摘 要：兆瓦級高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)無強(qiáng)迫冷卻措施時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)溫升高、永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)高，基于此問題，提出一種新型的加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠提高轉(zhuǎn)子側(cè)的壁面對流散熱系數(shù)、提升轉(zhuǎn)子側(cè)的散熱能力、降低電機(jī)溫度。以一臺1 MW、18 000 r/min的高速永磁電機(jī)為例，建立該電機(jī)的三維全域流固耦合求解模型，基于計(jì)算流體力學(xué)和有限元法對電機(jī)流體場與溫度場進(jìn)行分析，揭示電機(jī)在額定工況下的流體與溫度分布規(guī)律。將新冷卻結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)的散熱性能及溫升變化進(jìn)行對比，驗(yàn)證新型冷卻結(jié)構(gòu)在提升電機(jī)散熱性能方面的有效性。最后，分析入口風(fēng)速對電機(jī)最高溫度的影響，得到適合該冷卻結(jié)構(gòu)的入口風(fēng)速范圍，為外部風(fēng)壓設(shè)備的選擇提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：兆瓦級高速永磁電機(jī)；電機(jī)損耗；轉(zhuǎn)子通風(fēng)冷卻；流體場；溫度場；冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中圖分類號：TM351文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

高速永磁電機(jī)具有功率密度高[1]、傳動(dòng)效率高[2]、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快[3]等優(yōu)點(diǎn)，在航天用電機(jī)、壓縮機(jī)、船舶供電、空調(diào)離心機(jī)、高速空壓機(jī)、精密電子等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前國內(nèi)外電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

然而，高速電機(jī)轉(zhuǎn)速高、繞組電流頻率和鐵心中的磁通交變頻率高[4]、損耗密度高[5]，這使得該類電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)熱嚴(yán)重、散熱困難。文獻(xiàn)[6-7]采用軸向通風(fēng)的方式來對高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行冷卻，冷卻風(fēng)由電機(jī)一側(cè)進(jìn)入，流經(jīng)電機(jī)內(nèi)氣隙等區(qū)域，帶走電機(jī)部分熱量，由電機(jī)另一側(cè)流出。但轉(zhuǎn)子軸向長度一般較長，風(fēng)摩損耗占比大，轉(zhuǎn)子散熱困難[8]，且氣隙中的空氣熱阻高，碳纖維護(hù)套導(dǎo)熱能力差，傳統(tǒng)冷卻方法已無法滿足散熱要求。因此，在滿足電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)、達(dá)到電氣要求的前提下，設(shè)計(jì)高效的轉(zhuǎn)子冷卻方法和冷卻系統(tǒng)，對于大功率高速永磁電機(jī)而言格外重要[9-10]。

目前，眾多國內(nèi)外學(xué)者采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對高速電機(jī)的傳熱理論展開分析研究。文獻(xiàn)[11]針對一臺1 020 kW、19 000 r/min的高速永磁電機(jī)提出混合通風(fēng)冷卻散熱系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)子表面風(fēng)摩損耗及流體場做出系統(tǒng)的分析研究。文獻(xiàn)[12]針對一臺75 kW、60 000 r/min的高速永磁電機(jī)，通過流體場分析計(jì)算了轉(zhuǎn)子空氣摩擦損耗，總結(jié)了空氣摩擦損耗與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[13]針對一臺10 MW、10 000 r/min的空冷實(shí)心轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提出“三進(jìn)兩出”的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)，有效降低了電機(jī)的最高溫度。上述研究雖對通風(fēng)結(jié)構(gòu)做出了改進(jìn)，但對電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的溫升影響較小，高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)溫度高、永磁體失磁的問題依舊存在。

本文以一臺1 MW表貼式高速永磁同步電機(jī)為例，建立該電機(jī)的三維全域流固耦合求解模型與冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用計(jì)算流體力學(xué)和有限元的方法對溫度場與流體場進(jìn)行求解分析，揭示了電機(jī)內(nèi)溫度分布與流體分布的規(guī)律。由于原始冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)無強(qiáng)迫冷卻措施時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)溫升高、永磁體失磁風(fēng)險(xiǎn)高，因此本文提出一種新型的加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)轉(zhuǎn)子側(cè)的對流散熱，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)子溫度，通過對比新型冷卻結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)的散熱性能，驗(yàn)證了所提出的新型冷卻結(jié)構(gòu)的合理性。

1 三維流固耦合傳熱模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

基于流體力學(xué)和傳熱理論，建立兆瓦級高速永磁電機(jī)的三維全域流固耦合求解數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型滿足質(zhì)量、動(dòng)量、能量三大守恒定律[14]，表達(dá)式為：

式中：k為流體湍流的動(dòng)能；ε為擴(kuò)散因子；σk和σε為普朗特?cái)?shù)；G1ε和G2ε為常數(shù)；Gk為湍流發(fā)生率。

1.2 物理模型

本文所研究的電機(jī)為一臺1 MW、18 000 r/min，4極27槽的兆瓦級高速永磁電機(jī)，根據(jù)高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求，電磁方案需滿足電機(jī)在額定及峰值工況下穩(wěn)定可靠運(yùn)行，原電機(jī)三維全域流固耦合求解模型如圖1所示，電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。兆瓦級高速永磁電機(jī)損耗大，單一的冷卻方式不能滿足本電機(jī)的散熱需求，因此，本文采用機(jī)殼雙螺旋水冷和轉(zhuǎn)子外部強(qiáng)迫風(fēng)冷混合冷卻的方式，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中通風(fēng)道包括定子槽口內(nèi)風(fēng)道及氣隙兩部分，位于圖1的空氣域，如圖2（a）所示，雙螺旋水路位于圖1的定子機(jī)殼內(nèi)，如圖2（b）所示。

1.3 溫度場等效模型及邊界條件確定

1）溫度場等效模型及傳熱系數(shù)。

為進(jìn)行溫度場模擬，將繞組絕緣漆、絕緣紙和定子槽內(nèi)空氣等替換為等效絕緣層，如圖3所示。絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和比熱容可由下式確定[17]：

式中：v1、v2分別為轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸外表面線速度；Reb、Nub分別為定子繞組端面氣隙雷諾數(shù)、努塞爾特常數(shù)；D1、D2分別為定子內(nèi)外徑；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；γ為空氣運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)。

2）基本假設(shè)及邊界條件。

針對高速電機(jī)內(nèi)流體特點(diǎn)及傳熱情況給出溫度場和流體場求解的基本假設(shè)和邊界條件[14]：

1）根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)（computional fluid dynamics，CFD）理論，電機(jī)內(nèi)部的流體由于轉(zhuǎn)速較低，被認(rèn)為是不可壓縮的。

2）本文只考慮電機(jī)內(nèi)部的熱對流和導(dǎo)熱，不考慮熱輻射對溫升的影響。

3）認(rèn)為電機(jī)各部件損耗均勻分布。

4）水路入口溫度為50 ℃，入口流量為7 L/min。本文認(rèn)為水路壁面系數(shù)是均勻分布的，平均對流傳熱系數(shù)為2 400 W/（m2·℃）。

5）風(fēng)路采用流固耦合進(jìn)行求解，計(jì)算模型為湍流模型，給定入口速度13 m/s，入口溫度為環(huán)境溫度，出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

6）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所帶動(dòng)的氣隙空氣沿周向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子與空氣耦合面的周向旋轉(zhuǎn)角速度為18 000 r/min。

1.4 熱源激勵(lì)

研究電機(jī)熱特性的前提需要準(zhǔn)確計(jì)算得到熱場的熱源，即電機(jī)的各項(xiàng)損耗，本文中的損耗值均為電機(jī)在轉(zhuǎn)速18 000 r/min時(shí)的額定負(fù)載工況下求得，求取電機(jī)的各項(xiàng)損耗分析如下所示，其中下列分析中包括定子鐵耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗、交流銅耗、風(fēng)摩損耗。

1）定子鐵耗。

考慮到定子鐵心溫度對繞組溫度影響較大，建立其二維有限元模型，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的鐵損密度分布如圖4所示。

3）交流銅耗。

交流銅耗Pac包括直流銅耗Pdc和高頻附加銅耗Pad，受趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)的影響，本文采用有限元法建立每個(gè)導(dǎo)體的實(shí)體模型，根據(jù)導(dǎo)體剖分單元上的電密J，繞組電密圖如圖6所示，對每個(gè)單元進(jìn)行積分得繞組的總交流損耗，表達(dá)式為[19]：

式中：l為導(dǎo)體長度；J為電密；A為矢量磁位。

4）風(fēng)摩損耗。

風(fēng)摩損耗Pf是由于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與靜止的空氣產(chǎn)生相對速度而產(chǎn)生的，本文中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的風(fēng)摩損耗更是遠(yuǎn)超普通電機(jī)，在耦合能量方程的前提下，利用三維流體場法對電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，其基本原理符合[12]：

Pf=Pout－Pin。（10）

式中Pout、Pin分別為風(fēng)道出入口總能量。根據(jù)有限元求得風(fēng)摩損耗為2 073.4 W。

將以上得到的各項(xiàng)損耗計(jì)算熱源的生熱率，最終將所得到的生熱率賦值到熱源設(shè)置的模塊中完成。電機(jī)生熱率是指電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過程中，單位體積內(nèi)的電機(jī)損耗所產(chǎn)生的熱量值，其表達(dá)式為[20]

Q=P／V。（11）

式中：Q為生熱率；P為電機(jī)發(fā)熱部件損耗；V為電機(jī)發(fā)熱部件體積。電機(jī)損耗與升熱率如表2所示。

1.5 流體場與溫度場的分析

基于以上假設(shè)和基本條件，將熱源升熱率賦值到熱源設(shè)置模塊等，對電機(jī)三維全域傳熱模型的流體場與溫度場進(jìn)行求解分析。

電機(jī)流體流速分布如圖7所示，空氣域內(nèi)對流散熱系數(shù)分布如圖8所示。由圖7可知，空氣域軸向風(fēng)道與氣隙側(cè)流體流速、軸向風(fēng)道頂端與底端流速分布均相差較大，越靠近氣隙側(cè)流體分布越密集，流速越大，其最大流速位于氣隙側(cè)內(nèi)表面，為132 m/s，受開口槽影響，定子槽口中間的流體分布要大于槽口兩側(cè)，總體分布合理。受流體分布及流速影響，氣隙側(cè)平均對流散熱系數(shù)可達(dá)447.8 W/（m2·℃），受轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速的影響，對流散熱系數(shù)越靠近轉(zhuǎn)子表面的數(shù)值越大；其中軸向風(fēng)道的平均對流散熱系數(shù)可達(dá)212.6 W/（m2·℃），受開口槽影響，定子槽口中間的散熱系數(shù)要大于槽口兩側(cè)。

由于軸向風(fēng)道頂部和底部的對流散熱系數(shù)相差較大，因此下面對軸向風(fēng)道側(cè)進(jìn)行流體分析。對流換熱是流體和與之接觸的固體壁面之間的熱量傳遞過程，部分流體分析的直線如圖9所示，在軸向風(fēng)道不同位置分別畫直線1、2，其中直線1靠近軸向風(fēng)道底部，直線2靠近軸向風(fēng)道頂部槽口位置。圖10為空氣域?qū)α魃嵯禂?shù)的分布，其中直線1的平均對流散熱系數(shù)為256.7 W/（m2·℃），直線2的平均對流散熱系數(shù)為476.6 W/（m2·℃），兩者相差較大，由此可知，在轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速的影響下，越靠近槽口側(cè)散熱效果越好，靠近軸向風(fēng)道頂部的散熱效果遠(yuǎn)大于軸向風(fēng)道底部的散熱效果。

電機(jī)溫度場分析如圖11所示，在環(huán)境溫度為室溫的狀況下，定子鐵心溫度分布如圖11（a）所示，定子繞組溫度分布如圖11（b）所示，永磁體溫度分布如圖11（c）所示，轉(zhuǎn)子溫度分布如圖11（d）所示。由圖11（a）可知，定子部分的高溫區(qū)域主要集中在定子槽內(nèi)部分，最高溫度達(dá)到82.7 ℃，圖11（b）定子繞組的最高溫度達(dá)到89.7 ℃。由圖11（c）可知，電機(jī)的最高溫度出現(xiàn)在永磁體中間側(cè)，為150.4 ℃。其次是圖11（d）轉(zhuǎn)子的溫度分布，最高溫度為150.3 ℃，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子軸向中間處，依次向兩端降低，這是由于表貼式兆瓦級高速永磁電機(jī)永磁體位于轉(zhuǎn)子表面，而高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸向長度一般較長，轉(zhuǎn)子散熱困難導(dǎo)致永磁體散熱困難，轉(zhuǎn)子外部強(qiáng)迫風(fēng)冷的通風(fēng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子部分溫度較高，轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體極易發(fā)生不可逆退磁，其冷卻效果還有待改進(jìn)。

2 新型冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)熱特性分析

2.1 加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電磁設(shè)計(jì)和磁鋼裝配等需求，表貼式高速永磁電機(jī)永磁體極間間隙一般填充非導(dǎo)磁導(dǎo)電的高強(qiáng)度塑料，高溫高強(qiáng)度塑料導(dǎo)熱系數(shù)低、熱阻大，導(dǎo)致溫升增加，電機(jī)在高溫情況下，特別是轉(zhuǎn)子高溫情況下，轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體易退磁，從而影響電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此高導(dǎo)熱特性的材料對高速電機(jī)轉(zhuǎn)子具有重要作用。本文在保證電機(jī)的電磁性能不變的情況下，將該電機(jī)永磁體極間間隙的高溫高強(qiáng)度塑料替換為高導(dǎo)熱特性的填充鋼材料，通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)改進(jìn)為加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如圖12所示，圖12內(nèi)的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如圖13所示。

改進(jìn)后的通風(fēng)域圖12與改進(jìn)前的通風(fēng)域圖2（a）相比，原有的通風(fēng)道不變，增加圖13的加強(qiáng)筋通風(fēng)道結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋位于每對永磁體之間的間隙內(nèi)，布設(shè)一周，共計(jì)4個(gè)，加強(qiáng)筋內(nèi)部為通風(fēng)區(qū)域，沿軸向方向每個(gè)加強(qiáng)筋有5個(gè)等面積開口。該冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻風(fēng)在離心力的作用下會(huì)將冷卻介質(zhì)壓入加強(qiáng)筋內(nèi)部，加強(qiáng)筋沿軸向表面有數(shù)個(gè)徑向通風(fēng)孔，使得冷卻介質(zhì)直接帶走永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心熱量，從而提高轉(zhuǎn)子側(cè)內(nèi)部的散熱效率。改進(jìn)后的求解模型如圖14所示。

2.2 新型冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)與原冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)的熱特性對比

在其他條件不變的情況下，對新型冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行流體場和溫度場求解。改進(jìn)后的流體流速分布圖如圖15所示，最高速度為261 m/s，位于加強(qiáng)筋內(nèi)，與原始電機(jī)最高速度相差129 m/s，加強(qiáng)筋作為新的通風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)流體分布，流速大都分布在104～156 m/s之間。

不同結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后平均對流散熱系數(shù)對比，如圖16所示。由其前兩項(xiàng)對比可知，氣隙和軸向風(fēng)道側(cè)平均對流散熱系數(shù)改進(jìn)后均有所降低，這是由于加強(qiáng)筋的引入使得風(fēng)量更加向轉(zhuǎn)子側(cè)集中，但降低幅值可忽略不計(jì)。其中永磁體和轉(zhuǎn)子的壁面對流散熱系數(shù)分別是234.8、256.9 W/（m2·℃），相較原始電機(jī)兩者分別增加了135.6、111.7 W/（m2·℃）。這是由于改進(jìn)后空氣域加強(qiáng)筋中的5個(gè)等面積開口使冷卻介質(zhì)和永磁體、轉(zhuǎn)子直接接觸，如圖17所示。改進(jìn)前永磁體流固接觸面為A面，轉(zhuǎn)子流固接觸面為C面，即改進(jìn)前轉(zhuǎn)子側(cè)僅通過氣隙和端面進(jìn)行散熱。而改進(jìn)后永磁體和轉(zhuǎn)子的流固接觸面分別增加B面及D面，散熱面積共增加了10 348 mm2，故改進(jìn)后轉(zhuǎn)子側(cè)不僅通過氣隙和端面進(jìn)行對流傳熱，還通過加強(qiáng)筋內(nèi)部風(fēng)道由冷卻介質(zhì)帶走轉(zhuǎn)子側(cè)部分熱量，因此改進(jìn)前后對流散熱系數(shù)差別較大。

新型冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)溫度分布如圖18所示，圖19為改進(jìn)前后的溫度對比圖。結(jié)合兩圖來看，圖18（a）、圖18（b）均較改進(jìn)前增加了1.2 ℃，可忽略不計(jì)，由圖16前兩項(xiàng)可知，氣隙、軸向風(fēng)道改進(jìn)后散熱系數(shù)減小，由圖18（c）可知，電機(jī)的最高溫度出現(xiàn)在永磁體中間側(cè)，為138.6 ℃。其次是圖18（d）轉(zhuǎn)子的溫度分布，最高溫度為136.6 ℃，由永磁體和轉(zhuǎn)子溫度分布云圖可知，最高溫均出現(xiàn)時(shí)，該電機(jī)的最高溫度是138.6 ℃，位于圖18（c）永磁體中間部分，相較改進(jìn)前永磁體150.4 ℃降低了11.8 ℃，圖18（c）、圖18（d）溫度均有所降低，降低的原因?yàn)楦倪M(jìn)后轉(zhuǎn)子側(cè)散熱面積增加，對流散熱系數(shù)增大，兩者散熱效果增強(qiáng)，溫度降低。

該電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)為加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)后，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子側(cè)溫度降低，其不足之處是改進(jìn)后的電機(jī)風(fēng)摩損耗增大。下面對風(fēng)摩損耗增大而電機(jī)溫度下降原因做進(jìn)一步的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析。表3為通風(fēng)冷卻改進(jìn)前后的數(shù)據(jù)對比。

對比通風(fēng)冷卻方案改進(jìn)前后，在入口流量保持一致的情況下，新型冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)的風(fēng)摩損耗較優(yōu)化前變大，這是由于高速永磁電機(jī)的風(fēng)摩損耗主要由轉(zhuǎn)子與氣隙摩擦產(chǎn)生，改進(jìn)后的電機(jī)轉(zhuǎn)子于永磁體極間間隙增設(shè)加強(qiáng)筋通風(fēng)道，與冷卻介質(zhì)的接觸面積變大，在電機(jī)高轉(zhuǎn)速的影響下，通風(fēng)域內(nèi)最高風(fēng)速變大，風(fēng)摩損耗隨之變大，風(fēng)摩損耗較優(yōu)化前增加408 W，占比電機(jī)總損耗1.9%，對電機(jī)影響因子較小。

對比通風(fēng)冷卻方案改進(jìn)前后的電機(jī)溫度仿真結(jié)果，新型冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)最高溫度為138.6 ℃，比傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)降低了7.8%，這是由于改進(jìn)前永磁體和轉(zhuǎn)子的對流散熱系數(shù)位于兩者端面，內(nèi)部只能通過熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行間接散熱，散熱困難。而改進(jìn)后的冷卻風(fēng)能夠直接在加強(qiáng)筋內(nèi)流動(dòng)，電機(jī)散熱面積增大、最高風(fēng)速增大、對流散熱系數(shù)增大，永磁體和轉(zhuǎn)子的壁面對流散熱系數(shù)分別增加，在以上因素的影響下使得轉(zhuǎn)子側(cè)溫度大幅降低，且新型冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)溫差較傳統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)電機(jī)溫差降低了11.8 ℃，有利于電機(jī)可靠運(yùn)行。

增設(shè)加強(qiáng)筋通風(fēng)道后，雖然風(fēng)摩損耗變大，但電機(jī)與風(fēng)接觸面積變大，轉(zhuǎn)子側(cè)散熱的效果更加理想，風(fēng)摩損耗增加占電機(jī)總損耗的1.9%，電機(jī)的最高溫度較優(yōu)化前降低7.8%，通過對比兩者數(shù)據(jù)，綜合考慮，兆瓦級高轉(zhuǎn)速電機(jī)風(fēng)摩損耗對電機(jī)溫升的影響要遠(yuǎn)小于加強(qiáng)筋通風(fēng)道開通后使轉(zhuǎn)子部位溫度大幅降低的效果。

2.3 入口風(fēng)速對電機(jī)最高溫度的影響

為了研究不同入口風(fēng)速對電機(jī)冷卻的效果，得到了適合該冷卻結(jié)構(gòu)的入口風(fēng)速范圍，為外部風(fēng)壓設(shè)備的選擇提供了理論支撐，本文分析了入口風(fēng)速為7、9、11、13、15、17 m/s時(shí)電機(jī)最高溫度的變化規(guī)律。本電機(jī)采用的是他扇冷卻，入口最高風(fēng)速是外部風(fēng)扇能提供到的。采用三維流體場法求解出不同入口風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)摩損耗及電機(jī)最高溫度，可得不同風(fēng)摩損耗下的電機(jī)最高溫度分布，如圖20所示。當(dāng)入口風(fēng)速在7～13 m/s之間時(shí)，通風(fēng)域周圍流體流速減小，永磁體、轉(zhuǎn)子、繞組、定子最高溫度隨電機(jī)入口速度的增加下降較快。當(dāng)入口風(fēng)速在13～17 m/s之間時(shí)，通風(fēng)域周圍流體流速趨于飽和，永磁體、轉(zhuǎn)子、繞組、定子最高溫度隨電機(jī)入口速度的增加下降趨勢減緩，因此選用13 m/s入口風(fēng)速，此時(shí)電機(jī)最高溫度達(dá)到138.6 ℃。

3 結(jié) 論

本文針對兆瓦級電機(jī)轉(zhuǎn)子過熱問題，提出一種新型的加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過提高轉(zhuǎn)子散熱面積，提升轉(zhuǎn)子的對流散熱系數(shù)，降低轉(zhuǎn)子溫度。本文對電機(jī)的流體場及溫度場進(jìn)行研究，比較改進(jìn)前后電機(jī)的散熱性能及溫升變化，結(jié)果驗(yàn)證了提出的新型冷卻結(jié)構(gòu)的合理性，得到如下結(jié)論：

1）通過對原電機(jī)的流體場分析可得，轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速下氣隙中越靠近轉(zhuǎn)子表面的散熱系數(shù)越大，受開口槽影響，定子槽口中間的散熱系數(shù)要大于槽口兩側(cè)。電機(jī)額定工況下最高溫度出現(xiàn)在永磁體區(qū)域，約為150.4 ℃，定子部分的高溫區(qū)域主要集中在定子槽內(nèi)部分，最高溫度達(dá)到82.7 ℃，定子繞組最高溫度達(dá)到89.7 ℃。

2）采用新型的加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)子側(cè)的對流散熱系數(shù)與風(fēng)摩損耗同時(shí)變大，風(fēng)摩損耗較優(yōu)化前增加408 W，占電機(jī)總損耗的1.9%，對電機(jī)溫升影響小，電機(jī)的最高溫度較優(yōu)化前的150.4 ℃降低11.8 ℃，比改進(jìn)前電機(jī)溫度降低了7.8%，冷卻效果得到明顯改善，通過對比兩者數(shù)據(jù)，風(fēng)摩損耗對兆瓦級高速電機(jī)溫升的影響要遠(yuǎn)小于加強(qiáng)筋通風(fēng)道開通后使轉(zhuǎn)子部位溫度大幅降低的效果。

3）電機(jī)的入口風(fēng)速在7～17 m/s變化時(shí)，電機(jī)內(nèi)永磁體、轉(zhuǎn)子、繞組、定子最高溫度先呈線性下降而后趨于平緩，因此采用13 m/s的入口風(fēng)速，此時(shí)電機(jī)最高溫度可達(dá)138.6 ℃。

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（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2023-07-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（U21A20145）

作者簡介：蔡 蔚（1959—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)、功率電子控制器及汽車電動(dòng)化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、低振動(dòng)噪聲電機(jī)等；

牛金花（1999—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)綜合物理場計(jì)算、高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析；

唐 躍（1987—），男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閺?fù)雜條件下電機(jī)綜合物理場計(jì)算、電動(dòng)用高性能永磁電機(jī)設(shè)計(jì)。

通信作者：牛金花