周 璞，钟 焱，戴学昌，章 艺，吴伟亮

(1.中船重工集团第七〇四研究所，上海 200031；2.上海交通大学，上海 200240)

音圈电机的自然对流冷却

周 璞1，钟 焱1，戴学昌1，章 艺1，吴伟亮2

(1.中船重工集团第七〇四研究所，上海 200031；2.上海交通大学，上海 200240)

音圈电机具有体积小、重量轻、速度和加速度响应迅速、力学特性均匀等优良特性，被广泛应用在各类伺服控制系统中。由于音圈电机结构紧凑， 导致散热难度加大，在特殊情况下冷却成为制约降低成本、提高寿命的重要因素。以某伺服系统中自然冷却方式音圈电机为对象，以流-固热耦合方法对采用空气和油为冷却媒介时电机内部共轭传热过程进行了分析研究。结果表明，油冷却媒可以显著降低电机内部温度，该种冷却方式对降低电机制造成本、提高寿命，增强控制系统可靠性是有利的。

音圈电机；电机冷却；共轭传热；自然对流换热

0 引 言

音圈电机具有体积小、重量轻、速度和加速度响应迅速、力学特性均匀等诸多优点，在电子系统、光学仪器、医疗器械、工业控制、航空航天等需要精密定位和控制的领域被广泛应用。

定、转子工作时的铜耗、铁耗及风耗使电机零部件内部产生热量，导致电机的温度升高，如果温升较大，则电机须采用耐温能力高的材料，这一方面增加电机成本，另一方面也影响到电机使用寿命。传统大功率电机中线圈和磁铁中的散热问题已成为制约性能提高的重要因素之一，是电机设计中必须考虑的问题。文献[1]结合试验方法对大型汽轮机发电机定子的温度场进行了计算，分析了蒸发冷却技术在大型电站发电机中应用的可行性；通过建立高压异步电机三维模型[2]，对电机定、转子温度场进行了计算，并进行了实验对比。文献[3]采用流固热耦合方法，对水轮发电机风冷系统散热及转子温度场进行了分析计算。近年来永磁材料的发展为新型永磁电机提供了普及条件，也成为现代电机技术发展的重点[4]，与传统电机相比，永磁电机结构更趋于紧凑，这进一步增加了电机内部零件散热困难，因此永磁电机散热构成了近年来电机冷却研究的热点。NergJ.[5]对径流磁通高功率密度电机进行了热分析；文献[6]对高速永磁电机内的各种损耗进行了计算，并对流体和固体的温度场进行了计算和试验研究；文献[7]对高空特殊环境下高速永磁电机的冷却进行了分析。

应用于控制系统中的音圈电机功率较小，通常条件下热问题不是影响电机性能的主要因素，所以音圈电机中不采用特别的冷却措施，仅靠简单的自然对流即可满足散热需要，相应的研究工作也很少。但由于音圈电机结构紧凑，使得内部部件间隙非常小，冷却媒介流动阻力大，因而造成散热难度大。在一些特殊情况下，如音圈电机需要频繁动作、环境温度高、负载大且工作时间长时，会导致电机内线圈或永磁体温度异常升高，不但影响电机正常工作和寿命，甚至引发事故。对于这类用途的音圈电机，必须考虑其散热结构，保证设备安全。

本文以长时间工作于较高负荷和环境温度下、采用自然对流冷却的音圈电机为例，分别对空气和冷却油作为冷媒介质时电机的冷却效果进行了模拟计算，给出了两种冷媒对部件、特别是永磁体部分冷却的效果，传热计算结果可为电机的设计、制造和运行提供参考数据。

1 研究对象

本文研究对象为采用自然对流冷却的音圈电机，电机剖面结构如图1所示。音圈电机封装在腔室内，基于应用目的封装体上有橡胶减震圈；音圈电机中线圈与移动载荷相连，钕铁硼永磁体安装在动线圈间，其间留有一定的间隙，防止运动时发生摩擦或碰撞。封闭腔室侧壁面和电机线圈安装环上都有提供冷媒流通孔，通过冷媒流动将线圈、永磁体上产生的热量传递出去，达到冷却电机的目的。本文通过模拟计算，分析分别采用空气和冷却液冷媒(变压器油)介质时电机的冷却性能，为电机的设计和运行提供依据。

图1 音圈电机剖面结构

1.1 物理方程和耦合物理量处理

电机冷却涉及电磁学、流体力学、传热学等诸多学科理论。由于电机内部流体、固体材料物理特性参数与温度有关，且不同材料界面(固-固、固-流)上的温度事先未知，因此电机中电磁、流动、热传导等物理量求解属于典型的多学科耦合问题。为了保证模拟结果准确性，理论上应对上述物理量同步进行求解。

对于正常工作的电机，在其工作温度范围内，电机内各种材料的电(磁)导率等与电磁发热功率有关物性参数变化不大，且与冷却媒介流动过程无关，这些参数能够按常数处理。这样，电机零部件发热功率量可以独立于冷却计算独立进行，在其后实施电机冷却计算时将零部件发热功率以热强度载荷加载到对应零件上。电机中冷媒介质通过自然对流在其零部件间隙中流动，由温度引起的冷媒密度差为流动唯一驱动力，而冷媒温度则由固体零部件发热功率及其分布和流动过程共同决定，这是典型的耦合问题。对于这类共轭传热问题，基于计算准确性考虑，只能采用流体-固体热耦合求解方法。

对电磁方程进行单独求解，而流动与热传导方程耦合求解在简化计算过程、降低计算费用的同时，也保证了计算准确性。

根据电机理论，电机内部热量主要来自于铁耗和铜耗，铁耗与磁通密度B和铁心/磁体相对速度v有关，根据经验本文中电机铁耗如下计算：

(1)

铜耗：

(2)

式中：I为流过电机绕组的电流;R为电机绕线电阻。

电机正常工作时内部温度不超过200℃，辐射传热完全可以忽略，计算中仅需考虑热传导和对流。此时空气对应的流体方程包括连续方程、动量方程和能量方程：

(3)

(4)

(5)

式中：ρf为冷媒流体密度；ui为流体速度；μ为黏度；Fi为对应xi坐标方向上的质量力分量，此处仅有重力作用；Tf为流体温度；λf为空气导热系数；Qf为流体内热源强度，此处Qf=0。下标i,j=1,2,3，其中j服从爱因斯坦求和运算符规则。

对于固体内部热传导，控制方程：

(6)

式中：λs为固体零部件对应材料的导热系数；ρs为相应材料密度；Ts为固体材料温度；c为固体材料比热容；Qs为各零部件发热功率。由于对象电机内有不同的材料，固体传热计算时按对应的材料选取物性参数。

由于固体内各点速度为0，因此式(6)左边对温度的偏导可以用全导替代，即：

(7)

这样式(7)与式(5)具有相同的形式，流-固热耦合方程可以采用同一求解器计算，当求解域位于固体内部时，强制速度为0即可。

综上所述，进行电机冷却计算时电磁发热率采用非耦合方法直接计算，流-固热耦合则基于物理方程耦合求解。采用这样的处理方法，在计算难度和计算准确性间取得较好平衡。

1.2 计算模型

电机零部件表面结构形式多样，流体在这些表面的换热系数难以用公式准确给定；且封装体上的冷媒流体的进出孔上的流量、温度等物理量也无法事先确定。为了解决该问题，几何建模时拓展音圈电机封装体的外围空间，用一足够大的足够大的圆柱体空间包围电机，为了降低计算工作量，模型仅包含上述几何体的1/4，根据对称性质截面处采用对称边界处理。计算几何模型如图2所示。

图2 计算模型几何空间

如此创建的计算空间，将电机周围的冷媒流体也包含在计算中，将扩展后的空间外围看作无穷远边界，这样就完全解决冷媒自然对流流量以及各固体表面上的对流换热系数问题。试算结果表明，在3个方向上扩展大于电机相应尺寸的5倍时，封装体表明温度、进出封装体冷媒流量的计算就可以得到稳定结果。

本文研究对象网格划分中难度主要表现在尺度上。根据设计，线圈——永磁体间冷媒流动间隙仅为0.7mm，而封装体尺度达600mm，差异如此之大的尺度，网格总数成为限制计算能否实施的关键。通过控制网格划分参数，保证在冷媒流动间隙中至少保证4层网格，由于音圈电机内部冷媒属于自然对流状态，流动完全处在层流状态。考虑到整个模型的计算规模，该网格密度尚可接受。计算表明该网格密度可以达到5.0×10-3的收敛精度。

1.3 定解条件

按照音圈电机电磁设计和计算，在其最高工况下主要发热部件为永磁体，功率为180W，线圈发热功率为7.5W。

求解时物性参数按照实际情况给定：冷媒介质参数分别设定为空气和冷却油；电机零部件分别用对应的材料物性参数给定。

在拓展的几何区域外围边界，冷媒流体设定为无穷远边界条件，此处温度边界按照音圈电机工作环境设定为50℃；参考压力设定为0.1MPa。

根据线圈和永磁体体积，及相应铁耗和铜耗计算出它们单位体积发热强度并加载到对应零件固体域上。

求解器采用ANSYS公司的CFX计算模块。

2 计算结果及讨论

2.1 空气冷媒

对以空气为冷媒介质的音圈电机冷却进行了模拟，图3给出了电机固体零部件部分温度及其分布。从中可以看出，温度最高区域集中在永磁体部分，最高温度达196.7℃，线圈温度也较高，总体温度在170℃左右；封装体温度分布规律如下：其下端温度较高，上部温度低，特别是在上部段边沿外围区域，其温度与环境温度差别不大。

(a) 电机固体零件表面温度分布

(b) 电机中间截面固体温度分布

该电机采用了动音圈结构，音圈与周围结构件紧密相连，热量可以很好地通过自身和与其相连的部件表面传递到冷媒中，且其散热强度也很低，因而线圈温度较低。而永磁体部分则为独立悬臂结构，仅在上部与其它零件连接，与线圈相比能够借助于其他部件散热的能力弱，形成了电机中温度最高的部件。

由于工作时线圈，特别是永磁体温度与其制造成本、寿命和运行可靠性密切相关[8-9]，按照上述模拟结果，这两个部件上如此高的温度会给实际生产中带来很多问题，因此有必要采取其他必要措施。

空气导热系数小、比热容低，作为冷媒冷却能力有限，液态冷媒的导热系数、比热容都远高于空气，采用液态冷媒是解决该电机遇到问题的一种自然选择。

2.2 冷却油冷媒

采用与上述计算完全相同的网格，以冷却油替代计算模型中冷却媒质对电机冷却进行了重新计算，计算中线圈和永磁体的发热强度、拓展几何体的流体边界温度和流体域参考压力均保持不变，电机固体零部件部分温度及其分布如图4所示。

(a) 电机固体零件表面温度分布

(b) 电机中间截面固体温度分布

从计算结果可以看出，当电机采用冷却油作为冷媒介质时，相同负荷条件下电机内最高温度显著下降，永磁体上最高温度为57.4℃，线圈上的温度在55.1℃，因此采用冷却油冷媒介质后，电机冷却性能可以得到大幅提高，完全满足实际使用要求。

2.3 讨论

鉴于音圈电机结构和使用特点，通常情况下对其进行强制对流冷却，不但结构复杂，还可能给控制系统引入电磁干扰信号。由于自然冷却不需要附加其他通风设备，简便易行，对冷却要求较低的音圈电机是种理想选择。

从上面计算可以看出，对于本文研究对象，当以空气作为冷媒时电机最高温度出现在永磁体上，数值达196.7℃，远高于电机所用钕铁硼永磁体的许用温度，需要选用成本高的高温永磁材料。而采用冷却油作为冷媒后，电机最高温度点的位置未变，但降至57.4 ℃，且包含电机封装体的温度都不高。

从传热角度而言，液体冷却油自然对流换热能力远高于空气，因而用冷却油替代空气作为冷媒介质后，可以显著降低音圈电机内部温度。另外从自然对流换热基本要求出发，在电机内部和封装体上冷媒孔也是必要的。自然对流冷却是通过加热冷媒流体在其内部产生温度差，并导致密度产生差异。在重力和密度差共同作用下流体发生流动，增强热量的传递，因此为了提高传热效果，冷媒流体需要一个通常的流动通道。因此，电机底部冷媒孔(参见图1)是冷媒从底部流入永磁体所在空间、带走热量的便利通道，对提高自然对流冷却效果、降低永磁体温度起到了很大作用。

3 结 语

本文以采用自然对流冷却的某音圈电机为例，采用流-固热耦合求解方法计算了空气和冷却油冷媒对电机的冷却效果，并分析了电机内部结构对冷却的影响，可得出如下结论：

1) 对于采用自然对流冷却的音圈电机，工作时最高温度出现在永磁体上。在最大工况下工作时，以空气为冷媒最高温度可达196.7℃，这对电机成本、使用寿命和工作安全性都提出了挑战。

2) 用冷却油替代空气作为冷媒后，可以显著降低音圈电机永磁体上的温度，在现有技术条件下，该冷却方法完全可以满足电机在运行中的冷却要求。

3) 基于自然对流冷却原理，进行自然对流冷却电机时，结构设计时须预留合理的冷媒流通通道。

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StudyonNaturalConvectionCoolingforVoiceCoilMotor

ZHOU Pu1,ZHONG Yan1,DAI Xue-chang1,ZHANG Yi1,WU Wei-liang2

(1.No.704ResearchInstitute,CSIC,Shanghai200031,China;2.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Withsmallsize,lightweight,rapidresponsetospeedandaccelerationtheseadvantages,thevoicecoilmotorsarewidelyusedinavarietyoftheservo-controlsystem.Becauseofthecompactstructureofthevoicecoilmotor,itismoredifficultforitscooling.Coolingtechniquesbecomethekeyrestrainingfactorforreducingproductioncostandincreasingtheservicelifeofthemotoratsomespecialconditions.Basedonthefluid-solidheatcoupledmethod,itwasinvestigatedtheconjugateheattransferinavoicecoilmotor,whichiscooledbyair/oilnatural-convectionheattransfer.Itwasindicatedthatthemaximumtemperatureinthemotorcanbesignificantreducedbytakingtheoilasthecoolingmedium.Itwillbebenefitedfromusingoilascoolingmediumtheproductioncosttoreduceandlifetoincreaseaswellasreliabilitytoimproveforvoicecoilmotor.

voicecoilmotor;electricmotorcooling;conjugateheattransfer;natural-convectionheattransfer

2016-07-09

TM

A

1004-7018(2017)01-0026-04