本文针对一款65 kW，12 000 r/min高速永磁同步电机水冷系统进行分析。通过建立电机本体温度场有限元分析模型，结合流体动力学(以下简称CFD)理论，对电机水冷结构的导热热阻进行分析，并提出在电机定子与水套之间填充导热硅脂以减小接触热阻的优化冷却方案，对电机的设计与生产有较大的指导意义。

1   CFD温度场分析原理

计算流体力学满足三个基本守恒方程，任何流体的流动都不可避免地发生传质与产热的过程，这三大方程分别为质量守恒方程、动量守恒方程与能量守恒方程。

当电机运行温度与环境温度存在差异时，就会产生热量的传递。通常热传递的方式有三种，即热对流、热传导和热辐射。本文所分析的电机为强制液冷冷却方式，因为电机外壳本身的温度不高，热辐射所带走的热量非常有限，所以可以忽略不计。那么热仿真的过程就可以简化为只考虑热传导与热对流。

由于各项异性介质在不同方向上的导热系数存在差异，本文研究的高速永磁同步电机在稳态温度场计算中，所采用的求解模型的三维稳态热传导微分方程的表达式如下：

(1)

定值边界条件：

式中：λx，λy，λz为电机内各介质在各方向的导热系数；qv为体积热源密度；S1,S2为物体边界；τ为时间项；tf为流体温度；n为边界上的法向矢量；h为物体壁面与流体间的表面对流换热系数。

2 电机模型、参数及导热系数

本文的高速永磁同步电机基本参数如表1所示，三维数模如图1所示。

表1 电机基本参数

图1 电机三维数模

2.1 空气隙等效导热系数计算

由于在定子与转子间存在气隙，气隙的间隙尺寸一般在1 mm以下，当电机转子在运转时，热的传递方式存在热传导和热对流两种。但是对流的现象较难模拟，因此只考虑热传导。热传导系数采用等效的导热系数，即实际热对流与热传导传递的热量和单独采用等效导热系数所传递的热量相等。等效导热系数的计算如下。

(2)

式中：λ为等效空气隙导热系数；β为粗糙度系数，一般取1.15～1.25；δ为气隙的厚度；Rro为转子外圆半径；Re为雷诺数；λk为空气的导热系数。

雷诺数Re计算公式：

(3)

式中：ω为转子外圆的线速度；v为空气的运动黏度，v=2.21×10-5 m2/s。

2.2 硅钢片轴向导热系数计算

在径向方向上由于硅钢片是完整的整体，因此导热系数可以认为是硅钢本身的导热系数。但是在轴向方向上由于铁心是由上百片硅钢片相互叠加而成的，同时在硅钢片之间存在气隙和其他保护材料，因此轴向的导热系数相较于径向导热系数要小得多，假设轴向方向各处的导热系数相同。

轴向导热系数采用以下公式计算：

(4)

式中：δFe为铁心叠厚；λ1硅钢片的导热系数；δ0为绝缘介质的净长度；λ0为绝缘介质的导热系数；KFe为铁心的叠片系数。

2.3 绝缘层等效导热系数计算

绕组线圈与定子硅钢片之间分布着一层由绝缘纸、绝缘漆和气隙空气等多种导热介质组成的绝缘层，对导热产生较大的影响，此处不考虑气隙空气的存在，只考虑绝缘纸和绝缘漆。

(5)

式中：δi为每个导热体的厚度；λi为每个导热体的导热系数。

2.4 各部件热物性参数

通过查表以及公式计算得到所要仿真的电机各部件的物性参数，如表2所示。

表2 电机各部件的物性参数

3 电机全域温度场仿真及温升实验

共培养出金黄色葡萄球菌9株，其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA)4株(44.4%)。未发现万古霉素和利奈唑胺耐药菌株，除对奎奴普汀/达福普汀耐药率较低(22.2%)外，对其他抗菌药物耐药率均>40%，对红霉素则全部耐药。见表4。

图2 电机示意图

针对冷却液带走热量这一热通路进行分析，要想尽可能地降低电机的温升，需要降低整个热通路的热阻，主要包括对流散热热阻和导热热阻。对流散热热阻在水套设计中可以仿真确定，因此本文主要针对导热热阻进行分析。导热热阻主要是定子与水套之间的接触热阻。两种材料的表面不可避免地存在粗糙度，面接触并不是理想的直接接触，因此采用点接触，没有接触的部分则由空气填充，空气的导热系数很低，会造成比较大的接触热阻。为了避免热阻过大，本文提出在定子与水套之间填充导热硅脂，以减小接触热阻的设计方案。

3.1 仿真假设

1) 冷却液的流速较低，因此将流体视作不可压缩流体；

2) 铜耗均匀分布在绕组上，铁耗均匀分布在定，转子铁心上，机械摩擦分布在轴承上；

3) 热辐射所占比例较小，因此忽略热辐射对电机温升的影响；

电机的结构示意图如图2所示。电机运行过程中，发热部件主要为定子铁心和定子绕组，绕组嵌于定子铁心线槽中。定子的导热路径主要有两条：一条是通过空气传导到水套以及转子上；另外一条则是通过与水套的直接接触传导到水套上，然后由冷却液带走。由于通过空气传导到水套以及转子上的热量很少，所以定子及绕组散热的主要热通路为直接传导到水套上并利用冷却液带走热量。

3.2 网格划分

本文采用STAR CCM+仿真软件进行网格划分及计算，电机整机的网格划分模型如图3所示，网格数量为442万。

图3 电机网格划分模型

3.3 仿真结果

本文针对两种方案进行仿真对比。一种方案为水套与定子采用热套的方式，中间无任何填充材料；另一种方案为水套与定子采用热套的方式，中间填充导热硅脂，硅脂的导热系数为2.5 W/(m·K)。仿真工况为电机在额定转速、额定功率下运行至温升平衡。图4和图5分别为两种方案的温度场分布情况。从仿真结果可以看出，无任何填充材料的定子绕组温度达到119.5 ℃，而填充导热硅脂的定子绕组温度为112.06 ℃，由此可见,填充导热硅脂，温度下降效果明显。

图4 无填充材料定子绕组和铁心温度场分布

图5 填充导热硅脂定子绕组和铁心温度场分布

图6为两种方案的温升对比曲线。从图6中可以看出，在额定工况下，两种方案电机温升均趋于稳定，填充导热硅脂的温度比不填充的温度要低7.44℃。

图6 对比温升曲线

3.4 实验测试

通过制作两种不同方案的电机来验证实际效果。图7为无填充材料的电机定子，图8为填充导热硅脂材料的电机定子，实验测试的恒温水箱水温为65 ℃。实际测得两种方案下电机的温升情况如表3所示。无填充材料绕组温升54 ℃，填充导热硅脂后绕组温升47 ℃。可见，填充导热硅脂的绕组温度比无填充材料的绕组温度低7 ℃。

图7 无填充材料的

电机定子

图8 填充导热硅脂

材料的电机定子

表3 两种方案的实验测试数据与仿真结果

样机测试数据与仿真结果基本吻合，说明本文提出的冷却优化方案切实有效，采用的仿真方法准确可行，具有实际工程指导意义。

4 结 语

本文以一台65 kW，12 000 r/min高速永磁同步电机为例，运用CFD温度场仿真，分析了电机水冷结构的导热热阻对其散热的影响，并得出以下结论:

1) 在电机水套与定子间填充导热硅脂，比无任何填充材料的电机温升要低7 ℃左右，可以有效降低电机的热负荷，延长电机的使用寿命，提高电机的性能。

2) 通过CFD温度场仿真与实验对比，样机测试数据与仿真结果基本接近，因此本文的仿真方法是可行的、且具有较高的准确性，可以满足电机设计的工程需要，从而大大节约了电机设计时间及成本。