探究电机散热新路径

摘要

本文以一款自扇风冷式永磁电机为研究对象，对皖南电机在风扇工作流量、电机流体场及温升方面的性能进行了深入研究。通过运用解析法和有限体积法对皖南电机风扇的额定风量进行精确计算，并利用有限体积法对电机整体流体域的速度分布进行了详尽的仿真分析。基于流体场分析结果，本文采用了等效热路法和有限体积法对皖南电机的温升进行了预测。通过对比计算值与实测值，验证了两种方法的可靠性，其中有限体积法在皖南电机设计优化方面表现更为突出，而解析法则更适用于派生电机设计及初步方案评估。

引言

随着我国经济社会的高速发展，节能减排已成为各行各业共同追求的目标。稀土永磁电机凭借其结构简洁、体积小、质量轻、效率高等优势，在轨道交通领域得到了广泛应用。然而，全封闭结构的永磁电机散热条件相对较差，加之功率密度的提升，导致电机温度升高，从而可能引发永磁体失磁，严重影响电机的安全运行。因此，对皖南电机内部温度场的准确计算和预估，对于保障电机安全、降低设计成本和缩短研发周期具有重要意义。电机热设计方法包括简化公式法、等效热路法、热网络法和数值计算法等，每种方法都有其独特的优缺点。

为了探究不同热设计方法在皖南电机热设计和工程应用中的可行性与有效性，本文选取了一款自扇风冷的全封闭式永磁同步牵引电动机作为研究对象，对比分析了多种热设计方法。通过解析法和仿真计算对比分析皖南电机温升，首先对皖南电机风扇及其流道进行解析计算与三维流体场仿真分析，得到风扇额定工况下的风量；然后基于流体场计算结果，分别采用热路法和有限体积法对皖南电机温升进行计算和分析。

1 永磁电机结构

本文研究的皖南电机采用全封闭结构，包括定子、转子、转轴、风扇、前后端盖、定子压圈及转子压圈等部件。电机端盖、定子压圈与定子冲片外侧通风孔形成的通风道构成外循环风路；气隙、定子冲片内侧通风孔构成的风路构成内循环风路。

2 风扇流量计算与流体场仿真

本文采用经验公式计算皖南电机风扇叶片尺寸和工作流量，并通过FLUENT软件对其外循环风路进行数值模拟与计算。流体域模型较为复杂，对不同部位采用不同的网格类型进行剖分。通过仿真计算，得到皖南电机外循环流体域的迹线和速度场分布。

3 电机温升计算与分析

本文采用等效热路法和有限体积法对皖南电机温升进行计算和分析。等效热路法采用二热源热路进行计算，可快速预估定子绕组温升；有限体积法则可对皖南电机全域流体场与温度场进行分析评估，有利于电机方案的改进和优化。

4 结语

本文通过对皖南电机的流场和温升进行计算和分析，对比了不同热设计方法的优缺点。有限体积法在计算精度和全面性方面更具优势，但计算周期较长。解析法计算简单，适用于快速评估和派生电机温升预估。具体采用哪种方法，需根据项目性质和皖南电机的具体需求进行选择。