﻿ 水下航行器低速大功率无刷直流电机强制冷却研究
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (6): 128-133 PDF

Research on forced cooling of low speed and high power brushless DC motor for underwater vehicle
FU Pan, WANG Jian-ping
Kunming Branch of the 705 Research Institute of CSIC, Kunming 650032, China
Abstract: The underwater vehicle propulsion motor is limited by the space volume during continuous operation with low speed and high torque, causing the motor body temperature to rise, permanent magnet work performance decreased, the stator copper consumption increases, motor efficiency is reduced. Thereby affecting its operational performance and reliability, so it must be forced to cool. In this paper, the mathematical model of high power brushless DC motor is established, the use of motor-CAD software on the two cooling medium EWG50/50 (Ethylene glycol and water each 50% mixture)、DB-10 (Transformer oil), the steady-state temperature field under different cooling flow conditions is studied, and the cooling effect is compared and analyzed, which provides the basis for the forced cooling of the motor.
Key words: temperature field     brushless DC motor     forced cooing     motor-CAD
0 引　言

1 电机关键性能参数及几何模型的建立：

 图 1 电机径向结构 Fig. 1 Radial structure of motor

 图 2 电机轴向结构 Fig. 2 Axial structure of motor

2 传热理论及初始，边界条件设定 2.1 传热理论

 $q_n^{''} = - k\frac{{\partial T}}{{\partial n}}\text{。}$ (1)

 $q_n^{''} = h\left( {{T_s} - {T_\infty }} \right)\text{。}$ (2)

Pi为电机每个节点的损耗，C为热导，即热阻的倒数， $C = \displaystyle\frac{1}{{{R_t}}}$ Cijij不同节点之间的热导，Ti为节点温度。则电机的稳态热平衡方程所示。

 ${ P} = { C} { T} \text{。}$ (3)

 图 3 电机等效热网络图 Fig. 3 Equivalent thermal network diagram of motor
2.2 初始，边界条件

1）对应于表面保持固定温度Ts的情况；

2）表面恒定热流密度 $q_n^{''}$

3）在表面上存在对流冷却或加热。

 $- k\frac{{\partial T}}{{\partial n}} = h\left( {T - {T_\infty }} \right)\text{，}$ (4)

 ${{\mathop{Re}\nolimits} _D} = \frac{{\rho {U_m}D}}{\mu }\text{，}$ (5)

 ${{\mathop{Re}\nolimits} _{Dc}} \approx 2300\text{。}$ (6)

1）对于管内充分发展的层流，对流换热系数h

 $h = \frac{{N{u_D}}}{D}k,$ (7)

2）管内充分发展的湍流（冷却情况，忽略管道内摩擦）：

 $N{u_D} = 0.023{\mathop{Re}\nolimits} _D^{4/5}{Pr ^n}\text{，}$ (8)
 $Pr = \frac{{\mu {C_p}}}{k}\text{。}$ (9)

3）电机两端面与20 ℃空气接触自然对流，此时空气热导率查表得为0.024 W/（m·k）。

3 损耗计算 3.1 铁损，铜损，永磁体涡流损耗

1）铁损：定子铁心损耗是由于气隙磁场的交变产生的损耗，目前对这一损耗的求解主流是采用基于Bertotti铁耗分离模型，主要由磁滞损耗，涡流损耗、异常损耗3部分组成。Bertotti铁耗分离模型[6]的计算公式：

 $\begin{split}& d\left( {{P_{fe}}} \right) = {k_f}\left[{k_h}B_m^2f + \frac{{\sigma {{\left( {\pi d} \right)}^2}}}{6}{{\left( {{B_m}f} \right)}^2} + \right.\\ &\left.8.67*{k_e}{{\left( {{B_m}f} \right)}^{1.5}} \right]\text{。}\end{split}$ (10)

2）铜损：铜损耗主要是由于定子绕组中通过电流时产生的损耗，由于采用逆变器两相导通，所以 ${P_{cu}} = 2{I^2}R$ ，其中 $R = \displaystyle\frac{{\rho L}}{S}$ 。式中：ρ为铜的电阻率，与温度有关， $\rho = {\rho _0}\left( {1 + \alpha t} \right)$ ρ0为0 ℃的电阻率，Ω·m；α为电阻率温度系数；t为温度，℃；L为导线长度，m；S为横截面积，m2

3）永磁体涡流损耗：永磁体的涡流损耗主要由气隙谐波磁势[7]产生。

 ${P_m} = \mathop \smallint \nolimits {J^2}/\sigma {\rm d}V\text{。}$ (11)

3.2 磁热互耦初始损耗值计算

3.3 接触热阻设定

4 温度场求解

4.1 不同冷却介质温度场

 图 4 机壳螺旋水道 Fig. 4 Spiral channel of casing

 图 5 介质为EGW50/50时径向和轴向温度分布 Fig. 5 Radial and axial temperature distributions when the medium is EGW50/50

 图 6 介质为DB-10时径向和轴向温度分布 Fig. 6 Radial and axial temperature distributions when the medium is DB-10

4.2 冷却介质不同流量温度场

 图 7 流量为0.6 L/s时径向和轴向温度分布 Fig. 7 Radial and axial temperature distributions at flow rates of 0.6 L/s

 图 8 流量为1.5 L/s时径向和轴向温度分布 Fig. 8 Radial and axial temperature distributions at flow rates of 1.5 L/s

4.3 不同电流密度温度场

 图 9 电流密度8.7 A/mm2时径向和轴向温度分布 Fig. 9 Radial and axial temperature distributions at current density 8.7 A/mm2

 图 10 电流密度4.7 A/mm2时径向和轴向温度分布 Fig. 10 Radial and axial temperature distributions at current density 4.7 A/mm2

5 结果分析

5.1 不同冷却介质温度场分析

5.2 冷却介质不同流量温度场分析

5.3 不同电流密度温度场分析

6 结　语

 [1] (美)乌曼(Umans, S.)著; 刘新正, 苏少平, 高琳译. 电机学: 第7版[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014. 10. [2] 杜国华, 房建成, 刘西全, 等. 高速永磁无刷直流电机的热分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2012, 38(8): 1101–1105. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-BJHK201208023.htm [3] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机的原理和设计[M]. 北京: 科学出版社, 2007. [4] 叶雪荣, 苏博男, 由佳欣, 等. 基于有限元法的永磁直流电机三维稳态温度场分析[J]. 机电原件, 2012, 32(2). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jidyj201202010 [5] (美)英克鲁佩勒(Incropera, F. P.)等著; 葛新石, 叶宏译. 传热和传质基本原理: 第六版[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007. 4. [6] KAIS A, DAVID H, PHILIP H M, et al. Rotor loss in permanent-magnet brushless AC machines[C]// IEEE Ttansactions on Industry Applications. 2000, 36(6): 1612–1618. [7] ZHU Z Q, HOWE D. BIRCH T S. Calculation of winding inductances of brushless motors with surface-mounted permanent magnet[C]//IEE, EMD97.