来源 | EDC电驱未来
作者 | 骆苗,王洪武
摘 要:根据高功率密度电机装置结构类型,结合高空环境特点,采用FloEFD软件对某型号高空飞行器驱动电机的散热情况进行仿真分析,确保电机组件在高空环境下的可靠运行。
高功率密度电机的热量产生原因复杂,包括定子铜耗、定子铁耗、转子铁耗、机械损耗等。发热过度会导致磁钢局部失磁、铁心局部过热等影响安全性的因素,因此必须进行热仿真分析研究。通过FloEFD软件对电机进行热仿真分析,根据仿真结果优化电机结构,提高电机的散热能力,避免局部过热,这对延长电机寿命、提高电机可靠性、减轻冷却系统压力都有重要意义。
电机结构与热仿真建模
图1 电机三维结构图
本文采用三维热仿真软件FloEFD对电机散热情况进行仿真分析,仿真参数按照电机处于高空环境中的额定运行状态进行设定,通过分析比较仿真结果,对电机外壳散热筋的结构尺寸进行调整,进而不断优化电机组件的散热能力。
电机是由定转子、机壳、端盖等组成的复杂机械装配体,考虑到机械尺寸较小的零部件对电机温度影响较小,在进行热仿真分析时对其进行简化与忽略,以提高仿真分析的效率。本仿真对电机仿真模型进行了简化处理:忽略螺钉、垫片等零件;忽略倒角、退刀槽等;忽略辐射的影响;对定子绕组与冲片进行了等效处理,将其等效为均质材料。
通过电机电磁计算,该型号高空飞行器驱动电机在额定功率运行时发热量为1600 W,为简化模型,本仿真直接将定子齿设定为发热源,并定义发热量为1600W,对电机进行热仿真分析。
三维热场仿真
表1 电机热仿真六种工况
通过软件对电机模型进行简化、分解等系列处理,着重分析电机定子铁心、前端盖、以及后端盖温度,得出计算结果如下。
1)电机在地面运行时的分析结果
对不带散热器的电机与带散热器的电机2种情况进行热仿真分析。对几组不同散热筋尺寸的电机进行仿真,结合电机质量与体积的要求,确定散热筋的尺寸结构。
(a) 不带散热器的电机仿真结果
不带散热器的电机仿真结果如图2所示。
图2 不带散热器的电机温度分布曲线与云图
(b) 带散热器的电机仿真结果
由图2热仿真结果可以看出,不带散热器的电机散热效果差,定子温度达到了200℃以上。电机设计时磁钢、漆包线、绝缘材料等均按最高运行在150℃设计,该电机无法满足散热要求,因此需要通过热仿真设计一款合理的散热器。
通过对几组不同尺寸的散热器进行热仿真分析,确定电机前端盖加上长度为35mm的散热筋后,可以有效提高电机散热能力,且质量与体积都符合要求,电机温度分布曲线如图3所示,定子温度为99℃,前端盖温度为71℃,后端盖温度为65℃,达到了预期的散热要求。
图3 带散热器的电机温度分布曲线与云图
2)电机处于高度3km,风速5m/s时的运行分析结果
3km高度,5m/s风速下的电机温度分布曲线如图4所示。
图4 高度3km,风速5m/s时电机温度分布曲线与云图
3)电机处于高度3km,风速10m/s时的热仿真情况
3km高度,10m/s风速下的电机温度仿真结果如图5所示。
图5 高度3km,风速10m/s时电机温度分布曲线与云图
4)电机处于高度6km,风速5m/s的热仿真情况
6km高度,5m/s风速下的热仿真结果如图6所示。
图6 高度6km,风速5m/s时电机温度分布曲线与云图
5)电机处于高度6km,风速10m/s时的热仿真情况
6km高度,10m/s风速下的热仿真结果如图7所示。
图7 高度6km,风速10m/s时电机温度分布曲线与云图
6)电机处于高度6km,风速15m/s时的热仿真情况
6km高度,15m/s风速下的热仿真结果如图8所示。
图8 高度6km,风速15m/s时电机温度分布曲线与云图
对比图4~图8可以看出,当高空飞行器驱动电机位于同样高度,即环境温度与气压相同时,风速越高,越有利于电机散热,即定子温度与机壳温度都越低。而在同样的风速条件下,高度越高,越不利于电机散热,即定子温度与机壳温度都越高。
仿真结果分析
通过分析对比电机在6种工况下的热仿真温度分布曲线与云图,机壳与前后端盖的温度低于定子绕组的温度,待整体温度达到稳定状态后,定子温度、前端盖温度、后端盖温度如表2所示。
电机设计时磁钢、漆包线、绝缘材料等均按最高运行150℃设计,根据计算值留有设计余量,符合电机温升需求,满足电机稳定运行的要求。
表2 6种工况下电机定子、前端盖、后端盖温度表
结 语
本文利用FloEFD软件对某高空飞行器螺旋桨驱动电机进行了热仿真分析,根据仿真结果对电机结构进行了改进,优化了电机散热性能,为电机在不同环境下的稳定运行提供了有效的仿真数据,缩短了电机研制周期,降低了研发成本。
页面更新:2024-06-12
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