高速水冷永磁电机冷却系统分析*

佟文明，程雪斌(沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，辽宁沈阳　110870)



高速水冷永磁电机冷却系统分析*

佟文明，程雪斌
(沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，辽宁沈阳110870)

摘要:为了研究水冷系统对高速永磁电机冷却效果的影响，基于计算流体动力学(CFD)以及数值传热学理论，利用有限体积法对常用的轴向“Z”字型和周向螺旋型水冷系统进行详细分析，得到了水冷系统的流速、流阻及温度分布。在采用螺旋型水冷结构的基础上，对电机的流体场和温度场进行计算，分析了水道数、水道宽度、冷却水速及冷却水温对电机温升的影响。为高速电机水冷系统的设计与热分析提供参考。

关键词:高速永磁电机;计算流动力学;水冷系统;流固耦合

程雪斌(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为高速永磁电机冷却系统设计与流固耦合分析。

0　引言

高速永磁同步电机具有功率密度大、效率高、可直接与原动机或负载相连等优点，广泛应用于高速机床、高速离心压缩机、鼓风机等领域［1］，但是由于其功率密度较高，单位体积损耗大，加之高速运行时的空气摩擦损耗，且转子散热条件差，容易造成转子局部高温，严重时可能造成永磁体不可逆退磁［2］，从而影响电机安全运行。因此，对冷却系统内的流体流动与传热进行有效分析，合理设计冷却系统，对电机安全运行具有十分重要的意义。

目前已有许多专家学者针对电机的冷却结构及其冷却介质的流动特性进行过研究。文献［3］对一台高功率密度电机设计了定子外双螺旋纹循环冷却系统，同时利用热网络法对电机的定子温升进行了计算，试验结果表明该冷却系统满足了温升要求;文献［4］设计了双向螺旋冷却水道结构，进行了三维流体场和温度场计算，研究了不同热源、不同入口水流量对其温度分布的影响，有效地提高了散热效率;文献［5］应用ANSYS CFX软件对采用螺旋型水冷系统的高速电主轴在不同冷却水流量、工况、环境温度条件下的温升进行了对比分析;文献［6］基于传热学及流体力学理论推导了水冷电机的冷却水流速与电机内部温度的关系，并建立其热网络模型研究了不同冷却水流速对电机各部分温升的影响;文献［7］设计了一种高效率并联“V”型水冷结构，并运用有限体积法对水冷结构内部的流体流动和电机的温升进行了计算分析，同时研究了水冷翅片的高度及进水流量对温度场分布的影响;文献［8］针对一台兆瓦级高速永磁电机采用了风冷与定子外水冷相结合的冷却系统，其中风冷系统采用轴向与径向相结合的⊥型混合通风方式，并采用FLUENT软件计算了通风系统内的流体分布。

本文以传热学及计算流体动力学相关理论为基础，分别建立轴向“Z”字型和周向螺旋型水冷系统的物理模型，应用计算流动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)流固耦合详细对比分析了其流速、流阻及温度分布规律，并采用螺旋型水冷结构作为此高速电机的水冷方式，在此基础上，计算了电机的流体场和温度场分布，同时分析了水道数、水道宽度、冷却水速、冷却水温对电机温升的影响，为高速电机水冷系统的选取及热分析提供参考。

1　水冷系统物理模型

本文研究的高速永磁电机为全封闭水冷电机，在机壳内设有冷却水道对电机进行散热，电机基本设计参数如表1所示。

表1　15 kW高速永磁电机基本参数

根据冷却水在机壳内的流向不同，通常可分为轴向“Z”字型和周向螺旋型两种［9］，分别如图1、图2所示。

图1　轴向“Z”字型结构

图2　周向螺旋型结构

轴向“Z”字型水路中冷却水流入水道后沿着平行分布的隔板在电机的轴向流动，进、出水口较容易设计在电机的同一端。周向螺旋型水路中冷却水沿着机壳的圆周方向呈螺旋前进的方向流动，与机壳接触面积大。本文根据高速电机的结构尺寸，建立了相同截面尺寸及散热面积的轴向“Z”字型和周向螺旋型结构。

2　流固耦合传热数学模型

根据传热学原理，对于各向同性介质，水冷系统内的热交换可用三维稳态导热微分方程［10］表示:

式中:λ——求解域内各种介质的导热系数，W/(m·K) ;

T——固体待求温度，K;

q——热源密度，W/m3;

α——对流散热系数，W/(m2·K) ;

Tf——附近流体的温度，K;

s1、s2——求解域中的绝热面、散热面。

水冷系统内流体流动同时满足质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律，由于水冷系统内水流速不大，可认为冷却水是不可压缩的流体，相应的三维流体通用控制方程［11］可表示为如下形式:

通用控制方程的展开形式为

式中: u——速度矢量;

u、v、w——速度在x、y、z方向上的分量;

φ——通用变量;

Γ——扩展系数;

ρ——流体密度;

S——源项。

为使水冷系统达到较好的冷却效果，冷却水的流动状态应处于湍流状态，故采用最广泛的标准k－ε湍流模型。其控制方程［11］为

式中: G——平均速度梯度引起的湍动能k;

σk、σε——湍动能k和耗散率ε的有效湍流普朗特数的倒数;

ut——湍流粘性系数; C1ε、C2ε——经验常数。

3　水冷系统流固耦合计算

由于研究重点是水冷系统内的流体流动与传热特性，为简化求解过程，其基本假设与边界条件如下:

(1)电机总损耗作为热源施加于机壳内壁面，并假设热源均匀分布于内壁面上，全部损耗均转化为热量，被冷却水强迫对流带走;

(2)认为水冷系统内各介质的物理特性参数不随温度变化;

(3)入口边界条件采用速度入口，入口水速为1.2 m/s，出口边界条件采用压力出口，出口压力为1个标准大气压，初始水温和环境温度设为300 K;

(4)流体与固体接触面均为无滑移壁面。

3.1流体场分析

根据以上假设及边界条件，求解出水冷系统内的流速、流阻及温度场分布，图3、图4分别为轴向型和周向螺旋型水路的流速分布及流阻分布图。

图3　轴向“Z”字型结构

从图3、图4中可以看出，轴向型水路中冷却水的流速分布并非完全均匀，平均流速为1.05 m/s，由于水路中存在较多直角转弯，流动方向发生急剧变化，导致水流在拐角处的流速相对较大，同时水流往复循环通过转弯处次数较多，导致水路中的流阻为2.27 kPa。周向螺旋水路比较平滑，水流整体比较平缓，冷却水沿着螺旋方向作圆周前进流动，流速分布比较均匀，平均流速为1.05 m/s，冷却水流过水路时流阻为9.68 kPa。

3.2温度场分析

图5、图6分别为轴向“Z”字型和周向螺旋型水冷结构的温度分布云图。从图5、图6可以看出，轴向“Z”型水路中沿轴向的温度分布较均匀，而周向螺旋型上从入水口至出水口，轴向水道之间的温度逐渐升高，冷却水平均温升为0.9 K。从入水口开始，周向螺旋型水路温度沿着水流螺旋方向逐渐升高，且均匀变化，直至出水口处温度达到最大，冷却水平均温升也为0.9 K。对于机壳，螺旋水路段及轴向水路段对应的机壳区域温度变化趋势与水路温度变化基本一致，温度较低，而未被水路覆盖的机壳两端区域由于冷却效果差，导致温度相对较高。

图4　周向螺旋型结构

图5　轴向“Z”字型结构

图6　周向螺旋型结构

从温度场分布来看，轴向“Z”字型和周向螺旋型水路的最高温度值很接近，冷却效果均较好，但轴向型水路流阻较大，消耗泵的功率会增加。针对本文所研究的高速电机，铁心长度与定子铁心外径之比不大，同时考虑到轴向水冷结构加工复杂耗时，最后选择螺旋型水冷结构更适合此高速永磁电机。

4　水冷高速永磁电机流固耦合分析

在采用螺旋型水冷结构基础上，考虑到计算时间及计算机硬件的要求，选取电机圆周1/4区域为研究对象，应用CFD流固耦合计算电机在冷却水温300 K、冷却水流速1.2 m/s时的流体场和温度场分布。

图7为电机内空气的三维流线图。从图7中可以看出，转子高速旋转时，机内空气的流动情况十分复杂，求解域内空气的最大流速为102.72 m/s，位于定转子气隙内，且气隙流速沿轴向分布相对均匀，这是由于气隙狭长，同时气隙壁面对空气流动的束缚作用，气隙内空气能以较高的速度沿着转子高速旋转的方向流动;当空气进入体积相对较大的两侧端腔后，流速迅速减小。

图7　电机内空气三维流线图

图8为求解域的温度分布云图。从图8中可以看出整体温度分布基本沿轴向中心对称，温升最大值为91.9 K，位于永磁体中部。转子区域温升较高，平均温升为86.6 K，而定子区域温升较低，其中绕组最高温升为46.9 K，位于绕组两侧端，且上层绕组温升较下层绕组温升高。这主要是由于定子与机壳紧密接触，散热条件好，使得定子区域产生的热量能较好地被水道内冷却水带走，而由于端腔空气流动性能较差，且转子位于电机内部，散热条件较差，导致温升较高。

图8　求解域温度分布云图

5　影响电机温升的相关因素

根据牛顿冷却定律［12］描述物体对流换热过程:

式中:Φ——对流换热的热流量，W;

α——对流换热系数，W/(m2·K) ;

ΔT——流体与固体壁面间温差，K;

A——对流换热面积，m2。

由式(6)可知，对流换热热系数α、流体与固体壁面间温差ΔT及对流换热面积A均会直接影响对流换热量，而对流换热系数和对流换热面积与冷却水的流动状态、水道数及截面尺寸等有关。

5.1水道数对电机温升的影响

保持水道截面积及其他条件不变，改变水道数，可得到不同水道数下电机各部件的温升值，绕组、永磁体、转子铁心的平均温升随水道数变化的关系曲线，如图9所示。从图9中可以看出，水道数的增加，电机各部件温升均在降低，但下降的幅度越来越小，由于水道数增多，水路流阻会越来越大，所需水泵功率也增大，且水道加工越耗时，综合考虑电机散热、水道加工时间及水泵功率，水道数不宜过多。

图9　各部件平均温升与水道数变化关系

5.2水道宽度对电机温升的影响

高速电机由于安装空间有限，使得机壳径向尺寸受限，导致水道高度变化程度不大，因此可以通过改变水道宽度来改善其冷却效果。保持水道高度7 mm及其他结构尺寸不变，分别计算了水道宽度为9 mm、12 mm、15 mm、18 mm时的温度场分布，可得到不同水道宽度下电机各部件的温升值，如图10所示。从图10中可以看出适当增加水道宽度，增加对流散热面积，可有效增强冷却效果，降低各部件的温度。

图10　各部件平均温升与水道宽度变化关系

5.3冷却水速对电机温升的影响

下面在截面尺寸为7 mm×15 mm时，分析不同冷却水速和冷却水初温对电机温升的影响。

冷却水速是影响电机温升的重要因素，保持其他条件不变，改变入口水速，可得不同冷却水速下电机各部件的温升值，永磁体、转子铁心的平均温升随入口水速变化的关系曲线，如图11所示。从图11中可知，随着水速的增加，电机各部件温升均逐渐降低，当水速增大到1 m/s，即冷却水已充分处于湍流状态时，各部件温升变化缓慢趋于稳定，出现了热饱和区。考虑到水速增大要增加水泵功率，出于节能的考虑，并不是水流速越大，冷却效果越好，实际应用中应选择合理的水速。

图11　永磁体、转子铁心温升与水速变化关系

5.4冷却水初始温度对电机温升的影响

在同样条件下，分析冷却水初温对电机温升的影响。

冷却水初始温度不同也会对电机温升产生影响，保持其他初始和边界条件也不变，分别对初始水温为10℃、15℃、20℃、30℃的求解域模型进行计算，得到不同初始水温下电机各部件温度值，绕组、永磁体、转子铁心的平均温度随冷却水初温变化的关系曲线，如图12所示。从图12中可以看出，冷却水初始温度对电机各部件温度的影响很大，冷却水初始温度从10℃增加到30℃时，各部件的温度几乎是线性增加的，即冷却水初始温度每增加5 K时，绕组、永磁体、转子铁心的平均温度约升高5 K。

图12　永磁体、转子铁心温度与冷却水初温变化关系

6　结语

本文应用CFD流固耦合详细分析了轴向“Z”字型和周向螺旋型水冷系统，并在采用螺旋型水冷系统的基础上，计算高速永磁电机的流体场和温度场分布及不同边界条件对电机温升的影响，可得到如下结论: (1)电机长径比不大时，轴向“Z”字型和周向螺旋型水冷系统的冷却效果接近，但轴向型水路流阻较大，泵消耗功率也较大; (2)高速电机内气隙空气流速较大，而端腔空气流动性较差，转子散热困难，导致转子区域温度较高，且远大于定子区域温度; (3)水道数、水道宽度及冷却水速的增加，可以有效降低电机温升，但当其达到一定程度，电机各部件温升逐渐趋于稳定，冷却水初始温度对电机温升影响较大。因此，可适当改变冷却水温降低电机温升。

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Cooling System Analysis of High-Speed Water Cooling Permanent Magnet Motor

TONG Wenming，CHENG Xuebin
(National Engineering Research Center for Rare-earth Permanent Magnet Machines，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

Abstract:In order to study the influence of water cooling system on cooling effect for high speed permanent magnet motor(HSPMM)，on the basis of computational fluid dynamics(CFD) and numerical heat transfer theory，the axial water channel of Z-type and circumferential spiral water channel were analyzed in details by finite volume method.The velocity distribution，flow resistance and temperature field distribution of water cooling system were obtained.Then the fluid and temperature field of HSPMM was calculated based on the adopted the spiral channel cooling system，and the influence of water channel number，water channel width，cooling water velocity，cooling water temperature on temperature rise of the water-cooled motor were analyzed.It provided reference for the water cooling system design and thermal analysis in high speed motor.

Key words:high speed permanent magnet motor; computational fluid dynamics(CFD) ; water cooling system; fluid-solid coupling

收稿日期:2015-09-02

作者简介:佟文明(1984—)，男，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为特种电机及其控制。

*基金项目:国家自然科学基金(51307111) ;国家科技支撑计划项目(2013BAE08B00) ;辽宁省教育厅科学技术研究项目(L2013049)

中图分类号:TM 351

文献标志码:A

文章编号:1673-6540(2016) 03-0016-006