外转子低速永磁电机的水冷结构设计与分析

摘要

【目的】随着电机能效等级要求的逐步提高，外转子低速永磁电机因其具有转矩密度高、高效节能等优点被广泛应用于工业领域。为满足工业领域的重载启动和长时间低速重载运行的工况需求，外转子低速永磁电机设计正向提高电机转矩密度的方向发展。相应地，由电机的高转矩密度导致的高发热量问题成为研究重点。【方法】针对外转子低速永磁电机在大负荷作业条件下的高温升问题，建立外转子低速永磁电机物理模型，计算电机的损耗分布情况。首先，基于计算流体力学的基本理论，根据外转子低速永磁电机的热源分布情况，结合电机的结构特点，在定子支架中靠近定子铁心内表面处设计安装轴向和周向Z字型水冷结构，并在电机底部建立冷却水进出口仿真计算模型，通过Fluent软件对两种水冷结构的流场和温度场进行模拟分析，确定周向Z字型水冷设计结构更合适。其次，利用流体流动与传热相耦合的计算方法，在Fluent软件中分析安装周向Z字型且具有9条水道的水冷结构的电机温度场，通过永磁体和绝缘的最高温度验证水冷结构是否满足外转子低速永磁电机的散热要求。最后，基于理论分析确定了影响水冷结构散热效果的因素包括水道数目、冷却水流速、水道截面径向宽度，通过Fluent软件研究不同因素对电机温升的影响规律。【结果】结果表明，周向Z字型水冷结构的流速分布更均匀，进出口压差更小，更适合做外转子低速永磁电机的水冷结构；随着水道数目、冷却水流速和水道截面径向宽度的增加，水冷结构的散热效果增强，但三者分别增加到一定数值后，电机温度趋于稳定；基于分析结果确定水道数目为7条，水道径向宽度为17 mm,冷却水流速为0.5 m/s的水冷结构为最终设计。【结论】研究结果可为大负荷工作环境下外转子低速永磁电机水冷却系统的应用和研究提供一定的理论依据。

关键词

外转子 / 低速 / 永磁电机 / 温度场 / 流体场 / 水冷结构 / 周向Z字型结构 / 计算流体力学