基于Flow Simulation的开启式电机散热结构优化设计研究

本文以开启式IP21四级电机为研究对象，针对如何提高该电机散热能力的问题，在Solidworks中建立开启式电机模型并在Flow Simulation中对电机进行流体仿真，通过正交试验设计，将电机外壳的散热孔数量、位置和电机的风扇叶片半径作为正交试验因素，以流体仿真得到的电机外壳的温度为试验指标对电机的散热结构进行优化。研究结果表明在电机外壳的散热孔数量为22个、散热孔位置为上部与中部(平均分布)、风扇叶片半径为69 mm的组合下电机外壳的温度最低，电机外壳温度为43.18℃。

电机常用的散热系统为风冷散热系统、液冷散热系统和蒸发冷却散热系统。其中风冷散热系统相较于其他散热系统而言，因其具有可靠性高、成本低廉和散热装置安装简便等优点被广泛应用于小功率电机[1]。开启式电机的散热系统多采用强迫风冷散热系统，利用电机内部额外的风扇系统提高了电机的散热效率。

开启式电机的电机外壳和前后端盖都留有散热孔，散热孔可以将电机内部的风路与电机外部的风路接通，外部空气可以通过散热孔进入到电机内部进行热交换[2]。电机运行时将产生各种损耗，这些损耗转产生的热量使电机各部件发热，电机内部的温升升高[3]。如果开启式电机的散热结构设计不当会造成电机内部温升升高，电机内部温升过高除了会减少电机内部绝缘材料的使用寿命，而且还会降低电机的工作效率，使得电机内部温升继续升高，造成电机的工作温度进一步上升，形成恶性循环，严重影响电机寿命和电机运行的安全性[2] [4]。

许多专家学者对开启式电机的散热已经有了比较广泛的研究。NODA 等[5]设计了一款应用于车辆上的开启式电机，此电机采用风冷散热系统且在电机前端留有大量的散热孔。KIM 等[6]提出了一种应用于开启式电机的热网络模型，通过该模型计算得到的开启式电机在风冷散热系统下的电机定子温度与实际的电机定子温度的误差小于2℃。NAKAHAMA 等[7]针对车用开启式电机，提出了在风冷散热系统下的电机定子铁心外部与内部双冷却的散热方案。

本文以开启式IP21 四级电机为研究对象，运用流体仿真软件Flow Simulation，以提高电机散热能力为研究目标，基于正交试验法对开启式电机散热结构进行优化设计，选取电机的外壳散热孔数量，散热孔位置以及电机内部风扇叶片半径作为试验因素，在Flow Simulation 中仿真模拟不同组合下的电机外壳温度，根据正交试验的极差分析来确定散热孔数量、散热孔位置、风扇叶片半径大小的最优组合方案。

2. 正交试验设计方案 正交试验设计因素以及正交表的选取 本次正交试验选取3 个试验因素，即风扇叶片半径A，外壳散热孔开孔数量B，外壳散热孔开孔位置(平均分布) C，每个因素都取三个水平，如表1 所示。本次的正交试验设计的目的是寻找电机风扇叶片