磁同步電機(jī)永磁體中的渦流損耗相對(duì)于定子中的銅耗和定轉(zhuǎn)子鐵芯中的鐵芯損耗而言較小，一般在多數(shù)情況下可以忽略它對(duì)電機(jī)溫升的影響。但當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體感應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，造成永磁體溫升，影響永磁體的性能，嚴(yán)重會(huì)引起退磁和去磁的現(xiàn)象。通過電磁分析軟件，額定工況下得電機(jī)定子鐵損的損耗分布，能夠得出定子鐵芯的損耗在齒頂位置最高，如圖3所示。

圖3 額定工況下定子損耗分布云圖

通過電磁分析軟件得電機(jī)定子鐵損、繞組銅損和永磁體渦流損耗，繞組損耗所占的比例為31.9%，數(shù)值如表2所示。

表2 電機(jī)熱源損耗 W

2 電機(jī)模型簡化

2.1 定子繞組簡化

在永磁同步電機(jī)熱分析中，繞組和繞組表面絕緣層很難建立精確的有限元模型，故而將繞組等效為一整塊導(dǎo)體，將絕緣層按體積等效為包裹在導(dǎo)體外側(cè)的包圍層，并和導(dǎo)體、定子槽緊密配合。如圖4所示。

圖4 定子繞組簡化模型

根據(jù)傳熱學(xué)定理[7]，由以下公式計(jì)算等效導(dǎo)體和絕緣層的物性參數(shù)。

(1)

ds=d1+d2+d3

(2)

(3)

(4)

式中，d1為定子槽絕緣材料的厚度；d2為定子與定子絕緣材料之間的氣隙厚度；d3為定子繞組的絕緣漆厚度；ρ1、ρ2、ρ3分別為對(duì)應(yīng)的絕緣體密度；c1、c2、c3分別為相應(yīng)的絕緣體比熱容；v1、v2、v3分別為相應(yīng)的絕緣體體積。計(jì)算得等效絕緣層的厚度和物性參數(shù)如表3所示。

表3 定子繞組等效物性參數(shù)

2.2 定子鐵芯的簡化

定子鐵芯是由多層硅鋼片經(jīng)過疊壓而成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?？梢詫㈣F芯疊片等效成具有軸向、徑向和切向不同導(dǎo)熱性能的結(jié)合體[8]，簡化模型如圖5所示。

圖5 定子鐵芯簡化模型

定子鐵芯各方向的導(dǎo)熱系數(shù)可由下列公式得到

(5)

(6)

(7)

式中，λ1、λ2、λ3分別為電機(jī)鐵芯疊片在軸向、徑向和切向上的導(dǎo)熱系數(shù)；δFe、δin分別為硅鋼片和絕緣層的厚度；λFe、λin分別為硅鋼片和絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；KFe為硅鋼片的疊壓系數(shù)，其值為 0.97。計(jì)算得到的定子鐵芯簡化模型參數(shù)如表4所示。

表4 定子鐵芯等效模型參數(shù)

在溫度場中將不必要的部件進(jìn)行了省略簡化，假設(shè)各部件之間緊密接觸，簡化后的模型如圖6所示。

圖6 簡化模型圖

3 電機(jī)流場仿真

電機(jī)的磁熱耦合有2種，單向耦合和雙向耦合。所謂單向耦合是指數(shù)據(jù)從第一個(gè)求解器傳遞到第二個(gè)求解器，不會(huì)逆向傳遞，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，計(jì)算速度快，效率高。雙向耦合是指數(shù)據(jù)會(huì)雙向傳遞，第一個(gè)求解器的數(shù)據(jù)傳遞到第二個(gè)求解器，同時(shí)第二個(gè)求解器的數(shù)據(jù)也會(huì)反過來影響第一個(gè)求解器，這樣相互影響直到最后滿足收斂條件。雙向耦合的計(jì)算結(jié)果精確，但計(jì)算量成倍增長，計(jì)算效率低。因此，本設(shè)計(jì)采用單向耦合。

3.1 電機(jī)熱源的添加

電機(jī)的熱源有3種，定子繞組的銅耗、定子的鐵芯損耗和永磁體的損耗，通過體熱源的方式添加，將繞組的銅損、定子鐵芯和永磁體的損耗添加到相應(yīng)的三維體模型上,公式如下

(8)

式中，Q為生熱率；Wq為電機(jī)的損耗；V為電機(jī)各部分的體積。

由Maxwell 2D電磁仿真分析，得到電機(jī)定子繞組的損耗、定子鐵芯的損耗和永磁體的損耗，通過Fluent計(jì)算等效繞組和定子的體積，所得定子繞組的生熱率、定子鐵芯的生熱率和永磁體的生熱率如表5所示。

表5 電機(jī)定子繞組、定子鐵芯和永磁體生熱率

3.2 電機(jī)機(jī)殼表面散熱

根據(jù)傳熱學(xué)，導(dǎo)熱的微分方程為[9]

(9)

式中，λx、λy、λz分別為x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù);qv為熱源體密度值;ρ為材料密度;cp為材料比熱容。

常用的3種熱邊界條件為

T|S1=Tc(x,y,z)

(10)

(11)

(12)

式中，Tc(x,y,z)為邊界S1的溫度;q0(x,y,z)為邊界S2的熱流密度;α3為邊界S3的散熱系數(shù);Tf3為S3周圍的流體溫度。

電機(jī)機(jī)殼表面的散熱系數(shù)為[10]

(13)

式中，α為機(jī)殼表面的散熱系數(shù);k為考慮氣流吹拂效率的計(jì)算系數(shù)，本文取0.477;α0為在平靜環(huán)境中空氣流動(dòng)的散熱系數(shù)，機(jī)殼表面材料為鋁合金時(shí)，其值可取為14.2 W/(m2·K)；v為發(fā)熱體周圍空氣的流動(dòng)速度，取值為16 m/s。求得機(jī)殼表面散熱系數(shù)為41.4。

3.3 定子繞組端部和轉(zhuǎn)子端部散熱系數(shù)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，αw為定子繞組表面的散熱系數(shù)；Rew為端部氣流雷諾數(shù)；Nuw為繞組端部努塞爾數(shù)；dw為端部等效直徑；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；γ為空氣動(dòng)力粘度系數(shù)；λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；D1為定子外徑；D2為轉(zhuǎn)子外徑；Di1為定子內(nèi)徑[11]。

轉(zhuǎn)子端部散熱系數(shù)的公式為[12]

(18)

式中，αr為轉(zhuǎn)子端部散熱系數(shù)；vt為轉(zhuǎn)子的周向旋轉(zhuǎn)速度。求得轉(zhuǎn)子端部的散熱系數(shù)為26。

3.4 冷卻水路對(duì)流傳熱系數(shù)

本設(shè)計(jì)建立的為螺旋水道，在機(jī)殼內(nèi)部建立的螺旋水道，在機(jī)座的底部有2個(gè)對(duì)角的入水口和出水口，如圖7所示。

圖7 電機(jī)螺旋水道

在建立電機(jī)水冷模型時(shí)假設(shè)：

(1)水流從冷卻口垂直進(jìn)入管道，且均勻分布；

(2)冷卻管道內(nèi)的水流為定常流；

(3)認(rèn)為冷卻管道內(nèi)的水流為不可壓縮流體；

(4)忽略管壁對(duì)水流摩擦造成的損失，認(rèn)為水流在管道流動(dòng)過程中不再產(chǎn)生熱量；

(5)忽略重力的影響。

對(duì)流傳熱系數(shù)[13]為

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式中，α為水路的對(duì)流傳熱系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)，為95.81；ρ為水的密度，為1 000 kg/m3;v為水的流速，為1.25 m/s；Re為雷諾數(shù)，為12 367.9；Prx為普朗特?cái)?shù)，為5.521 67；d為當(dāng)量直徑，為0.008 m；λ為水的導(dǎo)熱系數(shù),為0.620 66；Cp為水的比熱容，數(shù)值為4 200 J/(kg·℃)；l為水路的長度,為500 mm；μr為水在平均溫度時(shí)的動(dòng)力黏度，為0.000 81；μw為水在w溫度時(shí)的動(dòng)力黏度，為0.000 49。求得水路的對(duì)流傳熱系數(shù)為7 433.18。

4 流體場溫度的仿真

將簡化好的三維模型導(dǎo)入Fluent，進(jìn)行網(wǎng)格剖分并將電機(jī)的鐵損和繞組的銅損等效為熱源添加到模型相應(yīng)的位置，所得電機(jī)溫度的整體分布如圖8所示，機(jī)殼Z軸方向的剖面圖如圖9所示。

圖8 電機(jī)溫度的整體分布圖

圖9 機(jī)殼Z軸方向剖面圖

從圖8可以看出，電機(jī)溫度最高的部位是電機(jī)的繞組部分，最高溫度為97.2 ℃，其次為定子，因?yàn)闊嵩磥碓从诶@組和定子鐵損，因而這2個(gè)位置的溫度相對(duì)較高，從定子向外接觸機(jī)殼，通過冷卻水循環(huán)，將熱量帶走，越靠近機(jī)殼溫度越低，最低溫度在機(jī)殼位置,為45.6 ℃。

在定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙存在有空氣，在轉(zhuǎn)子以3 500 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),熱會(huì)從定子傳遞到氣隙，進(jìn)而傳遞到轉(zhuǎn)子和永磁體，溫度有80 ℃左右，不會(huì)造成釹鐵硼材料永磁體的失磁。因?yàn)檗D(zhuǎn)子內(nèi)部是個(gè)相對(duì)密封的空間,容易造成溫度聚集，但因?yàn)榘l(fā)熱源主要集中在定子和繞組部分，故轉(zhuǎn)子部分溫度相對(duì)定子部分較低，和繞組部分溫度相差10 ℃左右，在3 500 r/min額定工況下電機(jī)溫度滿足正常使用。

5 結(jié)論

通過磁熱耦合的分析方法，對(duì)一臺(tái)物流車用永磁同步電機(jī)的電磁損耗和流體溫度進(jìn)行了研究得到以下結(jié)論：

(1)該永磁同步電機(jī)的主要熱源是定子鐵芯損耗和定子繞組銅損，繞組損耗所占比例為31.9%，定子鐵芯的損耗最高的位置在齒頂。

(2)在流體溫度場仿真時(shí)能夠?qū)⒍ㄗ永@組等效為導(dǎo)體加絕緣層的方式，硅鋼疊片也能夠等效成一個(gè)整體，提高等效模型計(jì)算的關(guān)鍵是提高模型尺寸簡化和導(dǎo)熱系數(shù)的確定。

(3)從流體溫度場分析可知，該電機(jī)定子繞組部分溫度最高，采用水冷卻方式使得電機(jī)整體溫度大大降低，完全適應(yīng)該工況下電機(jī)運(yùn)行的溫度環(huán)境。該仿真為永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，節(jié)省了電機(jī)開發(fā)的周期。