1.12MW高速永磁电机不同冷却方案的温度场分析

张凤阁 杜光辉 王天煜 王凤翔 Wenping CAO

（1. 沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870 2. 沈阳工程学院机械工程学院 沈阳 110136 3. School of Electronics,Electrical Engineering and Computer Science Queen’s University Belfast Belfast UK BT9 5AH）

1 引言

高速电机以其效率高、体积小、功率密度大且可与工作机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置等优点，广泛应用在储能飞轮、真空泵、高速磨床和压缩机等各工业领域[1-3]；军工上作为飞机、舰载供电设备，特别是航空母舰的能源系统可以有效减小舰体本身重量，增加载弹量和机动性。由于在军事及重大工业领域的广泛需求，高速电机成为国内外学者竞相研究及关注的对象[4,5]国外对高速电机的研究较早，功率范围由几千瓦到几十兆瓦，而我国对高速电机的研究大都停留在几十千瓦以下的小功率阶段，大功率高速电机的研究还属于起步阶段。高速电机高速旋转时会在定转子中存在大量的时间谐波和空间谐波，而高速永磁电机的供电频率约为普通电机的十多陪，因此基波和谐波的频率都会特别高，会在定子铁心、绕组和转子中存在大量的高频铁耗、高频铜耗和涡流损耗[6-7]，同时转子高速旋转时与空气摩擦，造成的风摩耗约为普通电机的几十倍[8]，而高速电机的体积远远小于同等功率的普通电机。同时高速电机旋转时，永磁体不能承受巨大的离心力，必须在永磁体外嵌套高强度的合金钢或碳纤维材料[9]，合金钢保护措施会在保护套中产生很大的涡流损耗，碳纤维保护套的传热特性又极差，转子损耗虽然数值不大，但是由于转子体积小、散热条件差，容易造成转子局部高温[10-13]，而且可能造成永磁体不可逆失磁。特别是对于兆瓦级的大功率高速永磁电机，其体积很小，但损耗却高达数十万瓦，如何设计良好的冷却系统，保证电机在一个较低的温升下运行，成为高速电机向更大功率发展的制约因素。

本文针对一台1.12MW，18 000r/min的高速永磁电机，设计了混合通风螺旋水道、轴向通风螺旋水道以及轴向通风直槽水道三种不同的风冷与水冷结合的冷却方案，并利用流固耦合法进行了温度场的比较与分析，最后加工了一台样机，进行了温升实验，实验结果与计算结果相吻合，为兆瓦级高速永磁电机的发展提供了参考依据。

2 1.12MW高速永磁电机结构

1.12MW，18 000r/min的高速永磁电机整体结构如图1所示，设计参数见表1。电机选用4极转子结构，采用转子铁心与转轴一体结构，转子铁心采用高强度导磁的碳素钢材料，永磁体采用NdFeB材料，永磁体外捆扎碳纤维保护套，定子采用 27槽矩形槽结构，定子铁心采用低损耗系数的硅钢片材料，绕组采用扁铜线双层短距绕组，在定子槽靠近气隙侧预留一定高度的通风道，以便更好地给转子散热。

图1 1.12MW高速永磁电机整体结构图Fig.1 The integral model of 1.12MW high-speed permanent magnet machine

表1 1.12MW高速永磁电机基本参数Tab.1 Parameters of 1.12MW high-speed permanent magnet machine

3 1.12MW高速永磁电机冷却结构

3.1 通风结构

转子中包含大量的涡流损耗和风摩耗，而碳纤维保护套的导热特性很差，必须对转子采取散热措施。本文对1.12MW高速永磁电机主要采取两种通风方式：轴向通风和混合通风，两种通风方式的截面结构如图2所示，两种通风道三维结构如图3所示。轴向通风为冷风，从设置在电机机壳一侧的进风口流入，经过绕组一侧的端部，流经定子槽内预留的内风道和气隙，带走转子热量，流经绕组另一侧的端部，从设置在机壳另一侧的出风口流出，如图2a所示。混合通风把定子分为两段，定子中间开设径向风道，冷风从定子中间的径向风道流入，流经定子槽内开设的轴向风道，分为两路，分别吸收转子热量，流经绕组端部，从机壳两侧的出风口流出，如图2b所示。

图2 通风系统截面结构Fig.2 Sectional structures of the ventilation system

图3 通风道三维模型Fig.3 The 3D model of ventilation ducts

3.2 水冷结构

高速电机的频率高，致使定子中的高频铁耗和高频铜耗急剧增加，本文采用在定子机壳内开设冷却水道的方式，冷却水道分为两种：螺旋水道和直槽水道，如图4所示。螺旋水道从电机一侧进水，另一侧出水，容易造成定子两端温度差，但沿途水道阻力较小。直槽水道的出水口靠近进水口，不易造成两端的温度差，但沿途水道阻力较大。

图4 水冷系统三维模型Fig.4 The 3D model of water water-cooling system

3.3 冷却方案

基于以上通风结构和水冷结构，本文设计了三种冷却方案，见表2，方案1采用混合通风螺旋水路结构，方案2采用轴向通风螺旋水路结构，方案3采用轴向通风直槽水路结构。方案1和方案2采用相同的水路结构不同的风路结构，可以分析不同的通风系统对电机温度分布的影响。方案2和方案3采用相同的风路结构不同的水路结构，可以分析不同的水冷结构对电机温度分布的影响。三种方案的通风介质均为常温空气，水冷介质为常温水。

表2 三种冷却方案Tab.2 Three kinds of cooling schemes

4 三维温度场传热模型

4.1 求解域模型

对于方案 1，由于混合通风系统轴向对称，因此取电机周向一个齿槽宽、轴向半个轴长为求解模型，对于方案2和方案3，取电机周向一个齿槽宽、轴向全轴长为求解模型，三种冷却结构的求解域模型如图5所示。对于通风系统采用流固耦合求解模型，对于水路结构这种非对称结构，难以采用流固耦合法对电机进行温度计算，并且进水口和出水口的水温相差很小，可以采用平均散热系数的方法进行求解。

4.2 基本假设与边界条件

电机内流体流动和传热是非常复杂的，根据其结构、流体流动和传热的特点，给出了合理的基本假设与边界条件：

（1）假设槽内所有绝缘同槽绝缘，全部铜线等效为一个铜棒导热体，并认为端部绕组是直的。

（2）忽略冷却水沿途的温度差，认为水路各处的散热系数和外部环境都相同，在水道处设置为对流换热边界条件，加载平均散热系数。

（3）风道流体域设置为标准的K-E湍流模型。

（4）风道入口均给定为速度入口边界条件，设定冷却风的速度和温度。

（5）风道出口处设置为压力出口边界条件，压力设定为标准大气压。

（6）周向两侧所有对称面设为旋转周期边界条件。

（7）风道和转子所有接触面，设置为旋转移动墙，加载旋转速度，模拟转子的旋转。

（8）电机定子铁心、绕组、护套和永磁体均为热源，加载平均损耗密度。

（9）转子表面风摩耗通过流固耦合直接求取。

4.3 水路散热系数的求取

冷却水与机壳之间属于强迫对流换热作用，根据流体相似理论，水冷机壳的对流换热系数α为

式中，Nu为努塞尔数，表现对流换热能力的强弱；α为流体与机壳表面的对流换热系数；d为当量直径；λ为流体的导热系数。

本文中流体模型为紊流，Nu可通过下式计算[14]

式中，Re为雷诺数，表征流体的流动特征；Pr为常温下的普朗特数，反映流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小；L水路长度，wp流体在壁温w下普朗特数。

式（2）中的相关参数可通过相似理论和水路特点求取[14]

式中，ρ为流体的密度；v流体流速；pc为恒压比热容；μ为流体在平均温度下的动力粘度；A为流体流过的截面积；U为润湿周长。

5 三维温度场计算结果分析

基于以上分析和假设，求解出不同冷却方案的温度和流体分布，图6为轴向通风结构和混合通风结构的流体流动情况，在仿真中保持三种方案的通风量一致。从图6可以看出，由于转子高速旋转，靠近转子侧的流体流速非常大，远大于电机其他部位的流体速度，而在电机端部的空气域里，流体流动较平稳，通风系统中流体流动情况特别复杂，因此利用流固耦合进行温度场的准确计算非常必要。不同冷却方案的温度场分布如图7所示，电机沿轴向和径向方向的温度分布如图8所示，电机各部件的最高温度见表3。

图6 不同通风系统的流体分布Fig.6 Fluid distribution in different ventilation systems

图7 不同冷却方案电机温度场分布Fig.7 Temperature field distribution of machine

表3 不同冷却方案各部件最高温度值Tab.3 Maximum temperature of the components with different cooling structures 单位/℃

轴向位置0处表示电机轴向中间处，径向位置的温度分布本文取的是轴向中间处的径向位置。从图7、图8和表3可以看出，三种冷却方案的最高温度都出现在转子轴向中间处，依次向两端降低，其中在转子各部件中，保护套的温度最高，是由于碳纤维保护套的传热特性很差，保护套和永磁体中的热量很难传递给通风系统。其中对于方案2和方案3的轴向通风结构，出口侧的转子和绕组的温度高于进风口侧的温度，而对于混合通风系统，转子和绕组两端温度轴向对称。方案1采用混合通风系统，转子的温度略低于方案2和方案3的轴向通风系统，方案2和方案3转子温度非常接近。三种冷却方案的定子温度都很小，远远低于转子温度，并且很接近，说明螺旋水路和直槽水路的散热特性较好且效果接近。

6 电机温升实验

本文基于轴向通风螺旋水冷的冷却方案（方案2）的基础上，加工了一台样机，样机采用无屏蔽层护套结构，样机的冷却结构如图9所示，机壳螺旋水道如图9a所示，轴向风道如图9b所示，其中通风系统中冷却介质采用空气冷却，样机温升实验平台如图 10所示，由于在温升测量时，额定运行在18 000 r/min时油膜轴承存在少许的漏油问题，严重影响电机温升测量的准确性，因此本文对负载运行在12 000 r/min时的温度实验值与计算值进行了比较，见表 4，从表 4可以看出，电机稳定后通风系统温升、水冷系统温升以及定子温度的实验结果与计算结果的误差很小，能够较好地吻合。

图9 样机冷却结构Fig.9 Cooling systemof prototype

图10 温升实验平台Fig.10 Temperature experimental platform

表4 负载运行12 000r/min时电机温度实验值与计算值Tab.4 Comparison between calculated and test results under load running 12 000r/min

7 结论

本文基于一台1.12MW，18 000r/min的高速永磁电机，设计了三种不同的冷却方案，并进行了温度场的比较分析，最后利用样机温升实验对计算结果进行了验证，实验结果与计算结果相吻合，证明了分析方法的正确性；三种冷却方案电机稳定后的最高温度都出现在转子轴向中间处，且转子温度远远大于定子和绕组温度，在转子中，碳纤维保护套的温度是最高的，如何有效地降低转子温度是高速电机电磁设计和冷却系统设计的研究重点；三种冷却方案中，螺旋水路和直槽水路的散热效果相接近，混合通风的冷却效果优于轴向通风。

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