HL-2M RMP线圈高速电机定子的散热研究

江嘉铭 姚列英 李 青 任青华

（核工业西南物理研究院，成都 610225）

HL-2M RMP线圈高速电机定子的散热研究

江嘉铭 姚列英 李 青 任青华

（核工业西南物理研究院，成都 610225）

基于 12000r/min的 HL-2M RMP线圈飞轮电机的定子设计进行了散热研究，以使得HL-2M RMP线圈供电电机定子的单根绕线电流达到300A不会被烧坏，利用公式推导和有限元分析相结合的方法，优化了电机定子的散热设计。

飞轮电机；电机定子；散热设计

HL-2M RMP线圈飞轮储能电机［1］是一种兼顾电动机、发电机功能的高速电机，电机飞轮转子由电网三相交流电经移相整流变压器后的电流驱动并保持设计的动能；当定子线圈的外加电流为0时，电机定子线圈在瞬间输出一个高电流脉冲，由电机的飞轮转子动能转化为瞬时电力输出，而线圈负载的最大峰值电流［2］为 20.4kA，使得电机定子单根电流的最大电流达到了300A。

由于军用和民用对这种飞轮储能电机的迫切需求，英美等发达国家竞相开展了这种飞轮电机的研究。电机转速的提高使得电机定子线圈的电流大幅提高，由于单位体积功率密度与损耗的增加和总体散热面积的减小，因此有效的散热方式，是高速电机设计中的一个重要问题［3-4］；有必要对300A电流的定子绕线进行散热研究，进一步优化电机定子设计。

1 HL-2M RMP线圈电机及定子结构

HL-2M RMP线圈电机是一种单级电机［5］，如图1（单位:mm）所示，电机转子没有绕组，只有若干永磁硅钢片组成。

图1 HL-2M RMP线圈电机结构

电机定子圆周布置48根线圈，放置于48根陶瓷绝缘棒中，电机的转子是由两个单独的永磁体电极组成，定子的简化模型如图2所示。

图2 定子的简化模型

线圈边和陶瓷棒长度相等，线圈长 0.08m，其矩形截面边长为0.004m，线圈外圆为陶瓷环，陶瓷环内经0.46m、外径0.5m、高0.06m，线圈用绑扎固定在陶瓷环上，在陶瓷环的侧面边上开孔，陶瓷棒就是从侧面孔上伸到里面的，在两个陶瓷棒之间放线圈，定子基座高0.1m，定子底面厚0.004m，定子零件的材料见表1。

表1 电机定子材料的基本参数

2 电机定子的散热模型

电机定子的散热研究主要包括两种研究方式:①自然散热研究；②空气风冷散热研究。自然散热研究包括大空间散热研究和有限空间自然散热研究。

2.1 电机定子的自然散热模型

大空间散热的研究主要是指电机置于一个大空气环境里散热，陶瓷环、陶瓷棒和基座的表面散热系数是恒定的，分别考虑辐射和不考虑辐射，分析模型如图3所示。

图3 电机定子自然散热模型

有限空间散热研究的模型与大空间散热模型的不同之处在于的空气单元的设置，有限空气单元的外表面温度为外环境温度30℃。

2.2 电机定子的风冷散热模型

风冷散热的成本比自然散热高，如图4所示，在空气单元上、下分别加上空气的恒定流速，利用基本的传热理论进行热边界的流-固耦合计算。

图4 空气风冷散热模型

3 电机定子的散热计算

为了降低电机定子的散热成本，如果电机定子在有限空间能满足散热需求，则不必考虑大空间散热和风冷方案。

3.1 电机定子有限空间自然冷却计算

根据有限空间自然换热关联式［6］，即

针对定子陶瓷环外表面部分的计算，其外表面部分的高度为0.06m，外圆直径为0.5m，在式（2）中假设ΔT=800℃得:Gr=1.5×104＜2.9×105，由有限空间层流实验关联系数表得

当A=0.03pi，陶瓷环外表面的散热功率为

针对定子基座外表面水平部分的计算，基座的设计高度为0.1m，外圆直径为0.5m，由式（1）和式（2）得:Gr=2.2×106＜2.9×105，空气属于层流。

针对定子基座垂直部分的计算，基座的底座表面直径为 0.5m，得:Gr=7.3×106＜2.9×105，属于层流，由式（1）和式（2）得

电机定子的总外表面的散热与温差关系式为

把线圈的总发热量φ =373.68W，代入式（12）得，ΔT=808℃，与理论分析假设的温差基本一致，表示壁面平均温度与环境的温差相差808.8℃，显然不能满足定子的散热要求，ANSYS热计算的电机定子散热温度如图5所示，计算结果表明有限空间散热的效果不好，可以排除这种方式。

图5 有限空间散热计算结果

3.2 电机定子大空间自然冷却计算

大空间的环境比较稳定，空气流动性好，针对定子陶瓷环外表面部分的计算，其设计高度为0.06m，外圆直径为0.5m，在式（2）中，假设ΔT= 112℃得:Gr=1.8×106＜3×109，空气属于层流，根据大空间自然换热关联式和层流实验关联公式系数表得

陶瓷环外表面部分的散热总功率为

针对定子基座竖直部分的计算，基座的设计高度为0.1m，外圆直径为0.5m，由式（1）和式（2）得出:Gr=8.25×106＜3×109，空气属于层流，得出

针对定子基座水平部分的计算，基座的底座表面直径为0.5m，得出:Gr=1.1×109＜3×109，空气属于层流，得出

那么得

线圈的设计电流为300A，线圈长0.08m，矩形截面为 4mm×4mm，铜线单根电阻值为:8.65× 10-5Ω，根据欧姆定理，单根线圈的发热功率为: 7.785W，48跟线圈总的发热量φ 为373.68W，代入式（24），ΔT=112℃，与前面的假设温差相近，结果比较可信。壁面平均温度与环境的温差比较大，最高温度基本在 130℃以上，计算热分析如图 6所示，线圈的平均温度均比环境温度高 107.95℃，与上面的理论分析比较吻合。

图6 大空间散热计算结果

4 HL-2M RMP线圈电机定子散热优化

根据有限空间和大空间自然散热研究结果，电机定子与周围环境的温差较高，由于有限空间散热更接近电机实际工况条件，可在有限空间里选择风冷方案来优化电机定子散热。

选择风冷的边界条件见表 2，为了防止垂直吹向陶瓷引起风流反窜，使陶瓷表面形成一股气流死角区，导致陶瓷的表面温度冷却速度不一致，时间长久陶瓷会因热应力破裂；因此选择平行于陶瓷外表面的风向，类似于台式电脑主板的风冷方案。

表2 边界条件

根据理论计算分析和实验验证，在环境50℃的情况下，风速与线圈最高温度的变化如图7所示，计算曲线和实验测量曲线十分吻合，风冷优化了定子的最高温度，在风速小于0.5m/s的期间，线圈的温度很高，因此，在样机开启的时候，风机首先并达到0.5m/s的风速，确保线圈不会在瞬间烧坏。

图7 线圈的温度与风速的关系

如有些电机在野外作业，电机的工作环境处于一个大空间里，可选择大空间热辐射［7］自然散热来优化电机定子线圈的温度，氮化铝陶瓷的热辐射率0.85和基座的钢材辐射率为0.9，这样的情况下，大空间散热的效果如图8所示。

图8 大空间散热考虑辐射的温度分布

如图 9所示，电机定子的最大热流密度是0.28e6W/m2，根据电机定子的结构陶瓷环外直径为0.5m、高 0.004m，散热面积为 0.00628m2，陶瓷棒和陶瓷环的传热功率为1.76kW，基本的传热能满足散热要求。

图9 大空间散热考虑热辐射时的热流密度

5 结论

电机处于野外大空间环境里，考虑电机定子热辐射，保持环境温度的相对稳定（气温 50℃），现在的HL-2M RMP线圈电机定子散热设计能满足散热要求的，传热功率达到了 1.76kW 以上，散热功率基本达到了 373.68W，电机定子的温度场稳定，线圈的最高温度119℃。

电机处于某一狭小有限空间里，电机定子外表面必须使用风冷，且风速不小于 0.5m/s，此时定子的线圈的最高温度小于130℃，基本满足300A定子电流的散热要求。

［1］蒋书云，卫海岗，沈祖培.飞轮储能技术研究的发展现状［J］.太阳能学报，2000，10（4）.

［2］J.X.Rossel_，J.-M.Moret，Y.Martin，G.Pochon，the TCV team.Physics design of a saddle coil system for TCV［J］.Fusion Engineering and Design，21（2011）.

［3］Aglen O，Andersson A.Thermal analysis of a high-speed generator［A］.IEEE-IAS.Conference Record of the IEEE Industry Applicatons Society Thirty Einght Annual Meeting［C］//Salt Lake City：IEEE，2003：547-554.

［4］Aglen O.Loss calculation and thermal analysis of a high-speed generator ［A］.IEEE Electric Machines and Drives Conference［C］//Madison：IEEE，2003：1117-1123.

［5］尹建阁，汤双清，曾东.飞轮储能系统用集成式电动/发电机分析研究［J］.装备制造技术，2009，1：36-39.

［6］杨世铭，陶文铨.传热学［D］.高等教育出版社，1998，12（3）：183-190.

［7］高效伟，王静，崔苗.辐射-导热耦合换热边界元算法［J］.中国科学：物理学、力学、天文学.2011，3.

The Heat Dissipation Study of HL-2M RMP Coils Power Supply High Speed Motor Stator

Jiang Jiaming Yao Lieying Li Qing Ren Qinghua
（Southwestern Institute of Physics，Chengdu 610225）

Basing on the design of the 12000r/min speed of HL-2M RMP coils power supply flywheel motor，the motor stator heat dissipation has been studied，in order to let the current of the motor stator coil reach 300A without burning to be broken，taking use of formula derivation and the finite element analysis methods，the stator heat dissipation design has been optimized.

flywheel motor；motor stator；heat dissipation design

江嘉铭（1984-），男，江西九江人，硕士，工程师，主要从事托卡马克主机与真空系统的相关科研工作。

国家磁约束核聚变能发展研究专项资助基金（2015GB104）