高功率密度电机的热仿真剖析

依据高功率密度电机装置结构类型，分离高空环境特性，采用FloEFD软件对某型号高空飞行器驱动电机的散热状况中止仿真剖析，确保电机组件在高空环境下的牢靠运转。

高功率密度电机的热量产生缘由复杂，包含定子铜耗、定子铁耗、转子铁耗、机械损耗等。发热过度会招致磁钢部分失磁、死心部分过热等影响保险性的要素，因而必须中止热仿真剖析研讨。经过FloEFD软件对电机中止热仿真剖析，依据仿真结果优化电机结构，进步电机的散热才干，避免部分过热，这对延长电机寿命、进步电机牢靠性、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坚持良好的驱动控制才干。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请求，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，具有良好的散热才干。应用Inventor软件中止电机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对电机散热状况中止仿真剖析，仿真参数依照电机处于高空环境中的额定运转状态中止设定，经过剖析比较仿真结果，对电机外壳散热筋的结构尺寸中止调整，进而不时优化电机组件的散热才干。

电机是由定转子、机壳、端盖等组成的复杂机械装配体，思索到机械尺寸较小的零部件对电机温度影响较小，在中止热仿真剖析时对其中止简化与疏忽，以进步仿真剖析的效率。本仿真对电机仿真模型中止了简化处置：疏忽螺钉、垫片等零件；疏忽倒角、退刀槽等；疏忽辐射的影响；对定子绕组与冲片中止了等效处置，将其等效为均质资料。

经过电机电磁计算，该型号高空飞行器驱动电机在额定功率运转时发热量为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，对电机中止热仿真剖析。

2三维热场仿真

针对高空环境下电机周围实践的气压、温度、风速等环境要素，项目组分离北京航空航天大学特种电机研讨中心中止电机实践运转环境的仿真剖析，依据对方给出数据，项目组选择6组相对有代表性的环境要素对该电机中止热剖析计算，6种环境工况如表1所示。

表1 电机热仿真六种工况

经过软件对电机模型中止简化、合成等系列处置，着重剖析电机定子死心、前端盖、以及后端盖温度，得出计算结果如下。

1)电机在空中运转时的剖析结果

对不带散热器的电机与带散热器的电机2种状况中止热仿真剖析。对几组不同散热筋尺寸的电机中止仿真，分离电机质量与体积的请求，肯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散布曲线与云图

(b) 带散热器的电机仿真结果

由图2热仿真结果能够看出，不带散热器的电机散热效果差，定子温度抵达了200 ℃以上。电机设计时磁钢、漆包线、绝缘资料等均按最高运转在150 ℃设计，该电机无法满足散热请求，因而需求经过热仿真设计一款合理的散热器。

经过对几组不同尺寸的散热器中止热仿真剖析，肯定电机前端盖加上长度为35 mm的散热筋后，能够有效进步电机散热才干，且质量与体积都契合请求，电机温度散布曲线如图3所示，定子温度为99 ℃，前端盖温度为71 ℃，后端盖温度为65 ℃，抵达了预期的散热请求。

图3 带散热器的电机温度散布曲线与云图

2)电机处于高度3 km，风速5 m/s时的运转剖析结果

3 km高度，5 m/s风速下的电机温度散布曲线如图4所示。

图4 高度3 km，风速5 m/s时电机温度散布曲线与云图

3)电机处于高度3 km,风速10 m/s时的热仿真状况

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时电机温度散布曲线与云图

4)电机处于高度6 km,风速5 m/s的热仿真状况

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时电机温度散布曲线与云图

5)电机处于高度6 km,风速10 m/s时的热仿真状况

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时电机温度散布曲线与云图

6)电机处于高度6 km,风速15 m/s时的热仿真状况

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时电机温度散布曲线与云图

对比图4～图8能够看出，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仿真结果剖析

经过剖析对比电机在6种工况下的热仿真温度散布曲线与云图，机壳与前后端盖的温度低于定子绕组的温度，待整体温度抵达稳定状态后，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、绝缘资料等均按最高运转150 ℃设计，依据计算值留有设计余量，契合电机温升需求，满足电机稳定运转的请求。

表2 6种工况下电机定子、前端盖、后端盖温度表

4结 语

本文应用FloEFD软件对某高空飞行器螺旋桨驱动电机中止了热仿真剖析，依据仿真结果对电机结构中止了改进，优化了电机散热性能，为电机在不同环境下的稳定运转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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