航空用油冷电机流场研究与仿真

李 孟，闫 波，周育茹，田 磊

(航空工业西安飞行自动控制研究所，西安 710065)

0 引 言

航空用高压大功率永磁同步电机具有体积小，质量轻、效率高、运行可靠等优点。但是在体积和质量有限的情况下，电机本身温升是影响电机高效、可靠、长时工作的关键因素。高压大功率电机由于体积小、功率密度大和效率高，单位体积内的发热要比普通机大得多，当电机内部损耗产生的热量大于电机散热能力时，就会导致电机温升过高，从而引起电机失效。

油冷电机将液压油引入电机本体形成回路，通过油液循环带走电机内部热量，有效改善电机散热性能，提高电机整体输出功率，并显著提升工作可靠性。电机内部包括定子和转子都浸泡在液压油中，电机定子铁心圆周不光滑且有开槽，定转子气隙边界结构复杂，且电机运行时转子高速旋转，导致内部液压油的流动状态复杂，通过合理设计油道来提高散热效率比较困难。

计算流体力学(以下简称 CFD)是通过计算机数值计算，在流动基本方程控制下对流动的数值模拟，得到复杂流场的分布，研究流体流动问题。随着CFD仿真技术的发展和日趋成熟，借助CFD技术来研究流体流动问题已成为研究流体流动的重要手段[4]。

本文采用CFD对航空用油冷电机内部的液压油流动状态进行数值计算和仿真，为电机合理设计油道提供仿真依据。

1 数学模型

流体流动的三个基本守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。由于电机内部流体处于湍流运动状态，还需要遵循附加的湍流控制方程[4]。

流体质量守恒方程：

流体动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

湍流方程：

(4)

2 计算模型及边界条件

2.1 流体域计算模型

电机三维模型如图1所示。

图1 电机三维模型图

为计算绕组中的液体流动，在原始模型中添加等效绕组模型，等效绕组模型完全填满铁心中的空隙，详细结构如图2所示。

图2 绕组等效模型

该电机共有4个流体进口和1个流体出口，以流体进出口和电机结构组成的封闭空间生成流体域，生成的流体域如图3所示。

图3 电机流体域模型

2.2 基本假设和边界条件

2.2.1 基本假设

1)假设电机内部流体为不可压缩液体。

2)电机内流体处于湍流状态，流体场采用湍流模型中鲁棒性较好和工程应用中较为常见的Standardk-ε模型进行计算。

3)电机运行工况为长时工况，采用的计算方法为稳态计算。

2.2.2 边界条件

电机有4个流体入口和1个流体出口，如图4所示。

图4 流体入口

1) 入口边界

这4个流体入口与同一个腔体连通，该腔体由柱塞泵泄漏液压油提供压力，压力为脉动值，且不易测量，计算中取入口总压0.8MPa。

2) 出口边界

电机有1个流体出口，与舵机蓄能器连通，蓄能器压力稳定为0.5MPa，流体出口压力取0.5MPa。

3) 壁面条件

根据模型边界区域的条件，将模型中的所有固体壁面设为固体边界，即无滑移壁面边界条件，固体壁面附近流动采用标准壁面函数法确定，假定定子、转子壁面光滑。

2.3 网格划分

为适当减小网格量，本文计算域内均采用多面体网格，流体/固体域交界面上有三层以上附面层加密，保证流体附面层计算的准确性，电机网格划分如图5所示。

图5 电机网格划分

2.4 材料选择

电机冷却液选择航空15#液压油作为冷却介质[6]，其参数如表1所示。

表1 15号航空液压油物性参数

3 计算结果与分析

电机内部流体压力云图、速度矢量图、流体迹线图分别如图6～图8所示，电机最大流速为出口处5.88m/s。

图6 流体压力云图

从电机流场整体来看，定转子之间的气隙是影响电机内部流场的关键区域，对电机定转子之间的气隙区域进行单独计算，流体计算域仅为电机定转子之间的气隙，数值计算采用网格模型和计算结果的速度云图如图9所示。

图9 数值计算的CFD模型与部分结果

将电机定转子气隙高度和两端压力差作为主要的影响因素进行分析，计算采用的流动模型和边界条件如表2所示，对应表2中给定工况的数值计算结果显示如表3至表5所示。

表2 气隙过流能力计算相关求解设置和边界条件

表3 气隙高度为0.6mm的过流能力计算结果

表4 气隙高度为1.2mm的过流能力计算结果

表5 气隙高度为1.8 mm的过流能力计算结果

将表3～表5的数据绘成散点图，不同气隙对应压差和流量变化如图10所示。

图10 不同气隙高度对应的气隙过流能力计算结果

1) 进出口压差从0增加至1.0MPa过程中，随着进出口压差增加，气隙区域流场的过流能力增加；

2) 气隙高度从0.6mm逐渐增加到1.8mm过程中，气隙区域流场的过流能力增加，但随着气隙高度等值增加，流场过流流量的增加量相应减小。

因此，气隙高度和气隙进出口压差对电机气隙流场影响：气隙高度对气隙区域流场过流能力的影响随着气隙高度增加而变小，而压差的变化量对过流量能的影响成线性关系。

4 结 语

本文以航空用油冷电机为研究对象，采用CFD数值计算方法，对电机内部的流体进行了计算，分析流体分布和流动特性，并研究了定转子间气隙区域的过流能力影响因素。

气隙高度和气隙进出口压差都影响电机气隙流场的过流能力。气隙高度对气隙区域流场过流能力的影响程度随着气隙高度增加而变小，而压差的变化量对过流量能的影响成线性关系。该研究结果可为电机结构优化设计提供技术参考。