留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

船用电机散热系统的性能分析及评估

汪俊 王鸿东 王检耀 王健 梁晓锋 易宏

汪俊, 王鸿东, 王检耀, 等. 船用电机散热系统的性能分析及评估[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(5): 1–11 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02028
引用本文: 汪俊, 王鸿东, 王检耀, 等. 船用电机散热系统的性能分析及评估[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(5): 1–11 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02028
WANG J, WANG H D, WANG J Y, et al. Analysis and evaluation of marine motor cooling system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(5): 1–11 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02028
Citation: WANG J, WANG H D, WANG J Y, et al. Analysis and evaluation of marine motor cooling system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(5): 1–11 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02028

船用电机散热系统的性能分析及评估

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02028
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51909162)
详细信息
    作者简介:

    汪俊,男,1996年生,硕士生。研究方向:系统可靠性,船舶结构强度评估。E-mail:Wangjun1996@sjtu.edu.cn

    王鸿东,男,1989年生,博士,副研究员。研究方向:海洋装备系统开发与效能评估,基于海洋装备动力学特征的智能控制。E-mail:whd302@sjtu.edu.cn

    王健,男,1989年生,博士。研究方向:海洋无人装备自主航行控制。E-mail:nsms_sjtu@sjtu.edu.cn

    易宏,男,1962年生,博士,教授。研究方向:潜器与特种船舶开发,海上装置与系统开发设计,系统可靠性与人因工程。E-mail:yihong@sjtu.edu.cn

    通信作者:

    王健

  • 中图分类号: U665.11

Analysis and evaluation of marine motor cooling system

  • 摘要:   目的  散热系统的设计将直接影响船用电机的可靠性,需评估不同散热系统对电机各部件散热效果的影响。  方法  以某高功率密度船用电机为例,采用电子热仿真软件ANSYS Icepak建立电机整体模型,计算轴向水套、螺旋水套和环形水套3种典型散热系统的三维温度场,从部件散热效果、温度梯度等方面进行对比评估,并提出基于强迫风冷与水冷相结合的优化方案。  结果  计算结果表明,水冷系统解决了机壳和定子的散热问题,减小了轴向和环向的温度梯度,其中环形水套的冷却效果最优,但水冷系统对转子、电机端部的散热效果不佳;经优化后,转子温度和电机整体温度梯度实现了大幅下降。  结论  建议选择环形水套作为电机水冷系统,同时应考虑辅助散热系统来弥补水冷系统的缺陷。
  • 图  1  电机的物理模型

    Figure  1.  The physical model of motor

    图  2  水套的物理模型

    Figure  2.  The physical models of water jackets

    图  3  网格剖面图

    Figure  3.  Section view of the mesh

    图  4  网格质量

    Figure  4.  Quality of the mesh

    图  5  纵剖面的温度云图

    Figure  5.  Temperature contour of longitudinal section

    图  6  横剖面的温度云图

    Figure  6.  Temperature contours of the cross section

    图  7  水套的温度云图

    Figure  7.  Temperature contours of the water jackets

    图  8  转子的温度云图

    Figure  8.  Temperature contours of the rotor

    图  9  定子的温度云图

    Figure  9.  Temperature contour of the stator

    图  10  机壳的温度云图

    Figure  10.  Temperature contours of the casing

    图  11  横剖面的温度云图

    Figure  11.  Temperature contours of the cross section

    图  12  纵剖面的温度云图

    Figure  12.  Temperature contours of the longitudinal section

    图  13  定子温度云图

    Figure  13.  Temperature contours of the stator

    图  14  转子温度云图

    Figure  14.  Temperature contours of the rotor

    图  15  机壳温度云图

    Figure  15.  Temperature contours of the casing

    表  1  电机的基本设计参数

    Table  1.   Basic design parameters of motor

    参数 数值
    额定功率/ kW 15
    转子极数/个 4
    定子槽数/个 15
    转子外径/ mm 54
    定子外径/ mm 96
    永磁体厚度/ mm 4
    气隙厚度/ mm 3
    铁芯长度/ mm 100
    绕组长度/ mm 120
    机壳长度/ mm 265
    下载: 导出CSV

    表  2  电机的热损耗

    Table  2.   The thermal loss of motor

    电机部件 损耗/W
    定子绕组 750
    定子铁芯 250
    转子机械损耗 75
    下载: 导出CSV

    表  3  电机的导热系数

    Table  3.   The thermal conductivity of motor

    部件 导热系数/(W∙m−1∙K−1
    x方向 y方向 z方向(轴向)
    机壳 46 46 46
    定子绕组 380 380 380
    定子铁芯 46 46 5
    转子 46 46 5
    气隙 0.087 0.087 0.087
    永磁体 9 9 9
    下载: 导出CSV

    表  4  气隙处的对流散热系数

    Table  4.   Convective heat transfer coefficients at air gap

    表面 对流散热系数/(W∙m−2∙K−1
    转子外表面 77
    定子内表面 14.2
    下载: 导出CSV

    表  5  电机温度的试验值与仿真值对比

    Table  5.   Comparsion between the test values and the simulation values of the motor temperature

    电机部位 试验值
    T0/℃
    Icepak有限元仿真结果 热路法计算结果[16]
    T1/℃ T0
    偏差/%
    T2/℃ T0
    偏差/%
    绕组端部 137.8 140.1 −1.7 132.4 3.9
    机壳出水口 68 70.2 −3.2 66 2.9
    下载: 导出CSV

    表  6  各部件的最高温度及位置

    Table  6.   Extreme temperatures and positions of each component

    水套形式 水套 转子 定子 机壳
    最高温度/℃ 位置 最高温度/℃ 位置 最高温度/℃ 位置 最高温度/℃ 位置
    轴向 37.9 出口 74.9 中部 39.8 环向靠近水道出口处 48.9 端部中央
    螺旋 36.5 出口 74.5 中部 38.3 轴向靠近水道出口处 48.8 端部中央
    环形 36 出口 74.1 中部 38.4 轴向靠近水道出口处 48.5 端部中央
    下载: 导出CSV

    表  7  不同水套形式的散热效果评价

    Table  7.   Evaluation of heat dissipation effect of different water jacket forms

    散热效果
    评价条目
    水套形式
    轴向 螺旋 环形
    机壳冷却 ★★ ★★★
    定子冷却 ★★ ★★
    转子冷却
    轴向温度梯度 ★★
    环向温度梯度 ★★ ★★★
    径向温度梯度
    总分 ★×7 ★×9 ★×11
    下载: 导出CSV

    表  8  3种水冷系统方案的最高温度及下降值对比

    Table  8.   Comparison of extreme temperatures and decrease values for three schemes of water-cooling system

    冷却系统 转子 定子 机壳
    最高温度/℃ 温度下降值/℃ 最高温度/℃ 温度下降值/℃ 最高温度/℃ 温度下降值/℃
    环形水套(原始方案) 74.1 38.4 48.5
    方案1 34.8 39.3 35 3.4 34.4 14.1
    方案2 34.7 39.4 34.9 3.5 34.3 14.2
    下载: 导出CSV
  • [1] 宋吉, 邓先明, 王瑞鲜. 基于ANSYS的电励磁同步电机温度场分析[J]. 微电机, 2012, 45(4): 15–17, 40. doi: 10.3969/j.issn.1001-6848.2012.04.004

    SONG J, DENG X M, WANG R X. Analysis of temperature field for electrically excited synchronous motor based on ANSYS[J]. Micromotors, 2012, 45(4): 15–17, 40 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-6848.2012.04.004
    [2] STREIBL B, NEUDORFER H. Investigating the air flow rate of self-ventilated traction motors by means of computational fluid dynamics[C]//Proceedings of International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. Pisa, Italy: IEEE, 2010: 736-739.
    [3] SALIBA A, MICALLEF C. Investigating the cooling performance of the end region of a small totally enclosed fan cooled (TEFC) induction motor[C]//Proceedings of the 5th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives. Brighton, UK: IEEE, 2010: 1-6.
    [4] 王艳武, 孙斌, 王斌, 等. 三相异步电机三维瞬态温度场仿真研究[J]. 红外技术, 2011, 33(7): 416–419. doi: 10.3969/j.issn.1001-8891.2011.07.009

    WANG Y W, SUN B, WANG B, et al. Numerical study on 3D transient thermal field of squirrel-cage induction motor[J]. Infrared Technology, 2011, 33(7): 416–419 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-8891.2011.07.009
    [5] 王晓远, 高鹏. 电动汽车用油内冷永磁轮毂电机三维温度场分析[J]. 电机与控制学报, 2016, 20(3): 37–42.

    WANG X Y, GAO P. Analysis of 3-D temperature field of in-wheel motor with inner-oil cooling for electric vehicle[J]. Electric Machines and Control, 2016, 20(3): 37–42 (in Chinese).
    [6] CHIN Y K, NORDLUND E, STATON D A. Thermal analysis-lumped-circuit model and finite element analysis[C]//Proceedings of the 6th International Power Engineering Conference (IPEC). Singapore: Nanyang Technological University, 2003.
    [7] 杨松, 柳长江. 基于fluent的大中型永磁电机端部流场和温度场计算[J]. 船电技术, 2009, 29(10): 25–28. doi: 10.3969/j.issn.1003-4862.2009.10.006

    YANG S, LIU C J. Fluid and temperature field calculation of stator winding end in Large and middle size permanent motor by fluent[J]. Marine Electric & Electronic Technology, 2009, 29(10): 25–28 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1003-4862.2009.10.006
    [8] 路玲, 龚智强, 汪缤缤. 冷却水速度对不同水道电机温升的影响研究[J]. 新余学院学报, 2020, 25(1): 32–38. doi: 10.3969/j.issn.2095-3054.2020.01.008

    LU L, GONG Z Q, WANG B B. Study on the effects of cooling water velocity on the temperature rise of motor with different waterways[J]. Journal of Xinyu College, 2020, 25(1): 32–38 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.2095-3054.2020.01.008
    [9] 李翠萍, 管正伟, 丁秀翠, 等. 电动汽车用电机冷却系统设计及发展综述[J]. 微特电机, 2019, 47(1): 82–86. doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2019.01.019

    LI C P, GUAN Z W, DING X C, et al. Design and development of motor cooling system for electric vehicles[J]. Small & Special Electrical Machines, 2019, 47(1): 82–86 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2019.01.019
    [10] 李航, 余龙. 船用螺旋桨及桨后发电机设计可行性研究[J]. 中国舰船研究, 2018, 13(2): 110–115. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2018.02.015

    LI H, YU L. Feasibility research for design of marine propellers and energy recovery turbines[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2018, 13(2): 110–115 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2018.02.015
    [11] 连军强, 孙宏坤. 基于PSO算法的船用永磁电机齿槽转矩优化[J]. 中国舰船研究, 2014, 9(3): 123–128. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2014.03.020

    LIAN J Q, SUN H K. Cogging torque parameter optimization of permanent magnet motors for ships based on PSO[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2014, 9(3): 123–128 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2014.03.020
    [12] 蔡清男, 朱志宇. 改进效率控制推进电机的优化分析[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(6): 120–126, 140. doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.018

    CAI Q N, ZHU Z Y. Optimization analysis of propulsion motor control efficiency[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2017, 12(6): 120–126, 140 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.06.018
    [13] 胡萌. 船用高功率密度永磁发电机的温度场研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2014.

    HU M. Temperature field of marine high power density permanent magnet generator[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2014 (in Chinese).
    [14] 刘云飞. 电动汽车用高功率密度电机散热分析[D]. 天津: 天津大学, 2013.

    LIU Y F. Cooling system analysis of high power density motor in electric vehicle[D]. Tianjin: Tianjin University, 2013 (in Chinese).
    [15] 魏永田, 孟大伟, 温嘉斌. 电机内热交换[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998: 37–41.

    WEI Y T, MENG D W, WEN J B. Heat exchange in motor[M]. Beijing: China Machine Press, 1998: 37–41 (in Chinese).
    [16] 王晓远, 杜静娟. CFD分析车用电机螺旋水路的散热特性[J]. 电工技术学报, 2018, 33(4): 955–963.

    WANG X Y, DU J J. CFD analysis of heat transfer characterization in spiral channel cooling for permanent magnet electric machine in EVs[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(4): 955–963 (in Chinese).
    [17] 李昕涛, 丁彬城, 贾田雨, 等. 电动汽车用直驱永磁轮毂电机三维温度场分析[J]. 微特电机, 2017, 45(5): 45–48, 58. doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2017.05.014

    LI X T, DING B C, JIA T Y, et al. Analysis of 3-D temperature field direct drive permanent magnet wheel motor for electric vehicle[J]. Small & Special Electrical Machines, 2017, 45(5): 45–48, 58 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1004-7018.2017.05.014
    [18] 佟文明, 程雪斌, 舒圣浪. 高速永磁电机流体场与温度场的计算分析[J]. 电工电能新技术, 2016, 35(5): 23–28. doi: 10.3969/j.issn.1003-3076.2016.05.005

    TONG W M, CHENG X B, SHU S L. Calculation and analysis of fluid field and temperature field for high-speed permanent magnet motor[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2016, 35(5): 23–28 (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1003-3076.2016.05.005
  • 加载中
图(15) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  31
  • HTML全文浏览量:  15
  • PDF下载量:  2
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-08
  • 修回日期:  2020-09-08
  • 网络出版日期:  2021-08-19

目录

    /

    返回文章
    返回