周 璞，鐘 焱，戴學(xué)昌，章 藝，吳偉亮

(1.中船重工集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031；2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

音圈電機(jī)的自然對(duì)流冷卻

周 璞1，鐘 焱1，戴學(xué)昌1，章 藝1，吳偉亮2

(1.中船重工集團(tuán)第七〇四研究所，上海 200031；2.上海交通大學(xué)，上海 200240)

音圈電機(jī)具有體積小、重量輕、速度和加速度響應(yīng)迅速、力學(xué)特性均勻等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用在各類伺服控制系統(tǒng)中。由于音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊， 導(dǎo)致散熱難度加大，在特殊情況下冷卻成為制約降低成本、提高壽命的重要因素。以某伺服系統(tǒng)中自然冷卻方式音圈電機(jī)為對(duì)象，以流-固熱耦合方法對(duì)采用空氣和油為冷卻媒介時(shí)電機(jī)內(nèi)部共軛傳熱過程進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，油冷卻媒可以顯著降低電機(jī)內(nèi)部溫度，該種冷卻方式對(duì)降低電機(jī)制造成本、提高壽命，增強(qiáng)控制系統(tǒng)可靠性是有利的。

音圈電機(jī)；電機(jī)冷卻；共軛傳熱；自然對(duì)流換熱

0 引 言

音圈電機(jī)具有體積小、重量輕、速度和加速度響應(yīng)迅速、力學(xué)特性均勻等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電子系統(tǒng)、光學(xué)儀器、醫(yī)療器械、工業(yè)控制、航空航天等需要精密定位和控制的領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

定、轉(zhuǎn)子工作時(shí)的銅耗、鐵耗及風(fēng)耗使電機(jī)零部件內(nèi)部產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電機(jī)的溫度升高，如果溫升較大，則電機(jī)須采用耐溫能力高的材料，這一方面增加電機(jī)成本，另一方面也影響到電機(jī)使用壽命。傳統(tǒng)大功率電機(jī)中線圈和磁鐵中的散熱問題已成為制約性能提高的重要因素之一，是電機(jī)設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。文獻(xiàn)[1]結(jié)合試驗(yàn)方法對(duì)大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)定子的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，分析了蒸發(fā)冷卻技術(shù)在大型電站發(fā)電機(jī)中應(yīng)用的可行性；通過建立高壓異步電機(jī)三維模型[2]，對(duì)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。文獻(xiàn)[3]采用流固熱耦合方法，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)散熱及轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析計(jì)算。近年來永磁材料的發(fā)展為新型永磁電機(jī)提供了普及條件，也成為現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)[4]，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)更趨于緊湊，這進(jìn)一步增加了電機(jī)內(nèi)部零件散熱困難，因此永磁電機(jī)散熱構(gòu)成了近年來電機(jī)冷卻研究的熱點(diǎn)。NergJ.[5]對(duì)徑流磁通高功率密度電機(jī)進(jìn)行了熱分析；文獻(xiàn)[6]對(duì)高速永磁電機(jī)內(nèi)的各種損耗進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)流體和固體的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[7]對(duì)高空特殊環(huán)境下高速永磁電機(jī)的冷卻進(jìn)行了分析。

應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的音圈電機(jī)功率較小，通常條件下熱問題不是影響電機(jī)性能的主要因素，所以音圈電機(jī)中不采用特別的冷卻措施，僅靠簡單的自然對(duì)流即可滿足散熱需要，相應(yīng)的研究工作也很少。但由于音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，使得內(nèi)部部件間隙非常小，冷卻媒介流動(dòng)阻力大，因而造成散熱難度大。在一些特殊情況下，如音圈電機(jī)需要頻繁動(dòng)作、環(huán)境溫度高、負(fù)載大且工作時(shí)間長時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)線圈或永磁體溫度異常升高，不但影響電機(jī)正常工作和壽命，甚至引發(fā)事故。對(duì)于這類用途的音圈電機(jī)，必須考慮其散熱結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備安全。

本文以長時(shí)間工作于較高負(fù)荷和環(huán)境溫度下、采用自然對(duì)流冷卻的音圈電機(jī)為例，分別對(duì)空氣和冷卻油作為冷媒介質(zhì)時(shí)電機(jī)的冷卻效果進(jìn)行了模擬計(jì)算，給出了兩種冷媒對(duì)部件、特別是永磁體部分冷卻的效果，傳熱計(jì)算結(jié)果可為電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為采用自然對(duì)流冷卻的音圈電機(jī)，電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。音圈電機(jī)封裝在腔室內(nèi)，基于應(yīng)用目的封裝體上有橡膠減震圈；音圈電機(jī)中線圈與移動(dòng)載荷相連，釹鐵硼永磁體安裝在動(dòng)線圈間，其間留有一定的間隙，防止運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生摩擦或碰撞。封閉腔室側(cè)壁面和電機(jī)線圈安裝環(huán)上都有提供冷媒流通孔，通過冷媒流動(dòng)將線圈、永磁體上產(chǎn)生的熱量傳遞出去，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的。本文通過模擬計(jì)算，分析分別采用空氣和冷卻液冷媒(變壓器油)介質(zhì)時(shí)電機(jī)的冷卻性能，為電機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。

圖1 音圈電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)

1.1 物理方程和耦合物理量處理

電機(jī)冷卻涉及電磁學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等諸多學(xué)科理論。由于電機(jī)內(nèi)部流體、固體材料物理特性參數(shù)與溫度有關(guān)，且不同材料界面(固-固、固-流)上的溫度事先未知，因此電機(jī)中電磁、流動(dòng)、熱傳導(dǎo)等物理量求解屬于典型的多學(xué)科耦合問題。為了保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，理論上應(yīng)對(duì)上述物理量同步進(jìn)行求解。

對(duì)于正常工作的電機(jī)，在其工作溫度范圍內(nèi)，電機(jī)內(nèi)各種材料的電(磁)導(dǎo)率等與電磁發(fā)熱功率有關(guān)物性參數(shù)變化不大，且與冷卻媒介流動(dòng)過程無關(guān)，這些參數(shù)能夠按常數(shù)處理。這樣，電機(jī)零部件發(fā)熱功率量可以獨(dú)立于冷卻計(jì)算獨(dú)立進(jìn)行，在其后實(shí)施電機(jī)冷卻計(jì)算時(shí)將零部件發(fā)熱功率以熱強(qiáng)度載荷加載到對(duì)應(yīng)零件上。電機(jī)中冷媒介質(zhì)通過自然對(duì)流在其零部件間隙中流動(dòng)，由溫度引起的冷媒密度差為流動(dòng)唯一驅(qū)動(dòng)力，而冷媒溫度則由固體零部件發(fā)熱功率及其分布和流動(dòng)過程共同決定，這是典型的耦合問題。對(duì)于這類共軛傳熱問題，基于計(jì)算準(zhǔn)確性考慮，只能采用流體-固體熱耦合求解方法。

對(duì)電磁方程進(jìn)行單獨(dú)求解，而流動(dòng)與熱傳導(dǎo)方程耦合求解在簡化計(jì)算過程、降低計(jì)算費(fèi)用的同時(shí)，也保證了計(jì)算準(zhǔn)確性。

根據(jù)電機(jī)理論，電機(jī)內(nèi)部熱量主要來自于鐵耗和銅耗，鐵耗與磁通密度B和鐵心/磁體相對(duì)速度v有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本文中電機(jī)鐵耗如下計(jì)算：

(1)

銅耗：

(2)

式中：I為流過電機(jī)繞組的電流;R為電機(jī)繞線電阻。

電機(jī)正常工作時(shí)內(nèi)部溫度不超過200℃，輻射傳熱完全可以忽略，計(jì)算中僅需考慮熱傳導(dǎo)和對(duì)流。此時(shí)空氣對(duì)應(yīng)的流體方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程：

(3)

(4)

(5)

式中：ρf為冷媒流體密度；ui為流體速度；μ為黏度；Fi為對(duì)應(yīng)xi坐標(biāo)方向上的質(zhì)量力分量，此處僅有重力作用；Tf為流體溫度；λf為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；Qf為流體內(nèi)熱源強(qiáng)度，此處Qf=0。下標(biāo)i,j=1,2,3，其中j服從愛因斯坦求和運(yùn)算符規(guī)則。

對(duì)于固體內(nèi)部熱傳導(dǎo)，控制方程：

(6)

式中：λs為固體零部件對(duì)應(yīng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)；ρs為相應(yīng)材料密度；Ts為固體材料溫度；c為固體材料比熱容；Qs為各零部件發(fā)熱功率。由于對(duì)象電機(jī)內(nèi)有不同的材料，固體傳熱計(jì)算時(shí)按對(duì)應(yīng)的材料選取物性參數(shù)。

由于固體內(nèi)各點(diǎn)速度為0，因此式(6)左邊對(duì)溫度的偏導(dǎo)可以用全導(dǎo)替代，即：

(7)

這樣式(7)與式(5)具有相同的形式，流-固熱耦合方程可以采用同一求解器計(jì)算，當(dāng)求解域位于固體內(nèi)部時(shí)，強(qiáng)制速度為0即可。

綜上所述，進(jìn)行電機(jī)冷卻計(jì)算時(shí)電磁發(fā)熱率采用非耦合方法直接計(jì)算，流-固熱耦合則基于物理方程耦合求解。采用這樣的處理方法，在計(jì)算難度和計(jì)算準(zhǔn)確性間取得較好平衡。

1.2 計(jì)算模型

電機(jī)零部件表面結(jié)構(gòu)形式多樣，流體在這些表面的換熱系數(shù)難以用公式準(zhǔn)確給定；且封裝體上的冷媒流體的進(jìn)出孔上的流量、溫度等物理量也無法事先確定。為了解決該問題，幾何建模時(shí)拓展音圈電機(jī)封裝體的外圍空間，用一足夠大的足夠大的圓柱體空間包圍電機(jī)，為了降低計(jì)算工作量，模型僅包含上述幾何體的1/4，根據(jù)對(duì)稱性質(zhì)截面處采用對(duì)稱邊界處理。計(jì)算幾何模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型幾何空間

如此創(chuàng)建的計(jì)算空間，將電機(jī)周圍的冷媒流體也包含在計(jì)算中，將擴(kuò)展后的空間外圍看作無窮遠(yuǎn)邊界，這樣就完全解決冷媒自然對(duì)流流量以及各固體表面上的對(duì)流換熱系數(shù)問題。試算結(jié)果表明，在3個(gè)方向上擴(kuò)展大于電機(jī)相應(yīng)尺寸的5倍時(shí)，封裝體表明溫度、進(jìn)出封裝體冷媒流量的計(jì)算就可以得到穩(wěn)定結(jié)果。

本文研究對(duì)象網(wǎng)格劃分中難度主要表現(xiàn)在尺度上。根據(jù)設(shè)計(jì)，線圈——永磁體間冷媒流動(dòng)間隙僅為0.7mm，而封裝體尺度達(dá)600mm，差異如此之大的尺度，網(wǎng)格總數(shù)成為限制計(jì)算能否實(shí)施的關(guān)鍵。通過控制網(wǎng)格劃分參數(shù)，保證在冷媒流動(dòng)間隙中至少保證4層網(wǎng)格，由于音圈電機(jī)內(nèi)部冷媒屬于自然對(duì)流狀態(tài)，流動(dòng)完全處在層流狀態(tài)?？紤]到整個(gè)模型的計(jì)算規(guī)模，該網(wǎng)格密度尚可接受。計(jì)算表明該網(wǎng)格密度可以達(dá)到5.0×10-3的收斂精度。

1.3 定解條件

按照音圈電機(jī)電磁設(shè)計(jì)和計(jì)算，在其最高工況下主要發(fā)熱部件為永磁體，功率為180W，線圈發(fā)熱功率為7.5W。

求解時(shí)物性參數(shù)按照實(shí)際情況給定：冷媒介質(zhì)參數(shù)分別設(shè)定為空氣和冷卻油；電機(jī)零部件分別用對(duì)應(yīng)的材料物性參數(shù)給定。

在拓展的幾何區(qū)域外圍邊界，冷媒流體設(shè)定為無窮遠(yuǎn)邊界條件，此處溫度邊界按照音圈電機(jī)工作環(huán)境設(shè)定為50℃；參考?jí)毫υO(shè)定為0.1MPa。

根據(jù)線圈和永磁體體積，及相應(yīng)鐵耗和銅耗計(jì)算出它們單位體積發(fā)熱強(qiáng)度并加載到對(duì)應(yīng)零件固體域上。

求解器采用ANSYS公司的CFX計(jì)算模塊。

2 計(jì)算結(jié)果及討論

2.1 空氣冷媒

對(duì)以空氣為冷媒介質(zhì)的音圈電機(jī)冷卻進(jìn)行了模擬，圖3給出了電機(jī)固體零部件部分溫度及其分布。從中可以看出，溫度最高區(qū)域集中在永磁體部分，最高溫度達(dá)196.7℃，線圈溫度也較高，總體溫度在170℃左右；封裝體溫度分布規(guī)律如下：其下端溫度較高，上部溫度低，特別是在上部段邊沿外圍區(qū)域，其溫度與環(huán)境溫度差別不大。

(a) 電機(jī)固體零件表面溫度分布

(b) 電機(jī)中間截面固體溫度分布

該電機(jī)采用了動(dòng)音圈結(jié)構(gòu)，音圈與周圍結(jié)構(gòu)件緊密相連，熱量可以很好地通過自身和與其相連的部件表面?zhèn)鬟f到冷媒中，且其散熱強(qiáng)度也很低，因而線圈溫度較低。而永磁體部分則為獨(dú)立懸臂結(jié)構(gòu)，僅在上部與其它零件連接，與線圈相比能夠借助于其他部件散熱的能力弱，形成了電機(jī)中溫度最高的部件。

由于工作時(shí)線圈，特別是永磁體溫度與其制造成本、壽命和運(yùn)行可靠性密切相關(guān)[8-9]，按照上述模擬結(jié)果，這兩個(gè)部件上如此高的溫度會(huì)給實(shí)際生產(chǎn)中帶來很多問題，因此有必要采取其他必要措施。

空氣導(dǎo)熱系數(shù)小、比熱容低，作為冷媒冷卻能力有限，液態(tài)冷媒的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容都遠(yuǎn)高于空氣，采用液態(tài)冷媒是解決該電機(jī)遇到問題的一種自然選擇。

2.2 冷卻油冷媒

采用與上述計(jì)算完全相同的網(wǎng)格，以冷卻油替代計(jì)算模型中冷卻媒質(zhì)對(duì)電機(jī)冷卻進(jìn)行了重新計(jì)算，計(jì)算中線圈和永磁體的發(fā)熱強(qiáng)度、拓展幾何體的流體邊界溫度和流體域參考?jí)毫３植蛔?，電機(jī)固體零部件部分溫度及其分布如圖4所示。

(a) 電機(jī)固體零件表面溫度分布

(b) 電機(jī)中間截面固體溫度分布

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)電機(jī)采用冷卻油作為冷媒介質(zhì)時(shí)，相同負(fù)荷條件下電機(jī)內(nèi)最高溫度顯著下降，永磁體上最高溫度為57.4℃，線圈上的溫度在55.1℃，因此采用冷卻油冷媒介質(zhì)后，電機(jī)冷卻性能可以得到大幅提高，完全滿足實(shí)際使用要求。

2.3 討論

鑒于音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，通常情況下對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流冷卻，不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還可能給控制系統(tǒng)引入電磁干擾信號(hào)。由于自然冷卻不需要附加其他通風(fēng)設(shè)備，簡便易行，對(duì)冷卻要求較低的音圈電機(jī)是種理想選擇。

從上面計(jì)算可以看出，對(duì)于本文研究對(duì)象，當(dāng)以空氣作為冷媒時(shí)電機(jī)最高溫度出現(xiàn)在永磁體上，數(shù)值達(dá)196.7℃，遠(yuǎn)高于電機(jī)所用釹鐵硼永磁體的許用溫度，需要選用成本高的高溫永磁材料。而采用冷卻油作為冷媒后，電機(jī)最高溫度點(diǎn)的位置未變，但降至57.4 ℃，且包含電機(jī)封裝體的溫度都不高。

從傳熱角度而言，液體冷卻油自然對(duì)流換熱能力遠(yuǎn)高于空氣，因而用冷卻油替代空氣作為冷媒介質(zhì)后，可以顯著降低音圈電機(jī)內(nèi)部溫度。另外從自然對(duì)流換熱基本要求出發(fā)，在電機(jī)內(nèi)部和封裝體上冷媒孔也是必要的。自然對(duì)流冷卻是通過加熱冷媒流體在其內(nèi)部產(chǎn)生溫度差，并導(dǎo)致密度產(chǎn)生差異。在重力和密度差共同作用下流體發(fā)生流動(dòng)，增強(qiáng)熱量的傳遞，因此為了提高傳熱效果，冷媒流體需要一個(gè)通常的流動(dòng)通道。因此，電機(jī)底部冷媒孔(參見圖1)是冷媒從底部流入永磁體所在空間、帶走熱量的便利通道，對(duì)提高自然對(duì)流冷卻效果、降低永磁體溫度起到了很大作用。

3 結(jié) 語

本文以采用自然對(duì)流冷卻的某音圈電機(jī)為例，采用流-固熱耦合求解方法計(jì)算了空氣和冷卻油冷媒對(duì)電機(jī)的冷卻效果，并分析了電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻的影響，可得出如下結(jié)論：

1) 對(duì)于采用自然對(duì)流冷卻的音圈電機(jī)，工作時(shí)最高溫度出現(xiàn)在永磁體上。在最大工況下工作時(shí)，以空氣為冷媒最高溫度可達(dá)196.7℃，這對(duì)電機(jī)成本、使用壽命和工作安全性都提出了挑戰(zhàn)。

2) 用冷卻油替代空氣作為冷媒后，可以顯著降低音圈電機(jī)永磁體上的溫度，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，該冷卻方法完全可以滿足電機(jī)在運(yùn)行中的冷卻要求。

3) 基于自然對(duì)流冷卻原理，進(jìn)行自然對(duì)流冷卻電機(jī)時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須預(yù)留合理的冷媒流通通道。

[1] 國建鴻,傅德平,李振國,等.大型蒸發(fā)冷卻汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組溫度計(jì)算[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12(5)：509-513.

[2] 溫嘉斌,王國輝.中型高壓異步電動(dòng)機(jī)三維溫度場(chǎng)耦合計(jì)算與分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15(1)：73-78.

[3] 徐旭,徐鴻,李桃,等.立式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30(10)：1717-1719.

[4] 黃允凱,周濤,董劍寧,等.軸向永磁電機(jī)及其研究發(fā)展綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(1)：192-205.

[5]NERGJ,RILLAM,PYRHONENJ.Thermalanalysisofradial-fluxelectricalmachineswithahighpowerdensity[J].IEEETransactionsonIndustryElectronics,2008,55(10):3543-3554.

[6] 孔曉光,王鳳翔,邢軍強(qiáng).高速永磁電機(jī)的損耗計(jì)算與溫度場(chǎng)分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，27(9)：166-173.

[7] 張明慧,劉衛(wèi)國,趙南南.高空電推進(jìn)系統(tǒng)用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014，32(3)：423-428.

[8] 鄭大偉,朱明剛,鄭立允,等.稀土永磁材料在永磁電機(jī)中的應(yīng)用[J].微特電機(jī)，2015，43(4)：81-84.

[9] 唐任遠(yuǎn).稀土永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)與高性能電機(jī)開發(fā)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，JournalofShenyangUniversityofTechnology，2005，27(2)：162-170.

StudyonNaturalConvectionCoolingforVoiceCoilMotor

ZHOU Pu1,ZHONG Yan1,DAI Xue-chang1,ZHANG Yi1,WU Wei-liang2

(1.No.704ResearchInstitute,CSIC,Shanghai200031,China;2.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Withsmallsize,lightweight,rapidresponsetospeedandaccelerationtheseadvantages,thevoicecoilmotorsarewidelyusedinavarietyoftheservo-controlsystem.Becauseofthecompactstructureofthevoicecoilmotor,itismoredifficultforitscooling.Coolingtechniquesbecomethekeyrestrainingfactorforreducingproductioncostandincreasingtheservicelifeofthemotoratsomespecialconditions.Basedonthefluid-solidheatcoupledmethod,itwasinvestigatedtheconjugateheattransferinavoicecoilmotor,whichiscooledbyair/oilnatural-convectionheattransfer.Itwasindicatedthatthemaximumtemperatureinthemotorcanbesignificantreducedbytakingtheoilasthecoolingmedium.Itwillbebenefitedfromusingoilascoolingmediumtheproductioncosttoreduceandlifetoincreaseaswellasreliabilitytoimproveforvoicecoilmotor.

voicecoilmotor;electricmotorcooling;conjugateheattransfer;natural-convectionheattransfer

2016-07-09

TM

A

1004-7018(2017)01-0026-04