作者：駱 苗，王洪武丨中國(guó)電子科技集團(tuán) 

摘 要：根據(jù)高功率密度電機(jī)裝置結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合高空環(huán)境特點(diǎn)，采用FloEFD軟件對(duì)某型號(hào)高空飛行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的散熱情況進(jìn)行仿真分析，確保電機(jī)組件在高空環(huán)境下的可靠運(yùn)行。

高功率密度電機(jī)的熱量產(chǎn)生原因復(fù)雜，包括定子銅耗、定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗、機(jī)械損耗等。發(fā)熱過(guò)度會(huì)導(dǎo)致磁鋼局部失磁、鐵心局部過(guò)熱等影響安全性的因素，因此必須進(jìn)行熱仿真分析研究。通過(guò)FloEFD軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)的散熱能力，避免局部過(guò)熱，這對(duì)延長(zhǎng)電機(jī)壽命、提高電機(jī)可靠性、減輕冷卻系統(tǒng)壓力都有重要意義。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與熱仿真建模

永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)組件系統(tǒng)作為高空飛行器的主要?jiǎng)恿υ仨毷癸w行器在不同溫度、氣壓及風(fēng)力環(huán)境下均能保持良好的驅(qū)動(dòng)控制能力。以某型號(hào)高空飛行器螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)為例，將電機(jī)與減速器實(shí)行一體化設(shè)計(jì)，以滿足電機(jī)高功率密度的要求，并且合理地設(shè)計(jì)電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)尺寸，確保電機(jī)在高空低溫低氣壓的條件下，具有良好的散熱能力。利用Inventor軟件進(jìn)行電機(jī)3D建模，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，此結(jié)構(gòu)為經(jīng)FloEFD熱仿真軟件優(yōu)化后的電機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖1 電機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

本文采用三維熱仿真軟件FloEFD對(duì)電機(jī)散熱情況進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)按照電機(jī)處于高空環(huán)境中的額定運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)分析比較仿真結(jié)果，對(duì)電機(jī)外殼散熱筋的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而不斷優(yōu)化電機(jī)組件的散熱能力。

電機(jī)是由定轉(zhuǎn)子、機(jī)殼、端蓋等組成的復(fù)雜機(jī)械裝配體，考慮到機(jī)械尺寸較小的零部件對(duì)電機(jī)溫度影響較小，在進(jìn)行熱仿真分析時(shí)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化與忽略，以提高仿真分析的效率。本仿真對(duì)電機(jī)仿真模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理：忽略螺釘、墊片等零件；忽略倒角、退刀槽等；忽略輻射的影響；對(duì)定子繞組與沖片進(jìn)行了等效處理，將其等效為均質(zhì)材料。

通過(guò)電機(jī)電磁計(jì)算，該型號(hào)高空飛行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定功率運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量為1 600 W，為簡(jiǎn)化模型，本仿真直接將定子齒設(shè)定為發(fā)熱源，并定義發(fā)熱量為1 600 W，對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真分析。

2 三維熱場(chǎng)仿真

針對(duì)高空環(huán)境下電機(jī)周圍實(shí)際的氣壓、溫度、風(fēng)速等環(huán)境因素，項(xiàng)目組聯(lián)合北京航空航天大學(xué)特種電機(jī)研究中心進(jìn)行電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的仿真分析，根據(jù)對(duì)方給出數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組選擇6組相對(duì)有代表性的環(huán)境因素對(duì)該電機(jī)進(jìn)行熱分析計(jì)算，6種環(huán)境工況如表1所示。

表1 電機(jī)熱仿真六種工況

通過(guò)軟件對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、分解等系列處理，著重分析電機(jī)定子鐵心、前端蓋、以及后端蓋溫度，得出計(jì)算結(jié)果如下。

1)電機(jī)在地面運(yùn)行時(shí)的分析結(jié)果

對(duì)不帶散熱器的電機(jī)與帶散熱器的電機(jī)2種情況進(jìn)行熱仿真分析。對(duì)幾組不同散熱筋尺寸的電機(jī)進(jìn)行仿真，結(jié)合電機(jī)質(zhì)量與體積的要求，確定散熱筋的尺寸結(jié)構(gòu)。

(a) 不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果

不帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不帶散熱器的電機(jī)溫度分布曲線與云圖

(b) 帶散熱器的電機(jī)仿真結(jié)果

由圖2熱仿真結(jié)果可以看出，不帶散熱器的電機(jī)散熱效果差，定子溫度達(dá)到了200 ℃以上。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運(yùn)行在150 ℃設(shè)計(jì)，該電機(jī)無(wú)法滿足散熱要求，因此需要通過(guò)熱仿真設(shè)計(jì)一款合理的散熱器。

通過(guò)對(duì)幾組不同尺寸的散熱器進(jìn)行熱仿真分析，確定電機(jī)前端蓋加上長(zhǎng)度為35 mm的散熱筋后，可以有效提高電機(jī)散熱能力，且質(zhì)量與體積都符合要求，電機(jī)溫度分布曲線如圖3所示，定子溫度為99 ℃，前端蓋溫度為71 ℃，后端蓋溫度為65 ℃，達(dá)到了預(yù)期的散熱要求。

圖3 帶散熱器的電機(jī)溫度分布曲線與云圖

2)電機(jī)處于高度3 km，風(fēng)速5 m/s時(shí)的運(yùn)行分析結(jié)果

3 km高度，5 m/s風(fēng)速下的電機(jī)溫度分布曲線如圖4所示。

圖4 高度3 km，風(fēng)速5 m/s時(shí)電機(jī)溫度分布曲線與云圖

3)電機(jī)處于高度3 km,風(fēng)速10 m/s時(shí)的熱仿真情況

3 km高度，10 m/s風(fēng)速下的電機(jī)溫度仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 高度3 km,風(fēng)速10 m/s時(shí)電機(jī)溫度分布曲線與云圖

4)電機(jī)處于高度6 km,風(fēng)速5 m/s的熱仿真情況

6 km高度，5 m/s風(fēng)速下的熱仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 高度6 km,風(fēng)速5 m/s時(shí)電機(jī)溫度分布曲線與云圖

5)電機(jī)處于高度6 km,風(fēng)速10 m/s時(shí)的熱仿真情況

6 km高度，10 m/s風(fēng)速下的熱仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 高度6 km,風(fēng)速10 m/s時(shí)電機(jī)溫度分布曲線與云圖

6)電機(jī)處于高度6 km,風(fēng)速15 m/s時(shí)的熱仿真情況

6 km高度，15 m/s風(fēng)速下的熱仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 高度6 km,風(fēng)速15 m/s時(shí)電機(jī)溫度分布曲線與云圖

對(duì)比圖4～圖8可以看出，當(dāng)高空飛行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于同樣高度，即環(huán)境溫度與氣壓相同時(shí)，風(fēng)速越高，越有利于電機(jī)散熱，即定子溫度與機(jī)殼溫度都越低。而在同樣的風(fēng)速條件下，高度越高，越不利于電機(jī)散熱，即定子溫度與機(jī)殼溫度都越高。

3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)分析對(duì)比電機(jī)在6種工況下的熱仿真溫度分布曲線與云圖，機(jī)殼與前后端蓋的溫度低于定子繞組的溫度，待整體溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，定子溫度、前端蓋溫度、后端蓋溫度如表2所示。

電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)磁鋼、漆包線、絕緣材料等均按最高運(yùn)行150 ℃設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算值留有設(shè)計(jì)余量，符合電機(jī)溫升需求，滿足電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

表2 6種工況下電機(jī)定子、前端蓋、后端蓋溫度表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用FloEFD軟件對(duì)某高空飛行器螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了熱仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了電機(jī)散熱性能，為電機(jī)在不同環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的仿真數(shù)據(jù)，縮短了電機(jī)研制周期，降低了研發(fā)成本。

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