俞 浪,熊俊輝,陳新民,陸佳南,徐 茂

(1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,寧波 315201; 2.特種飛行器浙江省工程研究中心,寧波 315201)

0 引 言

電推進(jìn)垂直起降飛行器要求電機(jī)具有高功率密度,而電機(jī)的冷卻效果直接影響導(dǎo)線中可使用的電流密度,電流密度越高則相同功率的電機(jī)體積越小。高效的熱管理對(duì)于保持電機(jī)的效率、耐用性和安全性至關(guān)重要[1]。

針對(duì)涵道風(fēng)扇電機(jī)的散熱問(wèn)題研究較少,可借鑒其它應(yīng)用領(lǐng)域的電機(jī)散熱技術(shù)。對(duì)于電動(dòng)汽車用電機(jī),目前的熱管理技術(shù)基本滿足不同功率密度的冷卻需求[2]。一般低功率密度的電機(jī)(電流密度小于7 A/mm2)采用風(fēng)冷,包括自然冷卻和風(fēng)扇強(qiáng)迫冷卻;中高功率密度的電機(jī)(電流密度約7～12 A/mm2)宜采用液冷;更高功率密度的電機(jī)(電流密度大于15 A/mm2)需設(shè)計(jì)混合冷卻。

電機(jī)熱管理技術(shù)根據(jù)直接作用對(duì)象又可分為定子冷卻、繞組冷卻、轉(zhuǎn)子冷卻以及導(dǎo)熱強(qiáng)化。其中定子冷卻包括空氣冷卻[3-5]和液套冷卻[6-8]。空氣冷卻是一種基本的冷卻方式,用于較低熱流密度的電機(jī),又分外表面冷卻和內(nèi)部冷卻。對(duì)于外表面冷卻,一般會(huì)設(shè)置肋片來(lái)增大散熱面積,其關(guān)鍵在于對(duì)肋片外形和尺寸的優(yōu)化,同時(shí)需要考慮增加的質(zhì)量、體積以及對(duì)流場(chǎng)的影響;對(duì)于內(nèi)部風(fēng)冷,一般采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)化對(duì)流,風(fēng)機(jī)參數(shù)和風(fēng)道設(shè)計(jì)是重要因素,好的風(fēng)道具有換熱強(qiáng)、壓降低等特點(diǎn)。液套冷卻廣泛應(yīng)用于中等熱流密度的電機(jī),相對(duì)于空氣冷卻具有熱流密度高、噪聲低等優(yōu)勢(shì);常用的冷卻劑是水,此外還有油、乙二醇、電介質(zhì)等,不論采用何種冷卻劑,都需要對(duì)通道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及防腐。繞組是主要熱源,因此直接冷卻繞組效率更高,繞組冷卻包括槽內(nèi)繞組冷卻[9-11]和端部繞組冷卻[12-14]。槽內(nèi)繞組冷卻是指在定子槽內(nèi)設(shè)置冷卻通道,更進(jìn)一步則是采用空心或異形導(dǎo)體,使冷卻劑和繞組直接接觸,從而提高冷卻效率;由于空間有限,槽內(nèi)繞組冷卻存在冷卻通道狹小、壓降大等問(wèn)題。繞組端部通常是電機(jī)溫度最高處,常規(guī)的空氣冷卻、液套冷卻有一定效果,但是對(duì)于高功率密度電機(jī)仍需對(duì)端部進(jìn)行額外的冷卻,例如噴霧冷卻、沖擊冷卻等。轉(zhuǎn)子的損耗不高,但是散熱條件差,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)溫度可能與定子處于同一水平;目前轉(zhuǎn)子冷卻技術(shù)通常都是基于空心軸,在軸內(nèi)設(shè)置冷卻通道[15-17],與定子冷卻的集成是關(guān)鍵問(wèn)題。定子鐵心由片狀材料堆疊而成,阻礙了軸向?qū)?同時(shí)電機(jī)內(nèi)不同器件間的氣隙和表面粗糙度都會(huì)引起接觸熱阻,導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部溫度不均,不利于散熱。導(dǎo)熱強(qiáng)化方法主要利用灌封材料[18-20]、導(dǎo)熱板[21,22]、相變材料[23-25]和熱管[26-28]等,這些材料具有顯著的導(dǎo)熱強(qiáng)化效果,但是需要考慮對(duì)電磁場(chǎng)的影響和可能產(chǎn)生的額外渦流損耗。

電推進(jìn)垂直起降飛行器在懸停、垂直起降等大功率運(yùn)行工況下,其電流密度可達(dá)20 A/mm2。受條件限制難以使用更高效的液冷或相變冷卻等方式,目前仍采用風(fēng)冷散熱,所以需要盡可能提高其散熱效率以滿足使用需求。肋片是增強(qiáng)散熱的有效方法,在一定范圍內(nèi)提高肋片高度、數(shù)目均可有效增加散熱量,但是同時(shí)也會(huì)顯著增加質(zhì)量、干擾氣動(dòng),所以需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。肋片在內(nèi)部和外部流動(dòng)中應(yīng)用廣泛:文獻(xiàn)[29]利用數(shù)值方法分析了肋片形狀對(duì)仿螺旋肋片內(nèi)冷通道流動(dòng)與傳熱的影響;文獻(xiàn)[30]使用COMSOL對(duì)一電機(jī)帶肋外殼進(jìn)行了數(shù)值仿真,并用熱成像儀進(jìn)行了溫度驗(yàn)證,該電機(jī)平均熱流密度為612.8 W/m2。

高功率密度電機(jī)高效輕量化風(fēng)冷散熱是涵道風(fēng)扇的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)[31],本文針對(duì)某型高功率密度(外殼熱負(fù)載17.3 kW/m2)電機(jī)進(jìn)行熱分析,結(jié)合工程估算、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,評(píng)估不同高度肋片的散熱強(qiáng)化作用,為下一步綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 散熱方法

1.1 涵道風(fēng)扇電機(jī)風(fēng)冷散熱方案

本文的研究對(duì)象是內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)。如圖1所示,該電機(jī)安裝在涵道的軸線上,外殼與槳轂、整流罩等一體化。電機(jī)定子是主要發(fā)熱部位,與外殼接觸,可直接利用涵道內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)冷散熱。盡管涵道內(nèi)部空氣流速較高,但是依然不滿足高功率密度電機(jī)的冷卻需求,所以考慮增加翅片強(qiáng)化散熱。典型的肋片結(jié)構(gòu)有針肋、直肋、環(huán)肋等。考慮到工藝和可靠性,初期選擇矩形截面直肋進(jìn)行分析,后期根據(jù)研究結(jié)果在此基礎(chǔ)上改進(jìn)。

圖1 涵道風(fēng)扇電機(jī)安裝示意圖

本研究只針對(duì)電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)的表面散熱,所以對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。假設(shè)熱量只從外殼導(dǎo)出,通過(guò)外殼內(nèi)壁的熱流均勻分布,仿真時(shí)在內(nèi)壁定義輸入熱流,實(shí)驗(yàn)時(shí)用定制的圓柱加熱器加熱;假設(shè)電機(jī)外殼為一段圓柱,外部空氣沿軸向流動(dòng),沿圓周均勻分布,忽略重力。以光滑表面的模型作為參照,選擇了不同高度的矩形截面直肋進(jìn)行分析,共5個(gè)模型,參數(shù)及外形如表1和圖2所示。模型沿軸向分三段,長(zhǎng)分別為200 mm、200 mm、100 mm。前段為整流罩,迎向來(lái)流,使氣流以水平狀態(tài)進(jìn)入中間段,同時(shí)也用于支撐;中間段為測(cè)試對(duì)象,表面設(shè)置了不同高度的肋片;尾段用于支撐。

表1 模型參數(shù)表

圖2 模型結(jié)構(gòu)圖

1.2 工程估算

實(shí)際涵道風(fēng)扇圖1電機(jī)的外形較為復(fù)雜,但大致可簡(jiǎn)化為圓柱、立方體、平板等基本幾何結(jié)構(gòu)。這些幾何圖形的外部/內(nèi)部流動(dòng)已有大量實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[31,32]。

空氣掠過(guò)光滑表面(模型1)的流動(dòng)可簡(jiǎn)化為管外軸向流動(dòng),流動(dòng)速度沿圓周均勻分布(忽略重力),因此可將該模型中段近似為平板(寬度為管外周長(zhǎng),長(zhǎng)度與管長(zhǎng)相等)。表面上熱流密度均勻分布,則局部對(duì)流傳熱系數(shù):

(1)

對(duì)軸向任一點(diǎn)使用牛頓冷卻定律可得表面溫度分布:

(2)

(3)

由于Re和Pr隨溫度升高而減小,所以tw是x的單調(diào)增函數(shù),即表面溫度沿流動(dòng)方向單調(diào)遞增。

對(duì)于帶肋表面(模型2～模型5),需根據(jù)肋效率計(jì)算其對(duì)整個(gè)表面散熱的增強(qiáng)。肋效率指肋片實(shí)際散熱量與假設(shè)整個(gè)肋表面處于肋基溫度下的散熱量的比值。對(duì)于矩形截面直肋,散熱量和溫度分布分別如下:

(4)

(5)

(6)

模型的前段和尾段對(duì)散熱的影響無(wú)法忽略,將其視作肋片并通過(guò)肋效率把表面積折算進(jìn)中段。式(4)～式(6)假設(shè)對(duì)流傳熱系數(shù)h為常數(shù),由模型1預(yù)估h的值為49 W·m-2·K-1,可得壁面平均溫升(壁面溫度與空氣的溫差)。

1.3 數(shù)值仿真

本文使用仿真平臺(tái)ANSYS/Fluent進(jìn)行仿真,在DesignModeler中建模,如圖3所示,使用Meshing劃分網(wǎng)格。對(duì)肋片和殼體進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密,并在空氣側(cè)增加邊界層網(wǎng)格。第一層網(wǎng)格高度是邊界層網(wǎng)格最重要的參數(shù)之一,由y+≤1和常溫下空氣參數(shù)估算出第一層網(wǎng)格高度為0.018 mm。

圖3 仿真模型

邊界條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。考慮到邊界層內(nèi)溫度梯度大,空氣的相關(guān)熱物性參數(shù)設(shè)置為溫度的函數(shù)。固體材料為鋁合金7075。中段內(nèi)壁設(shè)置均勻熱流密度,模型總發(fā)熱量為1 000 W。

表2 仿真主要參數(shù)設(shè)置表

數(shù)值模擬的結(jié)果不能直接作為可靠的結(jié)論。數(shù)值模擬結(jié)果存在偏差的原因包括模型的簡(jiǎn)化、材料屬性的誤差、計(jì)算時(shí)的截?cái)嗾`差和舍入誤差等,因此有必要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.4 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)仍是目前工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。本文在地面搭建了強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn),從而驗(yàn)證理論與仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)圍繞牛頓冷卻定律進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖4所示,使用小型開(kāi)口風(fēng)洞模擬電機(jī)外流場(chǎng),通過(guò)變頻電機(jī)調(diào)節(jié)流速。模型安裝在中間實(shí)驗(yàn)段,內(nèi)部安裝定制加熱器,通過(guò)變壓器調(diào)節(jié)加熱功率,使用熱電偶測(cè)模型溫度,另外管道入口處通過(guò)溫濕度計(jì)測(cè)得空氣參數(shù)。工作段長(zhǎng)度為800 mm,橫截面400 mm×400 mm,模型固定在底部支架上,模型處于工作段中心位置。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

通過(guò)電加熱器給模型壁面施加一定的熱流,測(cè)量其表面在恒定風(fēng)速下穩(wěn)定時(shí)的溫度。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,對(duì)同一模型、同一風(fēng)速施加不同的熱流,然后對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。為減小穩(wěn)定時(shí)間不足造成的溫差,對(duì)同一工況點(diǎn)進(jìn)行升溫和降溫實(shí)驗(yàn),即提高加熱功率再降回,使模型以升溫和降溫兩種形式趨近穩(wěn)定溫度。

采用福祿克皮托管型風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速。溫度采用K型熱電偶配合數(shù)顯測(cè)溫儀,交叉測(cè)量,誤差在1 ℃內(nèi)。為減少熱電偶對(duì)流場(chǎng)的干擾,同一模型只取肋片軸向中點(diǎn)根部進(jìn)行測(cè)溫。

2 結(jié)果與討論

2.1 計(jì)算溫升

工程估算只能得到中段壁面的平均溫升,結(jié)果如表3所示。

表3 表面散熱計(jì)算結(jié)果

2.2 仿真溫升

圖5為溫度場(chǎng)模擬結(jié)果。對(duì)于模型1,由于邊界層從前緣(來(lái)流方向)逐漸增厚,局部對(duì)流傳熱系數(shù)遞減,在均勻熱流密度的情況下,前段和中段壁面溫度隨流動(dòng)方向逐漸增大。

圖5 軸向剖面溫度分布

對(duì)于模型2～模型5,不同于常規(guī)的外部流動(dòng)或內(nèi)部流動(dòng),它是半開(kāi)放式的流動(dòng),邊界層在肋片間隙中增長(zhǎng)匯合,逐漸充滿并溢出肋片間隙。其前段類似內(nèi)部流動(dòng),后段類似外部流動(dòng),但是壁面溫度同樣隨流動(dòng)方向遞增。因此對(duì)于軸向外部空氣冷卻的電機(jī),存在溫度不均、末端散熱效果差的問(wèn)題。

肋片高度不同,取各模型中段內(nèi)側(cè)壁面溫度進(jìn)行對(duì)比,如圖6所示。電機(jī)外殼一體化,盡管壁厚較薄,但是由于金屬材料的高熱導(dǎo)率,前段和尾段對(duì)中段起到了一定的散熱作用。模型1、模型2的中段后端溫度略有下降,當(dāng)采用更高的肋片后,由于中段散熱增強(qiáng),尾段散熱效果未在溫度曲線中體現(xiàn)。后續(xù)考慮使用更高熱導(dǎo)率的輕量化材料或增加高導(dǎo)熱涂層如石墨烯,盡可能降低肋片高度和數(shù)目,從而減小氣動(dòng)干擾,降低額外質(zhì)量。

圖6 中段內(nèi)側(cè)壁面溫升

圖7為模型5在z=300 mm處的肋片表面溫度和局部對(duì)流傳熱系數(shù)h。由于肋片根部流速很低,h趨于0,然后沿高度方向迅速增大,且波動(dòng)明顯。在肋片高度區(qū)間內(nèi),平均對(duì)流傳熱系數(shù)約為40 W/(m2·K),根據(jù)式(6),取相同根部溫度可得肋片理論溫度分布。工程估算將h視為定值,使肋片的計(jì)算溫度整體低于仿真值,因此估算結(jié)果的可靠性依賴于h的選取。

圖7 模型5肋片表面溫度分布和對(duì)流傳熱系數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)溫升

為了與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,需獲取模型在1 000 W熱負(fù)載下的壁面溫度。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,進(jìn)行多功率溫升實(shí)驗(yàn),并對(duì)中段中部(z=300 mm)溫度點(diǎn)進(jìn)行擬合。如圖8所示,壁面溫升(與空氣的溫差)和加熱功率近似線性正相關(guān),說(shuō)明該點(diǎn)的局部對(duì)流傳熱系數(shù)在本實(shí)驗(yàn)所涉及的溫度范圍內(nèi)近似為常數(shù),所以可根據(jù)擬合式得出該點(diǎn)在不同熱流密度下的溫升。擬合線斜率近似為該點(diǎn)局部對(duì)流傳熱系數(shù),由圖8可知,肋片顯著提高了模型的散熱效果,且高肋片效果更好,與仿真結(jié)果一致。

圖8 溫升-加熱功率分布圖

取模型中段仿真溫升均值(圖6),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算值對(duì)比。如圖9所示,三種方法獲得的溫升偏差較小。

圖9 溫升對(duì)比(熱負(fù)載1 000 W,空氣流速17 m/s,空氣溫度30 ℃)

由于肋片為高熱導(dǎo)率的金屬,換熱介質(zhì)為空氣,其畢渥數(shù)Bi≤0.25,故采用肋片對(duì)強(qiáng)化散熱總是有效的,且高度增加有利于強(qiáng)化散熱,但效果逐漸減弱。對(duì)模型2～模型5的平均對(duì)流傳熱系數(shù)預(yù)估偏高,且計(jì)算式將h視作常數(shù),導(dǎo)致平均溫升計(jì)算值偏低。當(dāng)已獲知同類流動(dòng)的平均對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí),實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式等工程估算方法更為方便、快捷且較為準(zhǔn)確。

當(dāng)電機(jī)效率不變時(shí),單位時(shí)間發(fā)熱量與其輸出的軸功成正比。盡管增大軸功可帶來(lái)更高的風(fēng)速,但是傳熱系數(shù)隨空氣流速的增長(zhǎng)率逐漸減小,因此電機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)的溫升隨軸功的增大而增大,強(qiáng)化散熱有利于電機(jī)在相同溫升的情況下提高軸功。從平均溫升考慮,模型4、模型5滿足需求,但仍需進(jìn)一步分析最高溫度是否超標(biāo)。另一方面,肋片的強(qiáng)化作用有上限,當(dāng)電機(jī)進(jìn)一步提高功率時(shí),即使加高肋片也無(wú)法滿足需求,需要結(jié)合其它散熱方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)工程估算、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)某電機(jī)外殼模型進(jìn)行了熱分析,初步評(píng)估了肋片在高功率密度電機(jī)散熱中的作用和可用性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了工程計(jì)算和數(shù)值仿真在電機(jī)熱分析中的作用,對(duì)比了三者之間的差異,為選擇合適的分析方法提供了一定的理論和數(shù)據(jù)支撐。此外,通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)分析,提出了高功率密度電機(jī)強(qiáng)化散熱的方向。

1) 增大對(duì)流傳熱系數(shù)和表面積,然而復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)冷卻效果受阻力、結(jié)構(gòu)質(zhì)量等條件限制難以有顯著的提升,不滿足高功率密度電機(jī)散熱需求,可以考慮將熱量傳至它處來(lái)間接增大散熱面積,這需要采用熱管、均熱板或高導(dǎo)熱涂層等方式。

2) 采用輕量化的高導(dǎo)熱材料作為電機(jī)外殼,盡管徑向熱阻降幅有限,但軸向?qū)峥梢杂行Ы档鸵蜉S向風(fēng)冷產(chǎn)生的溫度梯度,從而降低電機(jī)遠(yuǎn)離來(lái)流方向的末端溫度,同時(shí)高熱導(dǎo)率有利于增大肋效率。

3) 熱電制冷等常用于電子器件散熱的主動(dòng)冷卻方式,具有單位面積冷量高、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn),但是總制冷量小、能耗高,需要綜合考慮。

涵道風(fēng)扇的內(nèi)部流場(chǎng)為電機(jī)風(fēng)冷散熱提供了基本條件,通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以提高風(fēng)冷散熱效率、緩解持續(xù)大功率的溫升問(wèn)題,但是需要配合更高效的冷卻措施才能更好地滿足實(shí)際使用需求。工程計(jì)算和CFD仿真方法在涵道風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)風(fēng)冷散熱分析中具有較好的可信度,可以用來(lái)對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本文只涉及電機(jī)外部穩(wěn)態(tài)空氣冷卻,未來(lái)將對(duì)所描述的電機(jī)進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步研究?jī)?nèi)部傳熱以及更先進(jìn)有效的熱管理方法。