某无刷励磁机通风冷却数值模拟研究

材料物性不同的固体模型；3）将无刷励磁机的流体区域置于旋转坐标系和静止坐标系中。这使得三维流场、温度场计算结果更加准确可靠。

2 数学模型及求解条件

2.1 数学模型

通过计算得出入口处空气的雷诺数R_e远大于2300，处于湍流状态。计算域内空气视为不可压缩流体，利用Fluent软件，选择多重参考系计算方法。其转子、整流盘固体区域中的空气处于旋转坐标系中，其他流体部分位于三维固定直角坐标系中。

在温度场计算求解过程中采用质量、动量与能量守恒方程及标准k-ε两方程湍流模型，其通用控制方程如下：

（1）式中：ρ为密度；φ为通用变量；Г_φ、S_φ分别为广义扩散系数和广义源项。

2.2 计算条件

在额定工况下，转子转速为3 120 r/min，某电机研究所通过电磁场计算得到了各种损耗数值，见表1。由表1可算得计算域内各部分热源数值。空气所受重力与其他力相比较小，可以忽略不计。入出口风筒均接至主机风扇前端，因此，其表压力均为0 Pa，空气人口温度按照电机规范取40℃。物理模型外周界机壳为壁面边界，中心剖面转子部分为周期性边界。在计算过程中，匝间绝缘材料、铜绕组、轴均为各向同性材料，物性参数为常数，热导率λ分别为0.22、387.6、31.8 W/（m·K），而铁心叠片为各向异性材料，热导率九沿叠片径、切向的数值都为42.5 W/（m·K），轴向（厚度方向）为0.57W/（m·K）。

物理模型建完以后，需对其网格进行划分。在近壁面区采用标准的壁面函数法进行处理，近壁面网格y+满足标准壁面函数要求；方程组采用分离、隐式求解，压力速度耦合方程组采用SIMPLE算法，方程均采用二阶迎风格式离散，经多次网格调整，最终获得计算域的稳态湍流流动及传热耦合计算网格独立收敛解。

3 计算结果及分析

3.1 速度场计算结果及分析

设计阶段，厂商认为定子上方风筒为励磁机出风筒，现场实验及数值模拟实验发现，现实与想象相反，整流盘上方的出口为热风，属于空气出口。经过流场反演，得到这种同轴布置3个旋转部件（双侧整流盘+转子）的电机内部空气流动路径，见图2。图2给出了两个特征截面极角10°、120°速度矢量图。

由图2可知冷却空气的具体走向，具体如下：取自于主机风扇前端的流道中的冷空气经定子上方的进风口进入定子铁心背部，大部分经过定子铁心边段风沟通过机座环板，进入两侧的空气区内；另一小部分进入定子风沟中向下流动，与经转轴通风槽到达转子风沟甩出的空气在气隙旋转射流混合，之后到左右两侧空气区中。从定子边段铁心风沟甩出靠近风沟1的空气和从转子风沟1甩出的在整流盘引力作用下经气隙沿轴向流出的空气，被右侧整流盘吸入，冷却旋转整流盘二极管；另一部分自轴与机座问的空隙进入外罩与机座之间，冷却机座与外罩后被左侧整流盘吸入，冷却其旋转整流盘二极管。冷却空气从左右双侧整流盘上部出风口流出，进入主机风扇前端，在主机内循环。分析速度矢量图可知：计算域内的转子风沟空气区、整流盘空气区等的速度非常高，最高达到81.9 m/s，位置在旋转半径较大的整流盘处，气隙区靠近转子外表面处空气受到壁面旋转剪切粘性力的带动，速度也较大。在机座、机壳和定子风沟2～4附近的冷却空气速度一般较低，低于5.6 m/s。在旋转部件周围会形成大小不一的涡旋，产生摩擦生热，不利于空气的流动和各部件的冷却。

计算结果表明，转子内部旋转半径越大，空气运动速度越大，定子风沟内部流动复杂，能够体现该种风路布置的励磁机内部流动特征，故图3给出了该方案定子风沟3（z=25 mm，r=200～295 mm）沿周向0～90°内的速度矢量图补充说明励磁机内速度分布特征。

由图3可知，气隙部分上部靠近定子侧与下部靠近转子部分的速度大小和方向显著不同，界面明显，靠近转子外径处的空气在粘性剪切应力作用下，一同旋转，形成速度较大的流体边界层，最大速度为47.9 m/s，随着气隙沿半径增大方向，速度数值逐渐减小，速度梯度很大，且在与定子齿部相接处，空气部分流进、部分流出。一小部分向y轴正方向进入定子线棒周围较小截面的铁心齿部风沟中，空气速度数值大多在10.5 m/s以下，相对较小；靠近连接筋（工字钢）两边来自齿部的空气速度较大，空气流动较复杂，定子线棒周边的齿部与轭部中心位置空气有明显的涡流形成，冷却空气围绕固体线棒旋转，与背部相连处的定子风沟上方冷却空气有进有出，定子铁心轭部上边缘外为定子铁心背部空气区，风沟轭部中每条定子线棒上方的空气流通截面积沿径向逐渐增大，定子叠片连接筋向心布置，因而形成中心局部速度较小。

3.2 压力场计算结果及分析

图4给出了该方案极角30°、极角150°特征截面的压力分布云图进行对比分析。

由图4可知，总体而言，转轴上方转子槽空气区处的压力最低，压力值为-2 721 Pa，紧挨机座左侧人口的整流盘靠近轴套处空气区负压较低，压力值-1 886～-1 052 Pa之间，吸风作用较强，极角150°截面右侧整流盘二极管下方靠近轴套和绝缘垫板之间局部空气区压力最高，压力值为1 450 Pa，由于其间隙较小，故会出现憋风现象，压力较高，最低值与最高值压差4 171 Pa，机壳与机座之间空腔中负压较低，数值在-1 052～-635 Pa之间，转子风沟空气区压力在-1886～-218 Pa之间，沿径向压力逐渐升高，主要由于转轴、转子铁心和整流盘高速旋转，形成负压区，使定子上方进风口处的空气顺利进入定转子风沟，励磁机内空气人出口无静压差，除定子风沟2～4人出口压力差很小，由于定转子风沟中间通过厚度仅3 mm的环形气隙空间连接，气隙中空气与轴向定转子两端空气区存在压差，导致气隙内空气主要沿轴向流动。

3.3 三维温度场分析

以励磁机该方案极角10°、120°特征截面的温度分布云图5为例，说明励磁机定转子、绝缘、空气温度分布特点。

由图5可看出，最高温度位置出现在靠近整流盘的转子线棒端部处，数值为107.1℃，显然，与之相邻的转子端部线棒绝缘温度远低于许用温度130℃，而且整流盘二极管附近空气温度范围为70～73℃。定子峰值温度出现在线棒端部靠近整流盘部分，数值93℃，定子线棒温度分布左右不对称，另一端部温度较低，数值范围为76～80℃，左右温度差为13℃左右，原因是远离整流盘端的边段铁心风沟中冷却空气流量大。定子铁心背部靠近空气入口的部分温度较低，靠近定子线棒附近齿部温度较高。原因是冷空气刚进入定子铁心背部时，温度较低，齿部除空气温度高外，位置方面靠近温度较高的定子线棒。机壳与机座之问，部分靠近出口处的空气温度较高，温度范围为66～70℃，机座下方温度较低，温度范围为63～66℃。

图6为该方案补充和更详细展示转子线棒的温度分布，由图可知，转子线棒部分的峰值温度为107.1℃，位置同上，远离整流盘侧转子线棒端部温度为91～99℃，靠近整流盘侧转子线棒端部的温度为97～107℃，位于远离整流盘侧的转子线棒端部温度低于靠近整流盘侧的，主要原因是靠近整流盘侧有转子线圈架紧邻，线圈架材料导热性能差，另外下部轴空气槽入口部分被转子引线阻挡，该侧槽入口进风量较少，导致转子线棒直段的温度从左到右逐渐降低。此外，被空气直接冲刷冷却的风沟位置处的绕组温度低于周边与铁心叠片相邻部分的绕组温度，见图6。

3.4 结果准确性分析

励磁机内部旋转流场与空气动力场很复杂，目前不能获得解析解。为了验证结果的准确性，一方面，将该方案的体积流量为0.283 m³/s，与某电机研究所采用等效风路法所得该方案相同工况下的总通风量0.3 m³/s做了对比，误差为5.6%比较准确。另一方面，数值模拟出的空气入出口流动方向与实验结果测量结果一致。

4 结论

本文通过对同轴上布置双侧整流盘和转子三个旋转部件、且整流盘和定子上方均布置风筒的新型无刷励磁机三维湍流流场和温度场的数值计算反演，得出以下结论：

1）冷却空气从定子上方风筒入口进入，大部分从定子铁心边段风沟流出，从中部定子风沟流出较少，在铁心齿部线棒周围及轭部空气均形成涡流。从转子风沟甩出的空气，在整流盘负压引力作用下经气隙沿轴向流出。

2）转轴上方空气槽中空气负压最低，紧挨机座人口的整流盘靠近轴套处空气区负压较低，吸风作用较强。

3）该方案励磁机最高温度位置出现在靠近整流盘侧的转子线棒端部，左右两侧温度不对称，转子线棒直段的温度从左到右逐渐降低，绝缘均不超温，并且整流盘的工作环境温度较低，符合要求。

（编辑：刘素菊）

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