兆瓦级高速永磁电机新型转子冷却结构研究

摘 要：兆瓦级高速永磁电机转子侧无强迫冷却措施时转子侧温升高、永磁体失磁风险高，基于此问题，提出一种新型的加强筋转子轴向通风结构，该结构能够提高转子侧的壁面对流散热系数、提升转子侧的散热能力、降低电机温度。以一台1 MW、18 000 r/min的高速永磁电机为例，建立该电机的三维全域流固耦合求解模型，基于计算流体力学和有限元法对电机流体场与温度场进行分析，揭示电机在额定工况下的流体与温度分布规律。将新冷却结构与传统冷却结构的散热性能及温升变化进行对比，验证新型冷却结构在提升电机散热性能方面的有效性。最后，分析入口风速对电机最高温度的影响，得到适合该冷却结构的入口风速范围，为外部风压设备的选择提供理论支撑。

关键词：兆瓦级高速永磁电机；电机损耗；转子通风冷却；流体场；温度场；冷却结构优化

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中图分类号：TM351文献标志码：A

Investigation of new rotor cooling structure optimization in a MW high-speed permanent magnet motor

CAI Wei， NIU Jinhua， TANG Yue

（School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：When there is no forced cooling measures on the rotor side of the MW high-speed permanent magnet motor， the rotor side temperature rises and the risk of permanent magnet demagnetization is high. Based on this problem， this paper proposes a new axial ventilation structure with reinforced ribs， which can improve the wall heat transfer coefficient on the rotor wall， enhance the heat transfer capacity of the rotor side， and reduce the temperature of the motor. In this paper， a three-dimensional global fluid-solid coupling solution model was established for a 1 MW， 18 000 r/min high-speed permanent magnet motor， and the fluid field and temperature field of the motor were analyzed based on computational fluid dynamics and finite element method. The distribution of fluid and temperature of the motor under rated working conditions is revealed. The heat dissipation performance and temperature rise change of the new cooling structure was compared with that of the traditional cooling structure， and the feasibility of the proposed new cooling structure in improving the heat dissipation performance of the motor was verified. Finally， the effect of inlet wind speed on the maximum temperature of the motor was analyzed， and the suitable inlet wind speed range for this cooling structure was obtained， providing theoretical support for the selection of external wind pressure equipment.

Keywords：MW high-speed permanent magnet motor; motor losses; rotor ventilation cooling; fluid field; temperature field; cooling structure optimization

0 引 言

高速永磁电机具有功率密度高[1]、传动效率高[2]、动态响应快[3]等优点，在航天用电机、压缩机、船舶供电、空调离心机、高速空压机、精密电子等领域获得了广泛应用，是当前国内外电机研究领域的热点之一。

然而，高速电机转速高、绕组电流频率和铁心中的磁通交变频率高[4]、损耗密度高[5]，这使得该类电机转子侧发热严重、散热困难。文献[6-7]采用轴向通风的方式来对高速永磁电机转子侧进行冷却，冷却风由电机一侧进入，流经电机内气隙等区域，带走电机部分热量，由电机另一侧流出。但转子轴向长度一般较长，风摩损耗占比大，转子散热困难[8]，且气隙中的空气热阻高，碳纤维护套导热能力差，传统冷却方法已无法满足散热要求。因此，在满足电机设计指标、达到电气要求的前提下，设计高效的转子冷却方法和冷却系统，对于大功率高速永磁电机而言格外重要[9-10]。

目前，众多国内外学者采用计算流体力学的方法对高速电机的传热理论展开分析研究。文献[11]针对一台1 020 kW、19 000 r/min的高速永磁电机提出混合通风冷却散热系统，对转子表面风摩损耗及流体场做出系统的分析研究。文献[12]针对一台75 kW、60 000 r/min的高速永磁电机，通过流体场分析计算了转子空气摩擦损耗，总结了空气摩擦损耗与电机转速之间的关系。文献[13]针对一台10 MW、10 000 r/min的空冷实心转子感应电动机提出“三进两出”的通风冷却结构，有效降低了电机的最高温度。上述研究虽对通风结构做出了改进，但对电机转子侧的温升影响较小，高速永磁电机的转子侧温度高、永磁体失磁的问题依旧存在。

本文以一台1 MW表贴式高速永磁同步电机为例，建立该电机的三维全域流固耦合求解模型与冷却系统结构模型，采用计算流体力学和有限元的方法对温度场与流体场进行求解分析，揭示了电机内温度分布与流体分布的规律。由于原始冷却结构电机转子侧无强迫冷却措施时转子侧温升高、永磁体失磁风险高，因此本文提出一种新型的加强筋转子轴向通风结构，该结构能够增强转子侧的对流散热，进而降低转子温度，通过对比新型冷却结构与传统冷却结构的散热性能，验证了所提出的新型冷却结构的合理性。

1 三维流固耦合传热模型的建立

1.1 数学模型

基于流体力学和传热理论，建立兆瓦级高速永磁电机的三维全域流固耦合求解数学模型，该数学模型满足质量、动量、能量三大守恒定律[14]，表达式为：

式中：k为流体湍流的动能；ε为扩散因子；σk和σε为普朗特数；G1ε和G2ε为常数；Gk为湍流发生率。

1.2 物理模型

本文所研究的电机为一台1 MW、18 000 r/min，4极27槽的兆瓦级高速永磁电机，根据高速永磁电机设计指标及要求，电磁方案需满足电机在额定及峰值工况下稳定可靠运行，原电机三维全域流固耦合求解模型如图1所示，电机的基本参数如表1所示。兆瓦级高速永磁电机损耗大，单一的冷却方式不能满足本电机的散热需求，因此，本文采用机壳双螺旋水冷和转子外部强迫风冷混合冷却的方式，冷却系统结构如图2所示。其中通风道包括定子槽口内风道及气隙两部分，位于图1的空气域，如图2（a）所示，双螺旋水路位于图1的定子机壳内，如图2（b）所示。

1.3 温度场等效模型及边界条件确定

1）温度场等效模型及传热系数。

为进行温度场模拟，将绕组绝缘漆、绝缘纸和定子槽内空气等替换为等效绝缘层，如图3所示。绝缘层的导热系数、密度和比热容可由下式确定[17]：

式中：v1、v2分别为转子、转轴外表面线速度；Reb、Nub分别为定子绕组端面气隙雷诺数、努塞尔特常数；D1、D2分别为定子内外径；n为电机转速；γ为空气运动粘度系数。

2）基本假设及边界条件。

针对高速电机内流体特点及传热情况给出温度场和流体场求解的基本假设和边界条件[14]：

1）根据计算流体力学（computional fluid dynamics，CFD）理论，电机内部的流体由于转速较低，被认为是不可压缩的。

2）本文只考虑电机内部的热对流和导热，不考虑热辐射对温升的影响。

3）认为电机各部件损耗均匀分布。

4）水路入口温度为50 ℃，入口流量为7 L/min。本文认为水路壁面系数是均匀分布的，平均对流传热系数为2 400 W/（m2·℃）。

5）风路采用流固耦合进行求解，计算模型为湍流模型，给定入口速度13 m/s，入口温度为环境温度，出口为标准大气压。

6）转子旋转所带动的气隙空气沿周向旋转，转子与空气耦合面的周向旋转角速度为18 000 r/min。

1.4 热源激励

研究电机热特性的前提需要准确计算得到热场的热源，即电机的各项损耗，本文中的损耗值均为电机在转速18 000 r/min时的额定负载工况下求得，求取电机的各项损耗分析如下所示，其中下列分析中包括定子铁耗、转子涡流损耗、交流铜耗、风摩损耗。

1）定子铁耗。

考虑到定子铁心温度对绕组温度影响较大，建立其二维有限元模型，电机正常运行时的铁损密度分布如图4所示。

3）交流铜耗。

交流铜耗Pac包括直流铜耗Pdc和高频附加铜耗Pad，受趋肤效应、邻近效应的影响，本文采用有限元法建立每个导体的实体模型，根据导体剖分单元上的电密J，绕组电密图如图6所示，对每个单元进行积分得绕组的总交流损耗，表达式为[19]：

式中：l为导体长度；J为电密；A为矢量磁位。

4）风摩损耗。

风摩损耗Pf是由于高速旋转的转子与静止的空气产生相对速度而产生的，本文中的转子旋转速度高达数万转，产生的风摩损耗更是远超普通电机，在耦合能量方程的前提下，利用三维流体场法对电机进行稳态分析，其基本原理符合[12]：

Pf=Pout－Pin。（10）

式中Pout、Pin分别为风道出入口总能量。根据有限元求得风摩损耗为2 073.4 W。

将以上得到的各项损耗计算热源的生热率，最终将所得到的生热率赋值到热源设置的模块中完成。电机生热率是指电机稳态运行的过程中，单位体积内的电机损耗所产生的热量值，其表达式为[20]

Q=P／V。（11）

式中：Q为生热率；P为电机发热部件损耗；V为电机发热部件体积。电机损耗与升热率如表2所示。

1.5 流体场与温度场的分析

基于以上假设和基本条件，将热源升热率赋值到热源设置模块等，对电机三维全域传热模型的流体场与温度场进行求解分析。

电机流体流速分布如图7所示，空气域内对流散热系数分布如图8所示。由图7可知，空气域轴向风道与气隙侧流体流速、轴向风道顶端与底端流速分布均相差较大，越靠近气隙侧流体分布越密集，流速越大，其最大流速位于气隙侧内表面，为132 m/s，受开口槽影响，定子槽口中间的流体分布要大于槽口两侧，总体分布合理。受流体分布及流速影响，气隙侧平均对流散热系数可达447.8 W/（m2·℃），受转子高转速的影响，对流散热系数越靠近转子表面的数值越大；其中轴向风道的平均对流散热系数可达212.6 W/（m2·℃），受开口槽影响，定子槽口中间的散热系数要大于槽口两侧。

由于轴向风道顶部和底部的对流散热系数相差较大，因此下面对轴向风道侧进行流体分析。对流换热是流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，部分流体分析的直线如图9所示，在轴向风道不同位置分别画直线1、2，其中直线1靠近轴向风道底部，直线2靠近轴向风道顶部槽口位置。图10为空气域对流散热系数的分布，其中直线1的平均对流散热系数为256.7 W/（m2·℃），直线2的平均对流散热系数为476.6 W/（m2·℃），两者相差较大，由此可知，在转子高转速的影响下，越靠近槽口侧散热效果越好，靠近轴向风道顶部的散热效果远大于轴向风道底部的散热效果。

电机温度场分析如图11所示，在环境温度为室温的状况下，定子铁心温度分布如图11（a）所示，定子绕组温度分布如图11（b）所示，永磁体温度分布如图11（c）所示，转子温度分布如图11（d）所示。由图11（a）可知，定子部分的高温区域主要集中在定子槽内部分，最高温度达到82.7 ℃，图11（b）定子绕组的最高温度达到89.7 ℃。由图11（c）可知，电机的最高温度出现在永磁体中间侧，为150.4 ℃。其次是图11（d）转子的温度分布，最高温度为150.3 ℃，出现在转子轴向中间处，依次向两端降低，这是由于表贴式兆瓦级高速永磁电机永磁体位于转子表面，而高速永磁电机的转子轴向长度一般较长，转子散热困难导致永磁体散热困难，转子外部强迫风冷的通风结构的转子部分温度较高，转子内永磁体极易发生不可逆退磁，其冷却效果还有待改进。

2 新型冷却结构电机热特性分析

2.1 加强筋转子轴向通风结构设计

由于电磁设计和磁钢装配等需求，表贴式高速永磁电机永磁体极间间隙一般填充非导磁导电的高强度塑料，高温高强度塑料导热系数低、热阻大，导致温升增加，电机在高温情况下，特别是转子高温情况下，转子内永磁体易退磁，从而影响电机的正常运转，因此高导热特性的材料对高速电机转子具有重要作用。本文在保证电机的电磁性能不变的情况下，将该电机永磁体极间间隙的高温高强度塑料替换为高导热特性的填充钢材料，通风冷却结构改进为加强筋转子轴向通风结构，如图12所示，图12内的加强筋结构如图13所示。

改进后的通风域图12与改进前的通风域图2（a）相比，原有的通风道不变，增加图13的加强筋通风道结构，加强筋位于每对永磁体之间的间隙内，布设一周，共计4个，加强筋内部为通风区域，沿轴向方向每个加强筋有5个等面积开口。该冷却结构的优点是当转子高速旋转时，冷却风在离心力的作用下会将冷却介质压入加强筋内部，加强筋沿轴向表面有数个径向通风孔，使得冷却介质直接带走永磁体和转子铁心热量，从而提高转子侧内部的散热效率。改进后的求解模型如图14所示。

2.2 新型冷却结构电机与原冷却结构电机的热特性对比

在其他条件不变的情况下，对新型冷却结构电机进行流体场和温度场求解。改进后的流体流速分布图如图15所示，最高速度为261 m/s，位于加强筋内，与原始电机最高速度相差129 m/s，加强筋作为新的通风区域出现流体分布，流速大都分布在104～156 m/s之间。

不同结构改进前后平均对流散热系数对比，如图16所示。由其前两项对比可知，气隙和轴向风道侧平均对流散热系数改进后均有所降低，这是由于加强筋的引入使得风量更加向转子侧集中，但降低幅值可忽略不计。其中永磁体和转子的壁面对流散热系数分别是234.8、256.9 W/（m2·℃），相较原始电机两者分别增加了135.6、111.7 W/（m2·℃）。这是由于改进后空气域加强筋中的5个等面积开口使冷却介质和永磁体、转子直接接触，如图17所示。改进前永磁体流固接触面为A面，转子流固接触面为C面，即改进前转子侧仅通过气隙和端面进行散热。而改进后永磁体和转子的流固接触面分别增加B面及D面，散热面积共增加了10 348 mm2，故改进后转子侧不仅通过气隙和端面进行对流传热，还通过加强筋内部风道由冷却介质带走转子侧部分热量，因此改进前后对流散热系数差别较大。

新型冷却结构电机额定运行时温度分布如图18所示，图19为改进前后的温度对比图。结合两图来看，图18（a）、图18（b）均较改进前增加了1.2 ℃，可忽略不计，由图16前两项可知，气隙、轴向风道改进后散热系数减小，由图18（c）可知，电机的最高温度出现在永磁体中间侧，为138.6 ℃。其次是图18（d）转子的温度分布，最高温度为136.6 ℃，由永磁体和转子温度分布云图可知，最高温均出现时，该电机的最高温度是138.6 ℃，位于图18（c）永磁体中间部分，相较改进前永磁体150.4 ℃降低了11.8 ℃，图18（c）、图18（d）温度均有所降低，降低的原因为改进后转子侧散热面积增加，对流散热系数增大，两者散热效果增强，温度降低。

该电机的通风结构改进为加强筋转子轴向通风结构后，其优点是转子侧温度降低，其不足之处是改进后的电机风摩损耗增大。下面对风摩损耗增大而电机温度下降原因做进一步的详细数据分析。表3为通风冷却改进前后的数据对比。

对比通风冷却方案改进前后，在入口流量保持一致的情况下，新型冷却结构电机的风摩损耗较优化前变大，这是由于高速永磁电机的风摩损耗主要由转子与气隙摩擦产生，改进后的电机转子于永磁体极间间隙增设加强筋通风道，与冷却介质的接触面积变大，在电机高转速的影响下，通风域内最高风速变大，风摩损耗随之变大，风摩损耗较优化前增加408 W，占比电机总损耗1.9%，对电机影响因子较小。

对比通风冷却方案改进前后的电机温度仿真结果，新型冷却结构电机转子侧最高温度为138.6 ℃，比传统冷却结构电机降低了7.8%，这是由于改进前永磁体和转子的对流散热系数位于两者端面，内部只能通过热传导方式进行间接散热，散热困难。而改进后的冷却风能够直接在加强筋内流动，电机散热面积增大、最高风速增大、对流散热系数增大，永磁体和转子的壁面对流散热系数分别增加，在以上因素的影响下使得转子侧温度大幅降低，且新型冷却结构电机温差较传统冷却结构电机温差降低了11.8 ℃，有利于电机可靠运行。

增设加强筋通风道后，虽然风摩损耗变大，但电机与风接触面积变大，转子侧散热的效果更加理想，风摩损耗增加占电机总损耗的1.9%，电机的最高温度较优化前降低7.8%，通过对比两者数据，综合考虑，兆瓦级高转速电机风摩损耗对电机温升的影响要远小于加强筋通风道开通后使转子部位温度大幅降低的效果。

2.3 入口风速对电机最高温度的影响

为了研究不同入口风速对电机冷却的效果，得到了适合该冷却结构的入口风速范围，为外部风压设备的选择提供了理论支撑，本文分析了入口风速为7、9、11、13、15、17 m/s时电机最高温度的变化规律。本电机采用的是他扇冷却，入口最高风速是外部风扇能提供到的。采用三维流体场法求解出不同入口风速对应的风摩损耗及电机最高温度，可得不同风摩损耗下的电机最高温度分布，如图20所示。当入口风速在7～13 m/s之间时，通风域周围流体流速减小，永磁体、转子、绕组、定子最高温度随电机入口速度的增加下降较快。当入口风速在13～17 m/s之间时，通风域周围流体流速趋于饱和，永磁体、转子、绕组、定子最高温度随电机入口速度的增加下降趋势减缓，因此选用13 m/s入口风速，此时电机最高温度达到138.6 ℃。

3 结 论

本文针对兆瓦级电机转子过热问题，提出一种新型的加强筋转子轴向通风结构，该结构通过提高转子散热面积，提升转子的对流散热系数，降低转子温度。本文对电机的流体场及温度场进行研究，比较改进前后电机的散热性能及温升变化，结果验证了提出的新型冷却结构的合理性，得到如下结论：

1）通过对原电机的流体场分析可得，转子高转速下气隙中越靠近转子表面的散热系数越大，受开口槽影响，定子槽口中间的散热系数要大于槽口两侧。电机额定工况下最高温度出现在永磁体区域，约为150.4 ℃，定子部分的高温区域主要集中在定子槽内部分，最高温度达到82.7 ℃，定子绕组最高温度达到89.7 ℃。

2）采用新型的加强筋转子轴向通风结构使得转子侧的对流散热系数与风摩损耗同时变大，风摩损耗较优化前增加408 W，占电机总损耗的1.9%，对电机温升影响小，电机的最高温度较优化前的150.4 ℃降低11.8 ℃，比改进前电机温度降低了7.8%，冷却效果得到明显改善，通过对比两者数据，风摩损耗对兆瓦级高速电机温升的影响要远小于加强筋通风道开通后使转子部位温度大幅降低的效果。

3）电机的入口风速在7～17 m/s变化时，电机内永磁体、转子、绕组、定子最高温度先呈线性下降而后趋于平缓，因此采用13 m/s的入口风速，此时电机最高温度可达138.6 ℃。

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（编辑：邱赫男）

收稿日期： 2023-07-21

基金项目：国家自然科学基金（U21A20145）

作者简介：蔡 蔚（1959—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为驱动电机、功率电子控制器及汽车电动化电驱动系统、低振动噪声电机等；

牛金花（1999—），女，硕士研究生，研究方向为永磁电机综合物理场计算、高性能永磁电机设计与分析；

唐 跃（1987—），男，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为复杂条件下电机综合物理场计算、电动用高性能永磁电机设计。

通信作者：牛金花