高速对转涵道风扇双驱动电机的热特性

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29048

流体力学与飞行力学

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高速对转涵道风扇双驱动电机的热特性

黄维康¹, 张卓然¹(), 达兴亚², 袁培博², 高华敏¹

^1.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016
^2.中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，绵阳 621000

收稿日期:2023-05-26 修回日期:2023-06-12 接受日期:2023-07-17 出版日期:2024-04-25 发布日期:2023-07-28
通讯作者: 张卓然 E-mail:apsc-zzr@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金“叶企孙”联合基金重点项目(U2141223)

Thermal characteristics of dual drive motors for high speed counter⁃rotating ducted fan

Weikang HUANG¹, Zhuoran ZHANG¹(), Xingya DA², Peibo YUAN², Huamin GAO¹

^1.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.High Speed Aerodynamics Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000，China

Received:2023-05-26 Revised:2023-06-12 Accepted:2023-07-17 Online:2024-04-25 Published:2023-07-28
Contact: Zhuoran ZHANG E-mail:apsc-zzr@nuaa.edu.cn
Supported by:
“Ye Qisun” Joint Foundation Project supported by the State Key Program of National Natural Science Foundation of China(U2141223)

摘要/Abstract

摘要：

提出一种适用于高速巡航的对转涵道风扇的双电机驱动架构，采用对转风扇-风扇-电机-电机（FFMM）的布局设计。在该驱动架构中，前后级驱动电机根据气动需求具有不同的功率和尺寸。FFMM布局的双电机驱动架构整体安装在涵道中心体内，有利于提高对转涵道风扇的气动性能，然而同一腔体内的双电机间存在热耦合和绕组间空腔的积温现象，难以判断风扇运行过程的电机温升情况和基于对转风扇气流的冷却效果。分析了所提FFMM布局的双电机驱动架构在不同工况下的电机损耗分布特性；探究了电机间热耦合对前后电机温升的影响，并对电机间积温空腔热网络模型进行优化；为平衡中心体内前后电机的温度分布，减少中心体结构轴向长度，采用环状导热片结构调节双电机间的热耦合程度，有效提高电机间积温空腔的散热性能并优化前后电机的温升分布。基于高速对转涵道风扇搭建实验平台并完成电磁与温升实验。实验结果与仿真结果一致，表明直接风冷条件下FFMM布局高速对转涵道风扇有着较强的散热能力，并且环状导热片对FFMM布局的中心体内部温度的分布有着更好的冷却效果。

关键词: 航空电推进, 电推进飞机, 对转涵道风扇, 驱动电机, 热分析

Abstract:

This article proposes a dual-motor drive architecture for a counter-rotating ducted fan for high speed cruise， with the Fan-Fan-Motor-Motor （FFMM） layout design， where the counter-rotating fan is forward， and the drive motors behind the fans. The front and rear motors have different powers and sizes according to the aerodynamic requirements. The dual motor drive frame with the FFMM layout is installed in the center of the ducted fan， conducive to improving the aerodynamic performance of the counter-rotating fans. However， thermal coupling exists between the two motors in the same space and the accumulation of temperature in the space between the windings， making it difficult to judge the motor temperature rise during fan operation and the cooling effect based on the counter-rotating fan airflow. In this article， we first analyze the motor loss distribution characteristics of the dual motor drive architecture with the proposed FFMM layout under different operating conditions； then we explore the influence of thermal coupling between motors on the temperature rise of the front and rear motors， and optimize the thermal network model of the accumulated temperature cavity between the motors. To balance the temperature distribution of the front and rear motors in the center body and reduce the axial length of the centrosome structure， an annular heat conduction sheet structure for adjusting the thermal coupling degree between the two motors has been proposed， which can effectively improve the heat dissipation performance of the thermal cavity between the motors and optimize the temperature rise distribution of the front and rear motors. Finally， an experimental platform is built based on the high-speed counter rotating ducted fan， and electromagnetic and temperature rise experiments are completed. The experimental results are consistent with those of the simulation， indicating that the FFMM high-speed counter-rotating fan has a strong heat dissipation capacity under the direct air-cooling condition， and the annular heat conducting fins have a better cooling effect on the temperature distribution in the centrosome of the FFMM layout.

Key words: aviation electric propulsion, electric propulsion aircraft, counter-rotating ducted fan, equivalent thermal network method, thermal analysis

中图分类号:

黄维康, 张卓然, 达兴亚, 袁培博, 高华敏. 高速对转涵道风扇双驱动电机的热特性[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 129048-129048.

Weikang HUANG, Zhuoran ZHANG, Xingya DA, Peibo YUAN, Huamin GAO. Thermal characteristics of dual drive motors for high speed counter⁃rotating ducted fan[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(8): 129048-129048.

图/表 30

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参考文献 24

1	WHEELER P， BOZHKO S. The More Electric Aircraft： Technology and challenges［J］. IEEE Electrification Magazine， 2014， 2（4）： 6-12.
2	NAMBA M. Unsteady aerodynamic response of oscillating supersonic annular cascades in counter rotationn［C］∥ Proceedings of the 37th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2001.
3	季路成，肖翔，陈江. 1+1/2对转涡轮设计及控制方法探索［J］. 工程热物理学报， 2004， 25（3）： 405-407.
	JI L C， XIAO X， CHEN J. Numerical investigations about the vaneless counter-rotating turbine for the cold-air test［J］. Journal of Engineering Thermophysics， 2004， 25（3）： 405-407 （in Chinese）.
4	杨琳，陈雷，孙海，等. 对转风扇设计技术研究［J］. 航空学报， 2014， 35（5）： 1226-1235.
	YANG L， CHEN L， SUN H， et al. Investigation of counter rotating fan design technology［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2014， 35（5）： 1226-1235 （in Chinese）.
5	KIRCHNER J. Aerodynamic design of an aspirated counter-rotating compressor［D］. Cambridge： Massachusetts Institute of Technology， 2002： 79-81.
6	OZHAMAM M， EYI S. Inverse design of compressor cascades on parallel computers［C］∥ Proceedings of the 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit. Reston： AIAA， 2002.
7	PEMPIE P， RUET L. Counter-rotating turbine designed for turbopump rocket engine［C］∥ Proceedings of the 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2003.
8	PONOMARIOV B A， SOTSENKO Y V. Using contra-rotating rotors for decreasing sizes and component number in small GTE［C］∥ Proceedings of ASME 1992 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. New York： American Society of Mechanical Engineers， 1992：92-GT-414.
9	SHIGEMITSU T， FUKUTOMI J， OKABE Y， et al. The study of performance and internal flow conditions of contra-rotating small-sized axial fan（fluids engineering）［J］. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers Series B， 2010， 76（771）： 1720-1726.
10	WANG C， HUANG L X. Passive noise reduction for a contrarotating fan［J］. Journal of Turbomachinery， 2015， 137（3）： 031007.
11	RAVELET F， BAKIR F， SARRAF C， et al. Experimental investigation on the effect of load distribution on the performances of a counter-rotating axial-flow fan［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 2018， 96： 101-110.
12	董剑宁，黄允凯，金龙，等. 高速永磁电机设计与分析技术综述［J］. 中国电机工程学报， 2014， 34（27）： 4640-4653.
	DONG J N， HUANG Y K， JIN L， et al. Review on high speed permanent magnet machines including design and analysis technologies［J］. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（27）： 4640-4653 （in Chinese）.
13	NACHOUANE A BEN， ABDELLI A， FRIEDRICH G， et al. Numerical study of convective heat transfer in the end regions of a totally enclosed permanent magnet synchronous machine［J］. IEEE Transactions on Industry Applications， 2017， 53（4）： 3538-3547.
14	NATEGH S， WALLMARK O， LEKSELL M， et al. Thermal analysis of a PMaSRM using partial FEA and lumped parameter modeling［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2012， 27（2）： 477-488.
15	BAO J， GYSEN B L J， BOYNOV K， et al. Torque ripple reduction for 12-stator/10-rotor-pole variable flux reluctance machines by rotor skewing or rotor teeth non-uniformity［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 2017， 53（11）： 8111405.
16	林明耀，乐伟，林克曼，等. 轴向永磁电机热设计及其研究发展综述［J］. 中国电机工程学报， 2021， 41（6）： 1914-1929.
	LIN M Y， LE W， LIN K M， et al. Overview on research and development of thermal design methods of axial flux permanent magnet machines［J］. Proceedings of the CSEE， 2021， 41（6）： 1914-1929 （in Chinese）.
17	BERTOTTI G. General properties of power losses in soft ferromagnetic materials［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 1988， 24（1）： 621-630.
18	张健，朱锡庆，张卓然，等. 电励磁双凸极无刷直流发电机热网络建模与热特性研究［J］. 中国电机工程学报， 2023， 43（1）： 318-329.
	ZHANG J， ZHU X Q， ZHANG Z R， et al. Thermal network modeling and thermal characteristics analysis of doubly salient brushless DC generator with stator field winding［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（1）： 318-329 （in Chinese）.
19	丁树业，郭保成，冯海军，等. 变频控制下永磁同步电机温度场分析［J］. 中国电机工程学报， 2014， 34（9）： 1368-1375.
	DING S Y， GUO B C， FENG H J， et al. Temperature field investigation of permanent magnet synchronous motors controlled by the frequency conversion control system［J］. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（9）： 1368-1375 （in Chinese）.
20	张新波，许承千. 电机三维温度场的综合分析［J］. 电工技术杂志， 2000， 19（3）： 4-6.
	ZHANG X B， XU C Q. The comprehensive analysis to the 3D temperature field of the electric motor［J］. Electrotechnical Journal， 2000， 19（3）： 4-6 （in Chinese）.
21	丁树业，孙兆琼，苗立杰，等. 永磁风力发电机流体流动及传热性能数值研究［J］. 电机与控制学报， 2012， 16（8）： 74-80.
	DING S Y， SUN Z Q， MIAO L J， et al. Numerical investigation of fluid flow and heat transfer performance for permanent magnet wind generator［J］. Electric Machines and Control， 2012， 16（8）： 74-80 （in Chinese）.
22	丁树业，孙兆琼，徐殿国，等. 3MW双馈风力发电机传热特性数值研究［J］. 中国电机工程学报， 2012， 32（3）： 137-143， 4.
	DING S Y， SUN Z Q， XU D G， et al. Numerical investigation of heat transfer for 3 MW doubly-fed wind generators［J］. Proceedings of the CSEE， 2012， 32（3）： 137-143， 4 （in Chinese）.
23	陈志刚. 等效热网络法和有限元法在电机三维温度场计算中的应用与比较［J］. 中小型电机， 1995， 22（1）： 3-6， 35.
	CHEN Z G. Application and comparison of equivalent thermal network method and finite element method in calculation of three-dimensional temperature field of motor［J］. S& M Electric Machines， 1995， 22（1）： 3-6， 35 （in Chinese）.
24	汪文博. 永磁同步电机的热路模型研究［D］. 杭州：浙江大学， 2014.
	WANG W B. Lumped-parameter thermal model analysis for PMSM［D］.Hangzhou： Zhejiang University， 2014 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	前置电机	后置电机
定子外径d_sO/mm	110	118
定子内径d_sI/mm	72	76
铁芯轴长l_ef/mm	65	45
绕组端部l_we/mm	26	28
气隙长度δ/mm	1	1
永磁体厚h_pm/mm	5	5
电流密度J/（A·mm^-2）	13.5	13.3
母线电压U/V	600	600
效率η/%	96.8	97.5
额定功率P/kW	45	35

部件	序号
中心体机壳	1，2，3，4，5，6，7，8，9
前置电机定子铁芯	11，12，13，14，15，16
前置电机绕组端部	17，21
前置电机槽内绕组	18，19，20
前置电机转子永磁体	22，23，24
前置电机转子轭部	25，26，27，28，29，30
前后空腔	52，54
转子间空腔	53
前置电机轴	56，57，58，59，60
整流罩	72，73，74
后置电机定子铁芯	31，32，33，34，35，36
后置电机绕组端部	37，41
后置电机槽内绕组	38，39，40
后置电机转子永磁体	42，43，44
后置电机转子轭部	45，46，47，48，49，50
绕组间空腔	51
轴承	55，61，67，71
后置电机轴	62，63，64，65，66，67，68，69，70

部件	导热系数/（W·℃^-1·m^-1）
绕组	径向	1.2
	切向	1.2
	轴向	360
铁芯	径向	48
	切向	48
	轴向	0.98
永磁体	10
灌封导热材料	2.1
静态空气（90 ℃）	0.028 6

对应区域	前置电机导热系数/（W·℃^-1·m^-1）			后置电机导热系数/（W·℃^-1·m^-1）
气隙内空气	5.354			5.226
与灌封材料接触的空腔空气	4.733			4.676
永磁体间空腔空气（按轴向分成3层计算）	5.568	4.798	4.013	3.987	4.732	5.479
永磁体间空腔空气（按轴向分成3层计算）	5.863	5.249	4.625	4.567	5.181	5.792

电机热耦合影响区域	前置电机温升/℃		后置电机温升/℃
电机热耦合影响区域	独立	耦合	独立	耦合
出线端端部	119.3	128.8	98.7	123.4
定子铁芯	100.2	111.6	92.9	109.3
转子铁芯	113.3	124.5	101.2	121.1

高速对转涵道风扇双驱动电机的热特性

Thermal characteristics of dual drive motors for high speed counter⁃rotating ducted fan

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电机组件	有环状导热片		无环状导热片
电机组件	前置电机	后置电机	前置电机	后置电机
铁芯轭部	32.40	33.9	33.35	32.90
铁芯齿部	42.71	37.73	44.28	37.82
槽内绕组	40.20	38.71	40.60	38.59
出线端	40.70	38.72	42.66	39.82
积温空腔	25.25		22.90

[1]	宋东彬, 闫炬壮, 杨文将, 白明亮, 刘汝婧, 王少鹏, 刘宇, 田爱梅. 面向电动航空的高温超导电机技术研究发展[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 27469-027469.
[2]	左彦飞, 吴易柳, 王杰, 冯坤, 江志农. 温致材料属性变化对发动机双转子系统动力特性的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 226993-226993.
[3]	高华敏, 张卓然, 王晨, 薛涵, 刘业. 电推进飞机新型高功率密度轴向磁场永磁电机对比与分析[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 325229-325229.
[4]	陆嘉伟, 张卓然, 李进才, 孔祥浩. 电推进飞机移相双绕组永磁电机特性分析[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 325230-325230.
[5]	田佳, 张靖周, 谭晓茗, 王元帅. 旋转爆震燃烧室梯度复合热防护结构热分析模型及验证[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 125271-125271.
[6]	赵陈伟, 毛军逵, 屠泽灿, 邱鹏霖. 纤维增韧陶瓷基复合材料热端部件的热分析方法现状和展望[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 24126-024126.
[7]	雷涛, 孔德林, 王润龙, 李伟林, 张晓斌. 分布式电推进飞机动力系统评估优化方法[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 624047-624047.
[8]	孔祥浩, 张卓然, 陆嘉伟, 李进才, 于立. 分布式电推进飞机电力系统研究综述[J]. 航空学报, 2018, 39(1): 21651-021651.
[9]	石友安, 贺立新, 邱波, 曾磊, 耿湘人, 魏东. 碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究[J]. 航空学报, 2016, 37(4): 1207-1217.
[10]	施红;宋保银;周雷;姚秋萍. 平流层飞艇的控制模式对其定点特性的影响[J]. 航空学报, 2009, 30(5): 800-805.
[11]	夏新林;艾青;任德鹏;李德富. 飞机整体瞬态热状况的数值仿真研究[J]. 航空学报, 2007, 28(3): 513-518.
[12]	王雷;李润东;李爱民;魏砾宏;冯磊. 军用航空有机玻璃热分析动力学研究[J]. 航空学报, 2005, 26(6): 783-786.
[13]	徐让书;张宝诚;牛玲;富丽新. 有限元传热分析中燃气辐射处理方法及其在飞机结构热分析中的应用[J]. 航空学报, 2003, 24(6): 512-516.
[14]	张永红;苏华;刘志全;沈允文. 行星齿轮传动系统的瞬态热分析[J]. 航空学报, 2000, 21(6): 542-544.
[15]	裘燮纲;余小章. 微引射防冰腔热力计算[J]. 航空学报, 1994, 15(9): 1110-1113.