基于流固耦合的高速永磁电机多物理场仿真分析

许海波，胡 岩，刘泽宇，曹 力

(沈阳工业大学 电气工程学院，沈阳 110870)

0 引 言

高速永磁电机因具有功率密度高、体积小、效率高等特点而得到广泛应用[1]。其高频率、高谐波的特点导致涡流损耗变大，同时其转子体积小，散热条件差[2]，因此容易加剧转子温度的升高，这将会导致永磁体内部温度过高甚至超过其正常运行范围，影响电机寿命和稳定性[3]。

针对高速永磁电机的损耗计算以及温度场仿真国内外学者作出大量研究分析。文献[4]对比不同转子结构对转子涡流损耗的影响，并通过三维有限元和实验对比分析，得出护套的等效电导率对转子涡流损耗有着显著影响，但是并未针对护套材料的导热系数对电机温升进行分析。文献[5]针对高温环境下的转子涡流损耗问题，分析了转子材料电导率以及导热系数随温度变化的解析模型，得出护套选取的要求。文献[6-7]为了降低转子涡流损耗采用了不同护套材料的复合结构，对降低永磁体涡流损耗效果明显，但是并未考虑到复合结构对散热的影响。文献[8]研究了全封闭水冷机壳的高速永磁电机的温度场几何模型，分析了轴向通风孔和风刺对电机温升影响，通过增加通风孔尺寸和数量提高转子的散热能力，但是全封闭结构不利于转子散热。文献[9]提出了一种考虑电机部件间装配间隙的水冷内置式永磁同步电机电磁-热双向耦合方法，采用了水冷、风冷混合冷却方式以达到降低温升，风冷需要外部增加通风器件，增大了电机的复杂性。文献[10]分析了转子高速旋转在气隙处产生的风摩损耗对电机温升的影响，通过有限元软件对气隙变化进行仿真，同时计算出转速对温度的影响。文献[11-12]在考虑流体场的基础上分析了电机温度场，揭示了最优水速方案下的温升分布，并通过强迫风冷改变进出口风速，有效地降低了温升，但是采用强迫风冷方式，需要外加离心风机和通风管道。由此可见，针对提高电机散热能力，并且减低散热结构复杂性的研究是较少的。

针对高速永磁电机转子温升容易过高的问题，本文采用一种自扇冷、水冷混合冷却散热结构，改进电机的散热通道，有效降低转子温升，并通过ANSYS软件对电磁场和温度场进行多物理场耦合仿真。

1 模型建立

1.1 电机结构

本文对一台70 kW，40 000 r/min离心风机用表贴式高速永磁电机进行设计仿真分析，电机电磁结构如图1所示。

图1 高速永磁电机结构

1.2 电机主要参数

本文设计的高速永磁电机参数如表1所示。高速永磁电机交变频率很高，应选择产生涡流损耗较小的、转子2极表贴式结构，为了防止高速离心力导致永磁体脱落，设计了3 mm护套对永磁体进行保护。永磁体采用NdFeB30材料，永磁体和护套采用过盈配合。定子采用DW310-35叠压硅钢片。为了提高电机通风散热能力，定子槽深设计为6 mm。

表1 高速永磁电机基本参数

2 电机损耗分析

高速永磁电机运行在高速、高频的工况下，因此高速永磁电机损耗主要来源是定子铁心损耗、定子绕组铜耗、风摩损耗、转子涡流损耗。

2.1 损耗计算

基于有限元分析法，通过Maxwell有限元软件对额定运行状态下的电机进行仿真计算，其中电机转子护套选用碳纤维和合金钢材料进行对比分析，如表2所示，碳纤维的电导率较低且导热性能较差，合金钢材料的电导率较高且导热性能较好。

表2 护套材料属性

在频率666.7 Hz正弦波电压源激励以及额定负载下，分别对两种护套下的损耗进行仿真。电机电磁仿真损耗曲线如图2、图3所示。

图2 碳纤维护套的定转子损耗

图3 合金钢护套下的定转子损耗

由图2可知，不同护套材料对定子铁耗以及定子铜耗几乎没有影响，在涡流场屏蔽作用下，护套材料电导率的不同，导致转子涡流损耗分布出现差异。

转子在高速旋转下，在气隙处产生大量风摩损耗，通过ANSYS Fluent流体仿真软件进行计算，建立气隙流体模型，设置流体介质是空气，设置转子表面粗糙度以及转子表面转速，计算得出风摩损耗是326.5 W。

2.2 热源分布

在温度场分析中，损耗通过热生成率的形式作为电机温度的热源，如表3所示。

表3 电机损耗与热生成率

3 流固耦合下的温度场分析

3.1 数学模型

对高速永磁电机三维稳态温度场进行仿真计算，由于电机温升模型内包含固体、液体、气体的互相热传递，因此在电机内部产生热对流和热传导两种热量传递方式。在三维坐标下，高速永磁电机导热模型：

(1)

式中：T是待求解温度；Tf是环境温度；S1是绝热面；S2是散热面；α是散热系数；μx，μy，μz是x，y，z方向上的导热系数；qv是电机总热生成率。

3.2 温度场仿真物理模型

在散热方式上设计两种冷却方案：水道冷却和自扇冷、水冷混合冷却。通过对比两种方案下的电机温升结果，得出自扇冷冷却方案的优势。图4是自扇冷、水冷混合冷却模型，机壳表面有冷却水的进出口。为了使电机内部空气不断和外界进行交换，在后端盖设计了两个入风口，在另一端设计了两个出风口。电机内部零件较多，计算困难，因此需对电机模型进行简化。端部绕组伸出部分简化为等效直线长度；定子槽绝缘层、槽楔以及绕组绝缘层简化为等效绝缘层。

图4 自扇冷、水冷混合冷却模型

3.3 假设与边界条件

为了简化求解过程，对求解模型作出以下假设：

(1)研究稳态温度场模型，因此控制方程不含时间项；

(2)电机内的流体为不可压缩流体；

(3)忽略重力和浮力的影响；

(4)电机内流体的雷诺数远大于2 300，属于湍流，采用湍流模型进行求解。

高速永磁电机运行在额定负载状态下，给定边界条件如下：

(1)螺旋水道入口为速度入口边界条件，给定1.0 m/s的水流速度；螺旋水道出口为压力出口边界条件，压力为标准大气压；环境温度为300 K；

(2)旋转域包裹区域给定40 000 r/min转速；

(3)扇叶流体域给定旋转转速，入风口、出风口为零压力出入边界条件；

(4)电机机壳、端盖以及转轴伸出部分外表面为散热面，给定散热系数。

3.4 流体场分析

基于前文的热源分布以及假设和边界条件，通过ANSYS Fluent仿真软件仿真出高速永磁电机流体场。在水道冷却方案中，电机是全封闭结构，电机主要通过水道以及机壳表面散热鳍进行散热，然而机壳的散热量很少，因此大部分热量通过水道带出。如图5所示，冷却水通过入口以1 m/s的速度进入，可以看出冷却水在螺旋水道内进行快速流动，不断从出口流出，出水口的温度会大于入水口的温度，因此带走了热量，降低了温升。

图5 水道流速、压力云图

为了模拟提高电机温度仿真精度，电机采用流固耦合分析计算方法，在仿真过程中让电机内的空气在转子旋转的作用下运动起来，提高了仿真的准确度。图6(a)所示为全封闭水冷机壳结构高速永磁电机内部空气的流线图，由于电机铁心位于机壳中心位置，且电机内部气体与外界空气没有流通，所以电机内部气体对称流动。气隙处比较窄，受到转子高速旋转的影响，导致气隙处空气转速较高，最高转速达到159.5 m/s，电机内部两侧空腔部分受到转子旋转的影响较小。

图6 空气流线图

在混合冷却中，转子同轴扇叶的高速旋转，把外界空气不断压迫进入电机内部，穿过气隙，然后从另一侧出口排出。图6(b)是自扇冷、水冷模型内部空气流线图，相比于图6(a)最大速度提高了40 m/s，并直接与外界空气进行能量交换，提高了电机散热能力。

3.5 温度场分析

由于高速永磁电机的永磁体采用的是钕铁硼材料，护套材料是碳纤维，碳纤维的导热系数低于其他金属材料，永磁体的散热能力会降低。NdFeB30永磁体工作极限温度是180 ℃，并且剩磁是随着温度升高而降低的，因此需要对比不同散热方案下的温度场的温升及变化。

两种冷却方案下的电机温升如图7、图8所示。水道内置在机壳内部，水道带走了定子大部分热量，机壳和定子的温度是整个电机温度最低的，转子散热环境较差，因此成为温度最高的部位。

图7 水冷方案温度分布

图8 自扇冷、水冷混合冷却方案温度分布

由于水道是内置在机壳内部，并且采用的恒温冷却水散热系数很高，在热量传递的过程中，热量更趋向于向温度低的地方传递。如图9、图10所示是定子部分温度，绕组在定子内的区域的温度相比伸出区域更高一些。因为定子部分的热量主要通过水道散出去，因此两种冷却方案下的定子温升变化基本一致。

图9 定子温度云图

图10 绕组温度云图

如图11(a)所示，水冷模型的永磁体最高温度是127.7 ℃，对于此种传统水冷冷却模型而言，转子产生的热量只能通过热传递方式传递到转轴和通过热对流传递到定子，以及有限的气体流动将热量带到机壳散出，而本文提出的自扇冷、水冷散热方式可以直接把热量通过气体流动带到电机外部，如图11(b)所示，自扇冷、水冷模型下的永磁体最高温度达到100 ℃，降低了转子温升。

图11 混合冷却方案下的永磁体温度

图12中是两种冷却方案的温度数值变化曲线，可以明显的看出，在改善了冷却路径之后，混合冷却方案对转子温度的影响很大，相较水冷方案，转子温度直接降低了16 ℃。因此在设计电机散热方案的时候，自扇冷方式对高速永磁电机的转子进行降温是有效可行的。

图12 两种冷却方案下的温度曲线

综上分析可知，为了降低电机温升，通过自扇冷、水冷散热结构对高速永磁电机进行散热，改善了电机内部空气的散热路径，有效降低转子温升。

3.6 可行性分析

自扇冷、水冷模型中设计了轴向扇叶，并且是直接通过电机主轴带动其旋转，这增大了电机的负载，致使电机的输入电流增大，如图13所示是有无自扇冷的电流波形对比。当没有扇叶时，电流的幅值是111.20 A，当增加扇叶时，电流幅值是117.62 A，电流增大了额定电流的5.77%。有扇叶模型比无扇叶模型下的绕组温度降低了16.75 ℃，在电流幅值高出5.77%，并且铜耗会相应的增大一些的情况下，绕组的温度依旧比无扇叶模型的低，因此自扇冷、水冷模型是可行的。

图13 有无扇叶的电流波形对比

4 结 语

本文设计了一种高速永磁电机的自扇冷、水冷混合散热结构，并以一台70 kW，40 000 r/min高速永磁电机为例。利用了扇叶结构迫使空气快速穿过电机，通过分析自扇冷模型的空气流线走势，自扇冷结构改变了电机内部的散热路径，有利于电机与外界的热传递。通过流固耦合法对高速永磁电机的温度场进行仿真分析，精确计算出电机的温升分布，自扇冷、水冷模型，相较于水冷模型，永磁体温度降低了27.7 ℃，有效降低了转子温度，保证了永磁体不会出现高温退磁现象。