高功率密度电机的热仿真分析

作者：骆 苗，王洪武丨中国电子科技集团 

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。

1 电机结构与热仿真建模

永磁同步电机及其驱动组件系统作为高空飞行器的主要动力元件，必须使飞行器在不同温度、气压及风力环境下均能保持良好的驱动控制能力。以某型号高空飞行器螺旋桨驱动电机为例，将电机与减速器实行一体化设计，以满足电机高功率密度的要求，并且合理地设计电机的外形结构尺寸，确保电机在高空低温低气压的条件下，具有良好的散热能力。利用Inventor软件进行电机3D建模，其结构如图1所示，此结构为经FloEFD热仿真软件优化后的电机结构。

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1 600 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1 600 W，对电机进行热仿真分析。

2 三维热场仿真

针对高空环境下电机周围实际的气压、温度、风速等环境因素，项目组联合北京航空航天大学特种电机研究中心进行电机实际运行环境的仿真分析，根据对方给出数据，项目组选择6组相对有代表性的环境因素对该电机进行热分析计算，6种环境工况如表1所示。

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35 mm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3 km，风速5 m/s时的运行分析结果

3 km高度，5 m/s风速下的电机温度分布曲线如图4所示。

图4 高度3 km，风速5 m/s时电机温度分布曲线与云图

3)电机处于高度3 km,风速10 m/s时的热仿真情况

3 km高度，10 m/s风速下的电机温度仿真结果如图5所示。

图5 高度3 km,风速10 m/s时电机温度分布曲线与云图

4)电机处于高度6 km,风速5 m/s的热仿真情况

6 km高度，5 m/s风速下的热仿真结果如图6所示。

图6 高度6 km,风速5 m/s时电机温度分布曲线与云图

5)电机处于高度6 km,风速10 m/s时的热仿真情况

6 km高度，10 m/s风速下的热仿真结果如图7所示。

图7 高度6 km,风速10 m/s时电机温度分布曲线与云图

6)电机处于高度6 km,风速15 m/s时的热仿真情况

6 km高度，15 m/s风速下的热仿真结果如图8所示。

图8 高度6 km,风速15 m/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。

3 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

4 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。

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