劉 凡，鄧 濤，華旭彬

(1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 航空學(xué)院，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 綠色航空技術(shù)研究院，重慶 401135)

盤式永磁同步電機(jī)具有軸向尺寸短、結(jié)構(gòu)緊湊、振動噪音小、功率和轉(zhuǎn)矩密度高等優(yōu)點(diǎn)，隨著新型材料的出現(xiàn)和制造工藝的進(jìn)步，越來越受到學(xué)者們的青睞[1]。

Donato等[2]分別設(shè)計(jì)了積分槽集中繞組和分?jǐn)?shù)槽集中繞組的軸向磁通電機(jī)，并對2臺電機(jī)的性能進(jìn)行綜合對比分析。Federico等[3]對一臺新型的多級結(jié)構(gòu)無槽盤式永磁同步電機(jī)展開研究，該盤式永磁同步做為汽車輪緣驅(qū)動電機(jī)，并設(shè)計(jì)了一種高效的定子繞組冷卻結(jié)構(gòu)，并分析了額定工況下的工作性能。Naghi等[4]設(shè)計(jì)了1臺 5 kW的表貼式永磁體盤式永磁發(fā)電機(jī)，提出一種求解電機(jī)主要部件溫度的熱阻網(wǎng)絡(luò)法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法預(yù)測節(jié)點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確性。李翠萍等[5]采用熱網(wǎng)絡(luò)模型對比分析了不同冷卻水流速對水冷感應(yīng)電機(jī)額定工況溫升的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。王曉遠(yuǎn)等[6]對螺旋形冷卻回路展開研究，從冷卻液流速、散熱系數(shù)、經(jīng)濟(jì)性、電機(jī)溫度分布等多方面進(jìn)行綜合分析，最終得出螺旋形冷卻回路設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。劉蕾[7]針對盤式永磁同步電機(jī)在電機(jī)機(jī)殼上設(shè)計(jì)了3種冷卻回路結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行對比研究分析。綜上，目前盤式永磁同步電機(jī)溫度場的研究相對較少，而對于盤式永磁電機(jī)而言，電機(jī)溫度過高有導(dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)、定子繞組絕緣發(fā)生破壞，從而影響電機(jī)的性能，所以為了進(jìn)一步提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，對盤式電機(jī)進(jìn)行溫度場分析是非常有必要的。

為改善傳統(tǒng)混動車驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度、調(diào)速范圍和效率，提出并設(shè)計(jì)一款永磁體內(nèi)嵌式雙定子中間轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機(jī)，與傳統(tǒng)盤式電機(jī)結(jié)構(gòu)相比，中間轉(zhuǎn)子的軸向尺寸縮短，可進(jìn)一步增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度與功率密度。建立盤式永磁同步電機(jī)三維模型，進(jìn)行空載工況與額定工況電磁仿真，并對該盤式永磁同步電機(jī)進(jìn)行冷卻散熱研究，設(shè)計(jì)其冷卻散熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行熱建模和溫度場仿真分析，得到該電機(jī)電磁性能參數(shù)與溫度分布云圖，驗(yàn)證該電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

1 盤式永磁同步電機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盤式電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液冷冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖1所示，首先根據(jù)車用電機(jī)性能要求，進(jìn)行盤式電機(jī)結(jié)構(gòu)及電磁參數(shù)設(shè)計(jì)；其次利用電磁仿真軟件進(jìn)行盤式電機(jī)三維電磁場分析，通過仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值對比，進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)修正，直至滿足電機(jī)電磁性能要求。根據(jù)電磁仿真分析得到電機(jī)額定工況損耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，利用Fluent進(jìn)行流固熱耦合求解運(yùn)算，分析電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，進(jìn)行冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)修正，直至滿足電機(jī)冷卻性能要求。

圖1 設(shè)計(jì)流程框圖

如圖2所示，該車用盤式永磁同步電機(jī)采用的是雙定子中間轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)方案，該種結(jié)構(gòu)可以有效解決單定子單轉(zhuǎn)子盤式電機(jī)由于軸向氣隙偏心引起的單邊磁拉力問題，又便于在電機(jī)的定子端蓋上設(shè)計(jì)冷卻回路，對盤式電機(jī)進(jìn)行有效散熱。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

盤式電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示，盤式電機(jī)定子盤由定子鐵心和固定在定子鐵芯上電樞繞組組成，電樞繞組采用利茲線繞組，為了避免定子盤產(chǎn)生環(huán)電流，電樞繞組采用串聯(lián)的連接方式。轉(zhuǎn)子盤由轉(zhuǎn)子磁鋼和轉(zhuǎn)子鐵芯組成，轉(zhuǎn)子磁鋼為高矯頑力釹鐵硼，并且采用嵌入式永磁體結(jié)構(gòu)固定在中間轉(zhuǎn)子盤鐵芯上，可縮短盤式電機(jī)軸向尺寸。為降低永磁體渦流損耗，對磁鋼進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)子磁鋼分為4段，每段之間采用磁鋼專用膠進(jìn)行粘合，以便于磁鋼的安裝。

圖3 定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.2 電磁參數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1電磁功率

盤式永磁同步電機(jī)的電樞繞組沿徑向呈輻射分布狀，電機(jī)的線電流密度A與半徑r成反比，內(nèi)徑處繞組排布最密集，因此最大線電流密度出現(xiàn)在此處。

(1)

盤式永磁同步電機(jī)電磁功率計(jì)算如下：

Pem=mEfIacosφ

(2)

在設(shè)計(jì)電機(jī)時應(yīng)當(dāng)以最大線電流密度來進(jìn)行計(jì)算，即內(nèi)徑處的線電流密度。則電機(jī)電磁功率為：

(3)

式中：ns為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)數(shù)(r/s)；cosφ為電機(jī)功率因數(shù)。

1.2.2電磁轉(zhuǎn)矩

對于盤式永磁同步電機(jī)，其線電流密度與電樞繞組的徑向長度r有關(guān)，線電流密度的幅值為[8]：

(4)

根據(jù)安培右手定則可以求得電樞繞組作用在圓周方向上的切向力為：

(5)

根據(jù)所求的切向力可求得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：

(6)

經(jīng)過化簡可得到盤式永磁同步電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩為：

(7)

根據(jù)以上分析，雙定子單轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 盤式永磁同步電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1冷卻回路參數(shù)設(shè)計(jì)

電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)采用螺旋型冷卻回路，電機(jī)損耗產(chǎn)生的熱量由冷卻回路內(nèi)的冷卻液帶走，冷卻液流動時存在流體阻力，故需要冷卻水泵提供一定的流動能量。冷卻回路中的流體阻力損失Ps(單位:MPa)計(jì)算如下[9]：

(8)

式中：

ξz=ξj+ξc+ξs；ξj+ξc=1；ξs=f(α)

d為螺旋冷卻回路橫截面等效圓周直徑；rg為水的重度，rg=1 000 kgf/m3；v為冷卻液的流速；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；L為螺旋冷卻回路總長度;A為螺旋冷卻回路橫截面面積；x為水道橫截面周長；ξz為螺旋冷卻回路進(jìn)出口和轉(zhuǎn)彎處冷卻液的阻力系數(shù)；ξj為冷卻液進(jìn)口阻力系數(shù);ξc為冷卻液出口阻力系數(shù)；ξs為螺旋冷卻回路轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)；λ為螺旋冷卻回路內(nèi)的沿程阻力系數(shù)。

1.3.2電機(jī)熱物性參數(shù)

電機(jī)熱物性參數(shù)主要由導(dǎo)熱系數(shù)λ(單位:W/m·K)、比熱容C(單位:J/kg·K)和密度ρ(單位:kg /m3)組成，電機(jī)主要部件材料的熱物性參數(shù)如表2所示[10]。

表2 電機(jī)主要部件材料熱物性參數(shù)

2 雙定子單轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)電磁仿真分析

2.1 電磁建模

根據(jù)電機(jī)初步設(shè)計(jì)尺寸在Maxwell中采用參數(shù)化建模，建立了雙定子單轉(zhuǎn)子盤式電機(jī)1/4等效模型，如圖4所示。然后在Maxwell中，設(shè)置各部件的材料屬性、添加激勵源和剖分設(shè)置、定義求解選項(xiàng)。

圖4 盤式電機(jī)1/4物理模型

2.2 空載瞬態(tài)分析

2.2.1空載反電勢

在Maxwell瞬態(tài)場中進(jìn)行盤式電機(jī)1 600 r/min轉(zhuǎn)速下的空載運(yùn)行工況仿真，此時電樞繞組兩端的感應(yīng)電動勢即為電機(jī)空載反電勢[11]。電機(jī)空載反電勢如圖5所示。

圖5 空載反電勢

該空載反電動勢與電機(jī)額定電壓相接近，且該電機(jī)空載反電動勢具有較高的正弦性，這表明電機(jī)磁極、繞組、槽極配合等參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

2.2.2氣隙磁密

盤式電機(jī)氣隙磁密會隨著半徑的增大而增大[12]，如圖6所示的氣隙磁密3D分布圖，徑向氣隙磁密波形近似于正弦波，可以得到較好的反電勢，電機(jī)磁極設(shè)計(jì)合理，但由于定子鐵芯開槽會產(chǎn)生齒諧波，會疊加在氣隙磁密波形上，使氣隙磁密分布圖產(chǎn)生不規(guī)則的凹點(diǎn)。

圖6 氣隙磁密3D分布圖

2.2.3齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩對盤式永磁電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩質(zhì)量、噪聲有重大影響[13]，該盤式電機(jī)定子齒槽數(shù)設(shè)計(jì)為24槽，轉(zhuǎn)子磁極為20極，槽極配合為分?jǐn)?shù)槽，進(jìn)而抑制電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，齒槽轉(zhuǎn)矩如圖7所示，盤式電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩均值為1 N·m，產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩值在合理范圍內(nèi)。

圖7 齒槽轉(zhuǎn)矩

2.3 負(fù)載瞬態(tài)分析

圖8為盤式電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，電機(jī)內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值在永磁體上，未達(dá)到磁飽和，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

圖9為盤式電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩的輸出曲線。電機(jī)額定功率均為60 kW，額定轉(zhuǎn)速均為1 600 r/min，其額定轉(zhuǎn)矩理論值應(yīng)為357 N·m，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計(jì)算：

圖9 額定轉(zhuǎn)矩

(9)

式中：P為額定功率；T為額定轉(zhuǎn)矩；n為額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)電磁仿真結(jié)果所得出的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩平均值為358 N·m，其誤差為0.28%，故從瞬態(tài)仿真角度考慮，仿真值滿足設(shè)計(jì)要求，初步驗(yàn)證了電機(jī)設(shè)計(jì)的正確性。

2.4 盤式永磁同步電機(jī)損耗分析

2.4.1定子繞組銅損

電機(jī)在正常運(yùn)行時繞組產(chǎn)生的焦耳熱即為銅損，雙定子單轉(zhuǎn)子盤式電機(jī)的銅損是由2個定子盤上的定子繞組共同產(chǎn)生，總銅損計(jì)算為[14]：

Pcu=mI2R

(10)

式中：m為相數(shù)；I為繞組中的相電流，2個定子繞組采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)所以繞組中的電流相等；R為2個定子繞組的每相繞組電阻之和。

2.4.2定子鐵損

目前對定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗的計(jì)算主要采用的Bertotti等研究學(xué)者提出的鐵耗分離模型，鐵芯損耗包括：鐵芯材料磁滯效應(yīng)產(chǎn)生的磁滯損耗(Phy)、鐵芯與變磁場感生效應(yīng)產(chǎn)生的渦流損耗(Peddy)以及磁疇運(yùn)動感生的附加損耗(Pec)，具體表達(dá)式如下：

PFe=Phy+Peddy+Pec=

(11)

式中：khy、keddy、kec分別為磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)、附加損耗系數(shù)；Bm為氣隙磁密幅值；f為磁場基波頻率；α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常取經(jīng)驗(yàn)常數(shù)為2。

2.4.3永磁體渦流損耗

永磁體渦流損耗也是電機(jī)損耗不可忽略的部分，永磁體渦流損耗產(chǎn)生的主要原因是在定轉(zhuǎn)子氣隙間有定子鐵心開槽和定子繞組所產(chǎn)生的高次諧波磁場，該電機(jī)采用永磁體材料為高矯頑力釹鐵硼材料，且該釹鐵硼材料電導(dǎo)率較高，永磁體轉(zhuǎn)動時會在永磁體內(nèi)部產(chǎn)生較大的渦流損耗。根據(jù)文獻(xiàn)[15]得出轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗的解析式為：

(12)

式中：f為電機(jī)基波頻率；ec為永磁體電導(dǎo)率；h為永磁體厚度；nf為氣隙諧波次數(shù)；an、bn為各次諧波分量磁密幅值。

根據(jù)電機(jī)的基本參數(shù)在Maxwell中仿真電機(jī)額定工況下各部件的損耗情況，仿真結(jié)果如圖10所示，永磁體渦流損耗均值為685.6 W，電機(jī)鐵芯鐵損均值為134.1 W。

圖10 電機(jī)各部件損耗曲線

3 溫度場仿真分析

3.1 基本假設(shè)

1)忽略輻射換熱對電機(jī)溫度場影響；

2)冷卻液流速較小，可將冷卻液視為不可壓縮流體；

3)忽略分段磁鋼之間間隙對傳熱影響，為便于網(wǎng)格剖分與有限元計(jì)算，將分段磁鋼等效為整塊磁鋼；

4)將利茲線繞組等效為單個繞阻。

3.2 邊界條件

1)冷卻液入口設(shè)置為速度入口，入口冷卻液流速為2.5 m/s，入口冷卻液初始溫度為30 ℃；

2)冷卻液出口設(shè)置為壓力出口，壓力為1個大氣壓；

3)固體與固體的接觸面設(shè)置為無滑移接觸面；

4)定轉(zhuǎn)子之間氣隙轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速設(shè)置為額定轉(zhuǎn)速1 600 r/min。

3.3 電機(jī)散熱分析模型的建立

電機(jī)機(jī)殼上的冷卻回路模型如圖11所示，冷卻回路為螺旋型，冷卻回路端面為長方形。盤式電機(jī)網(wǎng)格模型如圖12所示，繪制有限元網(wǎng)格之前，需要將模型進(jìn)行切分，然后使用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格繪制，電機(jī)定轉(zhuǎn)子以及機(jī)殼采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格剖分，利用六面體網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格數(shù)量相對于利用四面體網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格數(shù)量較少，盤式電機(jī)模型網(wǎng)格的傾斜度和網(wǎng)格的正交中心質(zhì)量都有顯著改善，網(wǎng)格數(shù)量少能提升流固耦合求解迭代速度，減少計(jì)算時間。

圖11 冷卻回路模型 圖12 電機(jī)網(wǎng)格模型

3.4 結(jié)果分析

利用ANSYS Workbench軟件中的流固熱耦合分析模塊Fluent，將ANSYS Maxwell計(jì)算的電機(jī)損耗導(dǎo)入，進(jìn)行雙定子單轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)流場與溫度場的流固耦合仿真。賦予電機(jī)各部件材料屬性，設(shè)置定轉(zhuǎn)子之間氣隙空氣層、轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，電機(jī)環(huán)境溫度與冷卻液初始溫度均為30 ℃，進(jìn)行模型計(jì)算求解，求得電機(jī)額定工況下的溫度分布。

1)定子溫度場仿真結(jié)果如圖13所示，定子鐵心最高溫度集中在定子齒部，最高溫度為119.8 ℃，這是因?yàn)槎ㄗ育X部與繞組相接觸，熱量集中，且定子齒部與定子機(jī)殼冷卻流道距離較遠(yuǎn)；定子繞組端部通過與空氣接觸散熱，散熱效果較差，因此繞組最高溫度集中分布在繞組端部位置，最高溫度值為123.4 ℃，定子繞組采用H級絕緣，溫升處于安全范圍內(nèi)。

圖13 定子溫度場云圖

2)轉(zhuǎn)子溫度場仿真結(jié)果如圖14所示，轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗較大，且永磁體產(chǎn)生的熱量主要由定轉(zhuǎn)子間的空氣帶走，散熱情況較差，因此永磁體最高溫度集中在永磁體中間位置，永磁體最高溫度為133.8 ℃，永磁體材料采用釹鐵硼，處于該材料合理溫升范圍。

圖14 轉(zhuǎn)子溫度場云圖

3)水道溫度場、水道流阻分布以及水道流速分布分別如圖15～17所示。螺旋型冷卻回路的流速在圓弧處較大，但整體流速分布均勻，溫度場分布相對良好，螺旋型冷卻回路進(jìn)出口壓差相對較低，消耗泵的功率也較低，有良好的經(jīng)濟(jì)性。

圖15 水道溫度云圖 圖16 水流流阻云圖

圖17 水流流速云圖

冷卻液流速對電機(jī)溫升有重要影響，不同冷卻液入口流速會有不同的電機(jī)各部件溫升值，為了選定合理的冷卻液流速，選取1～5 m/s的冷卻液入口流速來進(jìn)行仿真對比分析。定轉(zhuǎn)子的最高溫度隨入口冷卻液流速的變化關(guān)系曲線如圖18。由圖18可知，隨著冷卻液流速的增加，電機(jī)各部件溫升均逐漸降低，各部件溫升變化緩慢趨于穩(wěn)定，直到電機(jī)溫升達(dá)到熱飽和。大約在入口流速3 m/s，冷卻液帶走的熱量與電機(jī)熱源產(chǎn)生的熱量達(dá)到平衡，即使冷卻液流速提高，電機(jī)的溫升也不再下降，電機(jī)溫升達(dá)到熱飽和狀態(tài)。冷卻液流速增大會增加泵的功率，隨著冷卻液流速的增大，電機(jī)冷卻會逐漸趨于熱平衡，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮選擇合理的入口冷卻液流速。

圖18 電機(jī)最高溫度隨入口流速變化曲線

4 結(jié)論

闡述了雙定子單轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分?jǐn)?shù)槽雙定子單轉(zhuǎn)子盤式電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)及螺旋形回路冷卻系統(tǒng)，主要結(jié)論如下：

1)利用ANSYS Maxwell進(jìn)行三維瞬態(tài)電磁仿真，結(jié)果表明：空載時，感應(yīng)電動勢與額定電壓相接近，氣隙磁密與齒槽轉(zhuǎn)矩均在合理范圍內(nèi)；在三相額定電流128 A下，電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度未出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，額定輸出轉(zhuǎn)矩為358 N·m，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

2)設(shè)計(jì)了盤式電機(jī)冷卻回路，計(jì)算繞組等效熱導(dǎo)率和液冷冷卻條件下的導(dǎo)熱系數(shù)，分析在液冷散熱條件下的穩(wěn)態(tài)溫度場分布情況，結(jié)果表明：該電機(jī)最高溫度在磁鋼中間部位，最高溫度為133.8 ℃，不會造成永磁體退磁和繞組絕緣材料失效，冷卻結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。

3)分析了冷卻液流速對電機(jī)溫升影響，改變冷卻液入口水速，獲得了不同冷卻水速下電機(jī)各部件的溫升值，大約在冷卻回路入口流速為3 m/s，定子最高溫度為121 ℃，轉(zhuǎn)子最高溫度為132.5 ℃，達(dá)到熱平衡。

后續(xù)仍需進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對電機(jī)冷卻散熱關(guān)鍵因素開展深入研究，并進(jìn)行該款盤式電機(jī)樣機(jī)研發(fā)，開展相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證工作。