轮缘驱动无轴推进器冷却方案设计与多物理场耦合计算

胡鹏飞，靳栓宝，沈 洋，魏应三，兰任生，庄双江



轮缘驱动无轴推进器冷却方案设计与多物理场耦合计算

胡鹏飞，靳栓宝，沈 洋，魏应三，兰任生，庄双江

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉430033）

针对轮缘驱动无轴推进器中集成化永磁电机的散热问题，设计了自然循环的海水冷方案，即在无轴推进器桨叶的前、后端开槽，并与电机定、转子间的气隙连通，形成闭合的、与推进器进出流方向相反的自然水循环通道，冷却通道的流量由推进器桨叶前后截面的压力差、气隙的高度等参数决定。文章基于有限元方法计算了永磁推进电机的电磁性能，并采用有限体积法对轮缘驱动式集成化永磁电机推进器的冷却方案进行了电磁场、温度场与流场的耦合计算，校验了集成化永磁推进电机冷却方案的有效性。

无轴推进器 永磁推进电机 海水冷却 多物理场耦合分析 数值计算

0 引言

无轴推进是将推进电机集成于推进器中，取消推进轴系及相关配套系统、设备，利用电流传递功率输出的一种新型推进技术。根据永磁推进电机的布置位置（如图1所示），可将无轴推进器分为轮毂驱动式和轮缘驱动式[1,2]。进入新世纪后，随着高性能永磁材料的开发，以及大容量高功率密度永磁无刷电机技术的日趋成熟，轮缘式集成电机推进器逐渐从实验室走向工程应用[3-6]。

在轮缘驱动式无轴推进器中，永磁推进电机作为电能转换为机械能的能量转换装置，其运行过程中必然会产生一定的能量损失，而绝大部分的损耗将以发热的形式耗散掉，进而导致电机的工作温度升高。电机过高的工作温度会使永磁体产生不可逆退磁、绝缘老化，严重情况将导致电机烧毁[7-9]。目前，国内外有关轮缘驱动式无轴推进器的研究主要集中在推进器水动力和集成化电机电磁方案设计上[2,10,11]，鲜有文章介绍轮缘驱动式无轴推进器冷却方案的细节设计和整系统分析实际进流情况下集成化永磁电机的冷却性能。

本研究以轮缘驱动无轴推进器高效冷却方案设计为研究目标，针对推进器导管内集成化电机推进器散热问题，详细介绍了如何有效利用桨叶盘面前后的压力差和电机定、转子之间的气隙作为通道，进行无轴推进器集成化永磁电机自然循环水冷方案的设计。并且，采用计算流体力学方法对集成化永磁电机冷却通道内的实际流动状况进行了数值仿真分析，校验了该冷却方案的有效性。

1 集成化永磁推进电机电磁性能分析

轮缘驱动无轴推进器主要由永磁推进电机、导管、叶轮、导叶和轮毂等部件组成，如图2推进器的额定功率为1.76MW。在设计中采用了双3相80极480槽永磁推进电机，电机额定转速为159 rpm，推进电机几何如图3所示。降低集成化永磁推进电机的电磁振动，在电机设计中同时采用了多相绕组、削极技术、表贴式磁极综合优化等技术。

在电机本体设计过程中，首先采用商用有限元软件设计并分析目标电机的空载电磁性能，包括空载气隙磁场、磁链、反电势和齿槽转矩波形。从图4例举的空载磁链及反电势波形可以看出，目标电机展现出了相当正弦的波形，所以具备实现低输出转矩脉动的性能特点，符合电磁设计目标。优化后的永磁推进电机基本尺寸为：定子外径2.61 m、定子内径2.53 m、永磁体最大厚度24 mm、转子颚部厚度12.6 mm、电磁气隙高度15 mm毫米、硅钢片叠片长度228 mm。

由于目标集成化永磁推进电机采用了偏心削极等设计技术，所以额定工况下的输出转矩波形十分平滑参看图5。其峰峰值转矩脉动系数仅仅为0.0423%（西门子大型永磁直驱式风机的发电制动转矩脉动系数设计要求为不高于0.5%），据此可以达到较高的低噪声运行水平。图6展示了目标推进电机的负载磁密与磁力线分布图。计算结果表明，永磁推进电机定子的铁耗为1.013 kW，铜耗为55.4 kW，并将作为发热源代入下一步计算中。

2 轮缘驱动无轴推进器冷却方案设计

必须设计有效的散热方式，保证大功率永磁电机运行中能够将电机内所产生的热量传导和散发出去。据此，提出了一种在推进叶轮的前、后端开槽，并与电机转子和定子间的气隙连通，形成闭合的自然水循环通道（如图7所示）对大功率轮缘驱动式集成化永磁电机进行冷却的方式。其中，冷却通道中的冷却介质水的流量，由泵喷叶轮前后截面的压力差、气隙的高度、厚度等参数决定。

3 无轴推进器冷却方案的性能分析

传统的电机散热计算方法如简化公式法、等效热路发、网络拓扑法、有限元、有限差分法很难精确计算在实际进流情况下轮缘驱动式集成化永磁电机推进器的散热和冷却情况。本文采用有限元与有限体积法相结合方法计算集成化永磁推进电机推进器冷却方案的性能。其中，有限元方法用来计算永磁推进电机的电磁性能，并将计算得到的电机铁耗和铜耗输入到基于有限体积法建立的轮缘驱动式无轴推进器的水动力模型中，最终计算出实际进流条件下无轴推进器的冷却性能，指导推进器的下一步优化设计工作。

图2显示的是轮缘驱动式无轴推进器的三维几何模型。图8显示了整个无轴推进器数值计算模型的计算域大小，其中计算域径向大小选择20D（D为推进器直径）；尾流计算域40D；进流计算域为8D。

在数值计算建模中，采用全结构网格完成无轴推进器的网格划分，图9（a）显示了导管壁面网格，图9（b）显示了推进器叶轮和导叶叶片的壁面网格，图9（c）显示了推进器电机1/80模型的壁面网格分布，整个计算域的网格节点数为4873万。

为了增加数值计算的稳定性，轮缘驱动式无轴推进器推进性能的数值计算采用分步逐渐增加转速的方法来完成，即先计算无轴推进器转速为零时的流场，然后逐渐增加推进器转速，来模拟推进器内部的旋转流场，直至整个计算域流场稳定。计算得到无轴推进器和电机气隙内流场的流线分布可以参看图10，此时气隙的流量达到了426 kg/s。图11（a）显示了永磁推进电机定子的三维温度分布情况，图11（b）显示了电机定子沿径向的温度分布情况，图11（c）显示了永磁推进电机定子1/80模型的径向温度分布情况。可以看出，无轴推进器在额定工况下的定子槽内最高温度为60.4℃，其结果小于H级绝缘等级规定的最高工作温度120°。结果表明，该散热方案是有效的，能够满足设计要求。

4 结论

本文以轮缘驱动式无轴推进器中的1.76 MW永磁推进电机为研究对象，通过在推进器桨叶的前、后端开槽，并与电机定、转子间的气隙连通，利用推进器叶轮前后截面的压力差设计了闭合的、与推进器进出流方向相反的冷却通道，实现了无轴推进器集成化永磁推进电机自然循环冷却方案。采用有限元和有限体积法相结合的方法完成集成化永磁推进电机电磁场、温度场、水动力等多物理场的耦合计算，分析了集成化永磁电机气隙在真实进流条件下的流动和散热情况，计算结果表明该无轴推进器在额定工况下的定子槽内最高温度为60.4℃，小于H级绝缘等级规定的最高工作温度120°，校验了该无轴推进器永磁推进电机冷却方案的有效性。

[1] 马骋．吊舱推进技术[M]．上海：上海交通大学出版社，2007．

[2] Jinghui Liang, Xiaofeng Zhang, Mmingzhong Qiao, Peng Zhu, etl. Optimal design and multifield coupling analysis of propelling motor used in a novel integrated motor propeller[J]．IEEE Transactions of Magnetics，2013,9,12):2-85.

[3] 王选卓．集成电机推进器驱动装置的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013．

[4] 汪勇，李庆．新型集成电机推进器设计研究[J]．中国舰船研究，2011，6，(11)：82-85．

(51307177，51309229，51409256)

Design and Multifield Coupled Analysis of Cooling System for PM Motor in Rim Driven Propulsor

Hu Pengfei, Jin Shuanbao, Shen Yang, Wei Yingsan, Lan Rensheng，Zhuang Shuangjiang

(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Since electrical machine’s working temperature significantly affects permanent magnet (PM) characteristic and reliability of the insulation, the design of effective cooling system becomes a vital concern of rim driven propulsor. In this paper, a natural cooling system is designed for the integrated PM motor inside a rim driven propulsor by designing the cooling water passing through air-gap between PM motor’s stator and rotor. In order to predict maximum temperature precisely, an electromagnetic, thermal and computational fluid dynamic coupled multifield analysis is developed and applied to verify the effectiveness of designed natural cooling system.

shaftless propulsor; PM motor; computational fluid dynamic (CFD); thermal analysis

U664.34

A

1003-4862（2016）03-0028-04

2015-12-09

国家自然科学基金青年科学基金资助项目

胡鹏飞(1990-), 男, 博士生。研究方向：电力集成。