航空動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)演進(jìn)始終圍繞效率提升、重量減輕與可靠性增強(qiáng)三大核心目標(biāo)展開。傳統(tǒng)機(jī)械式燃油泵依賴發(fā)動(dòng)機(jī)通過齒輪、軸等機(jī)械結(jié)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)，其供油特性固定，難以實(shí)現(xiàn)全飛行包線內(nèi)的精細(xì)化燃油管理。隨著多電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的興起，電動(dòng)燃油泵憑借其卓越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、精確的控制精度以及顯著的系統(tǒng)集成優(yōu)勢(shì)，正逐步成為新一代飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的核心選擇。

一、電動(dòng)燃油泵技術(shù)發(fā)展背景與趨勢(shì)

電動(dòng)燃油泵本質(zhì)上是一個(gè)將電能高效轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油進(jìn)行增壓和精準(zhǔn)輸送的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)。其核心組成包括高效永磁電機(jī)、精密泵體單元、智能電子控制器及熱管理系統(tǒng)。外部電能輸入后，驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電機(jī)通過聯(lián)軸器或直接驅(qū)動(dòng)泵體單元運(yùn)轉(zhuǎn)，將機(jī)械能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為燃油的壓力能和動(dòng)能；集成于系統(tǒng)中的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力、溫度、流量等狀態(tài)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)反饋至智能電子控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油流量與壓力的動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制。

從市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)來看，電動(dòng)燃油泵及其核心驅(qū)動(dòng)部件正迎來快速增長(zhǎng)期。據(jù)恒州誠(chéng)思調(diào)研統(tǒng)計(jì)，2025年全球油冷電機(jī)電動(dòng)油泵收入規(guī)模約13.76億元，到2032年收入規(guī)模將接近72.43億元，2026-2032年復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)26.9%。這一增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)主要由新能源汽車、無人機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器以及下一代民用客機(jī)的技術(shù)需求驅(qū)動(dòng)。尤其是在低空經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，各類無人機(jī)和eVTOL飛行器對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)特性、高功率密度和輕量化提出了前所未有的嚴(yán)苛要求。

1.1 高能量密度電機(jī)散熱系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

電動(dòng)燃油泵的發(fā)展方向是高功率、小型化、輕量化，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量密度要求越來越高。與普通電機(jī)相比，高能量密度電機(jī)單位體積內(nèi)的發(fā)熱量更大，有效散熱空間卻嚴(yán)重不足。電機(jī)溫升過高不僅會(huì)降低運(yùn)行效率，影響工作穩(wěn)定性，甚至?xí)s短電機(jī)使用壽命，造成絕緣老化、永磁體退磁等不可逆損傷。因此，電動(dòng)燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的熱管理已成為制約其功率密度提升的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

電機(jī)的散熱方式主要包括風(fēng)冷、液冷、蒸發(fā)冷卻和額外熱路增強(qiáng)型散熱四大類。在選取散熱系統(tǒng)時(shí)，需要綜合考慮電機(jī)的發(fā)熱功率、工作環(huán)境、成本、維護(hù)方便性和可靠性等多種因素。風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但散熱效率有限，難以滿足高功率密度電機(jī)的散熱需求。液冷散熱方式具有極高的散熱效率，非常適用于高能量密度電機(jī)的散熱系統(tǒng)。根據(jù)冷卻介質(zhì)與電機(jī)部件的接觸方式，液冷又可分為間接冷卻和直接冷卻兩類。間接冷卻中，冷卻液在殼體水道或冷卻套內(nèi)流動(dòng)，通過導(dǎo)熱和對(duì)流換熱帶走定子鐵芯和繞組的熱量；直接冷卻則允許冷卻液與電機(jī)發(fā)熱部件直接接觸，散熱效率更高。

研究表明，直接油冷由于冷卻液可以與定子表面直接接觸，冷卻效率顯著高于間接油冷。Davin等以潤(rùn)滑油為冷卻液對(duì)電機(jī)進(jìn)行直接冷卻，發(fā)現(xiàn)冷卻油流量對(duì)整體冷卻性能影響極大，而轉(zhuǎn)速僅對(duì)電機(jī)局部溫度有影響。Park等通過試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，開發(fā)了一種電機(jī)噴油冷卻通道并取得了較好的冷卻效果。對(duì)于航空電動(dòng)燃油泵而言，其獨(dú)特之處在于冷卻介質(zhì)即為燃油本身，這不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免了額外冷卻液體的引入，也帶來了一系列新的科學(xué)問題和工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

1.2 浸油冷卻技術(shù)的研究意義

浸油冷卻是將電機(jī)部分或全部浸入冷卻介質(zhì)中，利用介質(zhì)與發(fā)熱部件的直接接觸實(shí)現(xiàn)高效熱量傳遞的技術(shù)方案。對(duì)于電動(dòng)燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，燃油由進(jìn)口流入，經(jīng)定轉(zhuǎn)子間隙及定子外表面凹槽流過，最終由出口流出，從而帶走電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的浸油冷卻。這種冷卻方式具有多重優(yōu)勢(shì)：一是省去了獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)回路，簡(jiǎn)化了整體結(jié)構(gòu)；二是燃油具有較好的絕緣性能和熱物理特性，適合與帶電部件直接接觸；三是燃油流經(jīng)電機(jī)內(nèi)部各流道，能夠?qū)@組端部、定子齒槽等局部熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)冷卻。

然而，浸油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)。首先，冷卻流道的幾何構(gòu)型直接影響流場(chǎng)分布和換熱效果，需要在壓降損失與散熱性能之間尋求平衡；其次，轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用，定轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)的流動(dòng)特性極為復(fù)雜；再次，電機(jī)各部件材料的熱物性差異顯著，繞組絕緣層導(dǎo)熱性能差，容易形成局部高溫區(qū)域；最后，燃油的粘度隨溫度變化，進(jìn)而影響流動(dòng)特性和換熱能力，形成流-熱耦合的復(fù)雜物理過程。

近年來，基于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）的流固耦合傳熱模擬已成為電機(jī)熱分析的重要手段。Ponomarev等采用CFD方法對(duì)電機(jī)內(nèi)部冷卻液流動(dòng)進(jìn)行仿真分析，但未充分考慮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響。魏仁鳳等針對(duì)航空電動(dòng)燃油泵的發(fā)熱問題，分別設(shè)計(jì)了螺旋型冷卻殼體和"S"型冷卻殼體，并基于流固耦合數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析，表明雙螺旋冷卻殼體可使電機(jī)溫度分布更均勻，而"S"型冷卻殼體的冷卻效果隨隔板數(shù)增加而增強(qiáng)，但燃油的壓力損失也隨之增大。金雯等采用有限元流體計(jì)算軟件，對(duì)航空泵用浸油電機(jī)的前軸瓦和氣隙內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，得到流道的粘性損耗值。

綜上所述，開展電動(dòng)燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)浸油冷卻性能的數(shù)值模擬研究，對(duì)于揭示內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律、評(píng)估關(guān)鍵參數(shù)影響機(jī)制、優(yōu)化冷卻流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文基于CFD方法，選用對(duì)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)計(jì)算精度較高的RNG k-ε湍流模型和旋轉(zhuǎn)壁面邊界條件，對(duì)電動(dòng)燃油泵電機(jī)浸油冷卻流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)研究冷卻流量、燃油粘度、進(jìn)口溫度及環(huán)境溫度等因素對(duì)電機(jī)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，為電機(jī)的試制和改進(jìn)提供理論參考。

二、燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)核心構(gòu)造與浸油冷卻原理

2.1 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成

本文所研究的電動(dòng)燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括電機(jī)殼體、定子鐵芯、繞組線圈、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸等核心部件。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，槽內(nèi)嵌裝三相繞組線圈；轉(zhuǎn)子采用永磁體結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)軸固連；電機(jī)殼體不僅起到機(jī)械支撐和保護(hù)作用，同時(shí)也是冷卻流道的重要組成部分。

定轉(zhuǎn)子之間的氣隙是電機(jī)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域，其尺寸設(shè)計(jì)需要在電磁性能與冷卻效果之間進(jìn)行權(quán)衡。氣隙過小會(huì)增加機(jī)械摩擦風(fēng)險(xiǎn)，過大則會(huì)降低電磁轉(zhuǎn)換效率。在浸油冷卻結(jié)構(gòu)中，定轉(zhuǎn)子間隙同時(shí)承擔(dān)冷卻流道的功能，燃油流經(jīng)此區(qū)域時(shí)與轉(zhuǎn)子外表面和定子內(nèi)表面直接接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子與定子齒部的冷卻。定子外表面設(shè)計(jì)有軸向凹槽流道，與殼體形成封閉的冷卻通道，用于冷卻定子鐵芯背部。

電機(jī)殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，包含進(jìn)口腔室、出口腔室以及連接定子外表面凹槽的環(huán)形流道。燃油由進(jìn)口流入后，經(jīng)分流結(jié)構(gòu)分別進(jìn)入定轉(zhuǎn)子間隙和定子外表面凹槽，兩股流體在出口端匯合后流出電機(jī)。這種并聯(lián)流道布置既保證了轉(zhuǎn)子區(qū)域的充分冷卻，又避免了對(duì)主流通路的過度阻塞。

2.2 浸油冷卻工作原理與流道設(shè)計(jì)

浸油冷卻的核心在于利用燃油與電機(jī)發(fā)熱部件直接接觸，通過對(duì)流換熱將熱量迅速帶走。燃油由進(jìn)口流入電機(jī)，經(jīng)定轉(zhuǎn)子間隙及定子外表面凹槽流過，最終由出口流出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電機(jī)的冷卻。

從流動(dòng)路徑分析，冷卻燃油在進(jìn)口處首先進(jìn)入環(huán)形分配腔，隨后分為兩路：一路經(jīng)由定轉(zhuǎn)子之間的環(huán)形間隙流過，與轉(zhuǎn)子外表面和定子內(nèi)圓表面進(jìn)行對(duì)流換熱；另一路流經(jīng)定子外表面的軸向凹槽，冷卻定子鐵芯背部。兩股流體在出口端匯合，經(jīng)出口腔室流出電機(jī)。這種并聯(lián)流道設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

第一，充分利用了電機(jī)內(nèi)部現(xiàn)有空間。定轉(zhuǎn)子間隙是電機(jī)固有結(jié)構(gòu)，將其作為冷卻流道無需額外增加體積；定子外表面凹槽通過在殼體與定子之間形成通道，同樣不增加徑向尺寸。

第二，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主要熱源的全方位覆蓋。繞組線圈產(chǎn)生的熱量通過定子齒部傳遞至定子內(nèi)圓表面，由間隙流道中的燃油帶走；定子鐵芯背部熱量由凹槽流道中的燃油直接吸收；轉(zhuǎn)子熱量通過外表面與燃油的對(duì)流換熱散發(fā)。

第三，并聯(lián)流道可根據(jù)各區(qū)域熱負(fù)荷差異進(jìn)行流量分配優(yōu)化。通過調(diào)整凹槽的截面積和數(shù)量，可改變兩路流道的流動(dòng)阻力特性，使更多的冷卻燃油流經(jīng)熱負(fù)荷更高的區(qū)域。

2.3 幾何模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分策略

為了在保證計(jì)算精度的前提下減少計(jì)算量，需要對(duì)電機(jī)模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化。具體簡(jiǎn)化內(nèi)容包括：忽略電機(jī)外殼復(fù)雜的局部幾何結(jié)構(gòu)，如安裝耳座、接線盒、加強(qiáng)筋等；不考慮軸承、端蓋等結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響；簡(jiǎn)化繞組端部結(jié)構(gòu)，忽略導(dǎo)線之間的微小間隙，將繞組整體處理為具有等效導(dǎo)熱系數(shù)的發(fā)熱體；忽略倒角、圓角等對(duì)流動(dòng)影響較小的幾何特征。

由于電機(jī)部件較多且局部結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行全局網(wǎng)格劃分。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜幾何邊界，避免結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在復(fù)雜區(qū)域可能出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變問題。為了增加模擬計(jì)算的精度，采用局部尺寸控制函數(shù)對(duì)流體與固體間的壁面及定轉(zhuǎn)子間隙流道進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。邊界層網(wǎng)格的處理尤為關(guān)鍵，在流體與固體交界處生成多層棱柱層網(wǎng)格，以準(zhǔn)確捕捉近壁面處的速度梯度和溫度梯度。

不同幾何結(jié)構(gòu)之間共享拓?fù)?，使得交界面網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)，確保熱量和動(dòng)量在流固交界面的準(zhǔn)確傳遞。這種處理方法避免了非一致網(wǎng)格插值引入的數(shù)值誤差，提高了耦合計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。

為了進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，按一定比例逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，監(jiān)測(cè)關(guān)鍵位置的流速和溫度計(jì)算結(jié)果。當(dāng)計(jì)算結(jié)果波動(dòng)較小時(shí)，可認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)滿足求解要求。最終確定網(wǎng)格數(shù)量507.1萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)85.7萬，網(wǎng)格平均質(zhì)量0.83。這一網(wǎng)格規(guī)模在保證計(jì)算精度的同時(shí)，也兼顧了計(jì)算資源的合理使用。

三、電機(jī)熱負(fù)荷數(shù)值分析

3.1 熱源分析

電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的熱負(fù)荷全部源于各類損耗，主要包括繞組銅耗、鐵芯損耗、機(jī)械損耗、雜散損耗等，其中前三種損耗占比最大，其他可忽略。準(zhǔn)確計(jì)算各類損耗是進(jìn)行溫度場(chǎng)分析的前提。

繞組銅耗是電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流通過繞組導(dǎo)線產(chǎn)生的焦耳熱損耗。對(duì)于永磁同步電機(jī)，銅耗主要存在于定子繞組上。根據(jù)焦耳-楞次定律，銅耗與電流的平方成正比，與繞組的電阻值成正比。電阻值隨溫度升高而增大，因此銅耗與溫度之間存在耦合關(guān)系。在數(shù)值模擬中，通常根據(jù)額定工況下的電流密度和繞組銅的體積，計(jì)算得到平均體生熱率作為熱源輸入。

鐵芯損耗包括磁滯損耗和渦流損耗兩部分，發(fā)生在定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯中。磁滯損耗與磁場(chǎng)交變頻率和磁通密度有關(guān)，渦流損耗則與頻率平方和磁通密度平方成正比。定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，片間絕緣可有效減小渦流損耗。鐵芯損耗的精確計(jì)算需要考慮電磁場(chǎng)分布的非均勻性，通常采用電磁場(chǎng)有限元分析獲得損耗密度分布，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算平均損耗密度。

機(jī)械損耗主要包括軸承摩擦損耗和轉(zhuǎn)子與冷卻介質(zhì)之間的風(fēng)摩損耗。在浸油冷卻結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子在燃油中旋轉(zhuǎn)，流體摩擦損耗不可忽略。這部分損耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比，與燃油粘度和轉(zhuǎn)子表面積有關(guān)。金雯等的研究表明，可通過CFD計(jì)算得到流道的粘性損耗值。

雜散損耗是指除上述三類損耗以外的其他損耗，如負(fù)載時(shí)漏磁場(chǎng)在結(jié)構(gòu)件中引起的渦流損耗等。這部分損耗通常較小，在工程計(jì)算中可忽略或按經(jīng)驗(yàn)比例估算。

3.2 材料熱物理特性

電機(jī)由多種材料制成，不同材料有著不同的比熱容和熱導(dǎo)率，材料的物理特性對(duì)冷卻流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布有著重要影響。準(zhǔn)確設(shè)置材料屬性是獲得可靠溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)。

定子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，這種層狀結(jié)構(gòu)使其導(dǎo)熱性能呈現(xiàn)各向異性。沿疊片方向的導(dǎo)熱系數(shù)（軸向）主要取決于硅鋼本身的熱導(dǎo)率和片間絕緣層的熱阻，通常較低；垂直于疊片方向的導(dǎo)熱系數(shù)（徑向）則較高，由硅鋼片直接傳導(dǎo)。研究中需要根據(jù)硅鋼的材料參數(shù)和疊壓系數(shù)分別確定徑向?qū)嵯禂?shù)與軸向?qū)嵯禂?shù)。

定子槽的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由銅線、槽絕緣層、絕緣漆、槽楔等多種材料構(gòu)成。銅繞組本身的導(dǎo)熱系數(shù)很高，但導(dǎo)線表面涂覆的絕緣層和浸漬漆的熱導(dǎo)率極低，形成顯著的導(dǎo)熱瓶頸。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常將整個(gè)槽內(nèi)區(qū)域處理為等效均勻介質(zhì)，采用等效導(dǎo)熱系數(shù)來代替銅繞組絕緣層的綜合導(dǎo)熱效果。等效導(dǎo)熱系數(shù)的確定方法包括并聯(lián)模型、串聯(lián)模型或更復(fù)雜的復(fù)合介質(zhì)導(dǎo)熱模型。

轉(zhuǎn)子通常由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸組成。永磁材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，且對(duì)溫度敏感，溫度過高會(huì)導(dǎo)致不可逆退磁。因此，轉(zhuǎn)子區(qū)域的溫度計(jì)算尤為重要。殼體材料一般為鋁合金或鑄鐵，導(dǎo)熱系數(shù)較高，有利于將定子鐵芯的熱量傳遞至冷卻燃油或通過外殼表面散發(fā)至環(huán)境中。

冷卻介質(zhì)為航空燃油，其密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度均隨溫度變化。其中，粘度對(duì)溫度最為敏感，溫度升高時(shí)粘度顯著下降，影響流動(dòng)阻力和對(duì)流換熱系數(shù)。在數(shù)值模擬中應(yīng)考慮燃油物性的溫度依賴性，以提高計(jì)算精度。

3.3 基本假設(shè)與邊界條件

為了建立可求解的數(shù)學(xué)模型，需要基于物理實(shí)際做出合理假設(shè)并設(shè)置適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。

基本假設(shè)包括：（1）繞組、鐵芯、轉(zhuǎn)子為發(fā)熱部件，發(fā)熱形式設(shè)置為體生熱率，即假設(shè)損耗均勻分布于各部件體積內(nèi)；（2）存在接觸換熱的部件間接觸面設(shè)置為耦合換熱面，并且假設(shè)各接觸面光滑平整，接觸熱阻忽略不計(jì)；（3）假設(shè)電機(jī)殼體與外界空氣的換熱形式為自然對(duì)流換熱，并且輻射換熱折算成對(duì)流換熱，殼體與環(huán)境換熱系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值22 W/(m2·K）；（4）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流，燃油為不可壓縮牛頓流體。

邊界條件設(shè)置：（1）采用壓力進(jìn)口邊界，進(jìn)口壓力為300 kPa；（2）出口為質(zhì)量流出口，質(zhì)量流量由不同工況下的體積流量換算得到；（3）考慮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對(duì)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響，將轉(zhuǎn)子外表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速確定；（4）湍流模型選擇對(duì)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)計(jì)算精度較高的RNG k-ε模型。RNG模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基礎(chǔ)上考慮了旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的影響，通過修正湍流粘度項(xiàng)，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)強(qiáng)旋流場(chǎng)中的湍流特性。

四、仿真結(jié)果分析與討論

4.1 冷卻流場(chǎng)特性分析

通過對(duì)電機(jī)冷卻流場(chǎng)的速度矢量及壓力分布分析，可以獲得流動(dòng)規(guī)律和阻力特性的深入認(rèn)識(shí)。計(jì)算結(jié)果表明，流道進(jìn)口速度為4.1 m/s，出口速度為5.6 m/s。出口速度高于進(jìn)口速度，這是由于流通截面積的變化所致。

電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得冷卻燃油獲得較高的周向速度，尤其是定轉(zhuǎn)子間隙內(nèi)的流場(chǎng)受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的影響極為顯著。沿徑向的速度梯度極大，靠近轉(zhuǎn)子外表面處的流速達(dá)32.5 m/s，約等于轉(zhuǎn)子外表面線速度。這種強(qiáng)剪切流動(dòng)一方面增強(qiáng)了近壁面處的對(duì)流換熱，另一方面也增加了流體的粘性耗散，導(dǎo)致壓力損失增大。遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子表面處，流速迅速降低，在定子齒槽內(nèi)速度達(dá)到最低。這種速度分布特征決定了換熱系數(shù)的空間不均勻性：轉(zhuǎn)子表面換熱強(qiáng)烈，而定子齒槽底部可能形成流動(dòng)滯止區(qū)，換熱較弱。

沿軸向方向，受流體粘性作用的影響，流道中心區(qū)域軸向流速最高，壁面附近軸向流速較低。這種速度分布符合管內(nèi)層流或湍流流動(dòng)的一般規(guī)律。定轉(zhuǎn)子間隙流道與定子外表面凹槽流道的平均軸向流速分別為3.51 m/s和2.74 m/s。間隙流道流速更高，主要由于該區(qū)域流動(dòng)截面積較小，且受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)作用。

內(nèi)外流道的質(zhì)量流量分別為0.995 kg/s和0.12 kg/s，各占總流量的89.2%和10.8%?？梢姶蟛糠掷鋮s燃油經(jīng)由定轉(zhuǎn)子間隙流過，這與該流道流通截面積較大且受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)推動(dòng)有關(guān)。然而，繞組線圈的主要熱負(fù)荷需要通過定子齒部傳遞至內(nèi)圓表面后才能由間隙流道中的燃油帶走，而凹槽流道中的燃油則直接冷卻定子鐵芯背部，兩者在換熱路徑上存在差異。這種流量分配比例是否最優(yōu)，需要結(jié)合溫度場(chǎng)分析結(jié)果綜合判斷。

為避免流道出口壓力過低造成齒輪泵發(fā)生空化、氣蝕等問題，需要研究冷卻流場(chǎng)的壓力分布及進(jìn)出口壓力損失。沿著冷卻燃油流動(dòng)方向，流場(chǎng)壓力逐步降低，出口平均壓力為255 kPa，壓力損失為45.1 kPa。壓力損失較大的位置為間隙流道以及進(jìn)出口突擴(kuò)處。突擴(kuò)結(jié)構(gòu)引起的局部損失占總損失的相當(dāng)比例，這為流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方向。

4.2 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響

冷卻流量由齒輪燃油泵的流量決定，且理論供油量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。壓力損失隨冷卻流量的增大而顯著增大，且增大過程中的斜率明顯增大。這是由于當(dāng)冷卻流量增加時(shí)，流道內(nèi)流體的流速也隨之加快，而由流體力學(xué)基本知識(shí)可知，管道的沿程損失與流速的平方成正比。因此，壓力損失隨流量增加過程中斜率明顯增大。在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)，需要權(quán)衡增大流量帶來的散熱收益與壓力損失增加導(dǎo)致的泵功消耗。

燃油流量為5000 L/h時(shí)，流道壓力損失與燃油粘度呈正相關(guān)關(guān)系。燃油的粘度越大，相應(yīng)的流道壓力損失也就越大，且粘度每增大1 mm2/s，壓力損失增大約2 kPa。當(dāng)燃油粘度達(dá)到8 mm2/s時(shí)，流道壓力損失最大，達(dá)到57 kPa。燃油粘度隨溫度變化，低溫起動(dòng)時(shí)燃油粘度大，壓力損失顯著增加，這可能影響冷卻系統(tǒng)的流量分配和散熱效果。因此，冷起動(dòng)工況是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的極端情況。

4.3 電機(jī)溫度場(chǎng)分布特征

根據(jù)電機(jī)及其主要部件的溫度場(chǎng)分布，可以識(shí)別熱點(diǎn)的位置和成因。電機(jī)殼體溫度沿軸向分布不均，中部溫度明顯高于兩端，最大溫差約20℃。主要原因是定子發(fā)熱較高，一部分熱量通過與殼體的內(nèi)接觸面?zhèn)鬟f到殼體，而殼體外表面與空氣的自然對(duì)流換熱較弱，導(dǎo)致殼體中部溫度顯著升高。這種不均勻溫度分布會(huì)引起熱應(yīng)力，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中予以考慮。

定子鐵芯齒槽部分溫度最高，而軸向兩端面、定轉(zhuǎn)子間隙以及外部表面冷卻凹槽處由于燃油的冷卻作用導(dǎo)致溫度較低。齒部靠近繞組，熱源強(qiáng)度高，同時(shí)散熱路徑較長(zhǎng)，容易形成局部高溫。由于燃油受到繞組的阻礙作用，較多的燃油從定轉(zhuǎn)子間隙及上方凹槽流道流過，造成繞組左下端溫度最高，最高溫度達(dá)66.7℃。這揭示了流道布置與熱源分布之間的匹配關(guān)系：若冷卻流道未能覆蓋所有高溫區(qū)域，或局部流動(dòng)不暢，就會(huì)形成熱點(diǎn)。

電機(jī)溫度最高的部件為繞組線圈，且線圈溫度明顯高于定子鐵芯溫度。這一方面是因?yàn)槔@組損耗功率最大，另一方面因?yàn)榫€圈固定不動(dòng)且被導(dǎo)熱性差的絕緣層包裹，其散熱效果較差。繞組絕緣層的熱阻是散熱的主要瓶頸，提高絕緣材料的導(dǎo)熱性能或在繞組內(nèi)部設(shè)置冷卻通道是突破這一瓶頸的可能技術(shù)路徑。近期研究表明，采用直接液體冷卻繞組，可使相同溫升限制下的載流能力提升277%。

轉(zhuǎn)子與油液存在強(qiáng)制對(duì)流換熱，外表面溫度較低，內(nèi)表面溫度略高，存在徑向溫度梯度。轉(zhuǎn)子溫度的高低直接影響永磁體的工作點(diǎn)，溫度過高會(huì)導(dǎo)致不可逆退磁，因此轉(zhuǎn)子的熱狀態(tài)對(duì)電機(jī)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

燃油溫度在冷卻凹槽表面出現(xiàn)最大值，此處燃油流速低，對(duì)流換熱強(qiáng)度較弱。燃油進(jìn)口溫度為26.85℃，出口溫度為28.13℃。溫升約1.3℃，表明冷卻燃油吸收了電機(jī)散發(fā)的熱量，但總體溫升不大，仍有進(jìn)一步利用其冷卻潛力的空間。

4.4 工況參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響

為了研究冷卻流道在電機(jī)不同轉(zhuǎn)速工況下的冷卻效果，需計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)耗散功率，并假設(shè)冷卻燃油流量與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，得到電機(jī)各部件平均溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，損耗功率不斷提高，且損耗功率提高幅度不斷增大，導(dǎo)致電機(jī)各部件溫度上升曲線的斜率也逐漸增大。但由于轉(zhuǎn)速增加的同時(shí)，冷卻燃油流量也隨之增大，電機(jī)殼體、轉(zhuǎn)子、定子鐵芯的溫度上升幅度較小。同時(shí)由于繞組線圈發(fā)熱功率大，且被絕緣層包裹，溫度上升明顯，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的最高溫度有較大幅度的上升。這一結(jié)果表明，僅依靠增大冷卻流量不足以完全抵消繞組溫升，需要從改進(jìn)繞組結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)局部換熱兩方面著手解決。

將介質(zhì)溫度范圍和環(huán)境溫度范圍分別按一定比例分成6個(gè)溫度點(diǎn)，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的邊界條件，得到電機(jī)溫度與燃油進(jìn)口溫度及環(huán)境溫度的關(guān)系。電機(jī)各部件的溫度隨燃油進(jìn)口溫度的升高而升高，且近似呈線性關(guān)系。由于殼體與外界對(duì)流換熱系數(shù)較小，且與冷卻燃油接觸面積最大，殼體平均溫度與燃油進(jìn)口溫度幾乎相同。

隨著環(huán)境溫度的升高，除殼體溫度明顯升高外，其他電機(jī)部件溫度升高幅度較小。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，殼體溫度高于環(huán)境溫度，且溫差較大，對(duì)流換熱量也較大。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，殼體溫度也升高。但受燃油冷卻作用，殼體溫升小于環(huán)境溫升。因此，環(huán)境溫度升高時(shí)，殼體與環(huán)境溫差減小，換熱量也減小。當(dāng)環(huán)境溫度繼續(xù)升高，甚至高于殼體溫度時(shí)，熱量由環(huán)境傳向殼體?？傊S著環(huán)境溫度的升高，由殼體傳向環(huán)境的熱量是減小的，殼體溫度升高較為明顯。而其他電機(jī)部件與外界空氣換熱量較小，絕大部分熱量由冷卻燃油帶走，因此環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)整體溫度場(chǎng)并沒有較大影響。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于確定電機(jī)試驗(yàn)條件和運(yùn)行環(huán)境要求具有指導(dǎo)意義。

五、燃油泵工程應(yīng)用案例分析

5.1 企業(yè)技術(shù)背景與產(chǎn)品定位

湖南泰德航空技術(shù)有限公司自2012年成立以來，始終聚焦于航空航天流體控制領(lǐng)域，完成了從測(cè)試設(shè)備研制向關(guān)鍵系統(tǒng)供應(yīng)商的成功轉(zhuǎn)型。在電動(dòng)燃油泵這一細(xì)分領(lǐng)域，湖南泰德航空的研發(fā)和創(chuàng)新體現(xiàn)了顯著的系統(tǒng)性和前瞻性。公司通過與國(guó)內(nèi)頂尖科研院所和主機(jī)單位的深度合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，協(xié)同攻關(guān)，逐步掌握了電動(dòng)燃油泵的核心技術(shù)，并形成了以自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)為標(biāo)志的技術(shù)壁壘。

湖南泰德航空深刻認(rèn)識(shí)到航空產(chǎn)品的可靠性源于嚴(yán)格的開發(fā)和驗(yàn)證體系，因此積極構(gòu)建符合ISO 9001等標(biāo)準(zhǔn)的全流程質(zhì)量管理體系，從需求管理、設(shè)計(jì)開發(fā)、供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)制造到試驗(yàn)驗(yàn)證和售后服務(wù)，建立了一套完整、規(guī)范、可追溯的管理流程。特別是在試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，公司依托自身的現(xiàn)代化生產(chǎn)基地和檢測(cè)測(cè)試能力，構(gòu)建了全鏈條試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，能夠模擬各種極端環(huán)境條件進(jìn)行充分驗(yàn)證，確保產(chǎn)品滿足嚴(yán)苛的航空應(yīng)用要求。

5.2 核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成方面，湖南泰德航空?qǐng)?jiān)持模塊化、集成化設(shè)計(jì)理念，將泵、電機(jī)、控制器及傳感器進(jìn)行高度一體化設(shè)計(jì)，最大限度減少外部連接接口和管路，不僅減輕了系統(tǒng)重量，更極大地提升了系統(tǒng)的剛度和固有可靠性，降低了泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

在核心部件技術(shù)方面，采用高功率密度電機(jī)，應(yīng)用了本文所研究的浸油冷卻技術(shù)路徑，通過特殊的冷卻流道設(shè)計(jì)和熱管理策略，確保電機(jī)在高溫、高負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。其流道設(shè)計(jì)充分考慮了定轉(zhuǎn)子間隙流動(dòng)特性和定子外表面凹槽的冷卻效果，與CFD仿真分析結(jié)果形成相互驗(yàn)證。泵體單元針對(duì)航空燃油特性和長(zhǎng)壽命要求，選用特種合金材料并應(yīng)用先進(jìn)的表面處理工藝，顯著提升了耐磨蝕和抗疲勞性能。

在智能控制這一核心技術(shù)領(lǐng)域，湖南泰德航空取得了顯著突破。公司基于模型設(shè)計(jì)的開發(fā)流程，極大地提升了控制軟件算法的開發(fā)效率和可靠性。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，預(yù)測(cè)潛在故障，并為地面維護(hù)提供豐富的數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)了從"被動(dòng)維修"到"主動(dòng)預(yù)警"的跨越。

5.3 主要應(yīng)用領(lǐng)域與前景

湖南泰德航空的電動(dòng)燃油泵產(chǎn)品主要應(yīng)用于無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL（電動(dòng)垂直起降飛行器）、高機(jī)動(dòng)性軍用飛機(jī)以及下一代民用客機(jī)等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，電動(dòng)燃油泵的價(jià)值在于能夠?yàn)檎麄€(gè)動(dòng)力系統(tǒng)乃至整個(gè)飛行器帶來性能提升、功能增強(qiáng)和未來升級(jí)潛力。

特別是在低空經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，各類無人機(jī)和eVTOL飛行器對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)特性、高功率密度和輕量化提出了前所未有的嚴(yán)苛要求。電動(dòng)燃油泵通過主動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速維持泵進(jìn)口必需的壓力裕度，可有效抑制氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作邊界。對(duì)于多發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，電動(dòng)燃油泵天然具備獨(dú)立控制能力，可根據(jù)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和需求，獨(dú)立精細(xì)調(diào)節(jié)各燃油泵的輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)整體輸出的最優(yōu)匹配和冗余控制。

六、結(jié)論與展望

6.1 主要研究結(jié)論

本文基于CFD方法對(duì)電動(dòng)燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的浸油冷卻性能進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析，研究了冷卻流量、燃油粘度、進(jìn)口溫度及環(huán)境溫度等因素對(duì)電機(jī)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

（1）電機(jī)浸油冷卻流道的壓力損失隨冷卻燃油流量的增加而增大，在此過程中斜率明顯增大，符合沿程損失與流速平方成正比的流體力學(xué)規(guī)律。在最大冷卻流量下，燃油粘度每增大1 mm2/s，壓力損失增大約2 kPa。

（2）電機(jī)各部件溫度從高到低依次是繞組線圈、定子鐵芯、殼體、轉(zhuǎn)子。由于繞組線圈發(fā)熱功率高且被絕緣層包裹，其溫度遠(yuǎn)高于其他部件，最高溫度達(dá)66.7℃。繞組絕緣層的低導(dǎo)熱性是制約散熱效率的主要瓶頸。

（3）電機(jī)各部件的溫度隨燃油進(jìn)口溫度升高而顯著升高，且近似呈線性關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，環(huán)境溫度的變化對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的影響較小。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，耗散功率與冷卻燃油流量也同時(shí)增大，電機(jī)各部件溫度仍顯著升高，尤其是繞組線圈溫度上升最為明顯。

（4）在最大冷卻燃油流量以及電機(jī)最高功率下，流道的壓力損失和電機(jī)的最高溫度均能滿足電動(dòng)燃油泵的運(yùn)行要求。研究結(jié)果為電動(dòng)燃油泵電機(jī)浸油冷卻流道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

6.2 技術(shù)展望

隨著航空動(dòng)力系統(tǒng)向更高效、更智能、更環(huán)保方向持續(xù)演進(jìn)，電動(dòng)燃油泵及其浸油冷卻技術(shù)也將迎來新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

在冷卻流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，基于本文的數(shù)值模擬方法，可進(jìn)一步開展拓?fù)鋬?yōu)化研究，探索最優(yōu)的流道構(gòu)型。定子外表面凹槽的數(shù)量、形狀、尺寸以及分布方式均可作為優(yōu)化變量，以流量分配均勻性、總壓損失或最高溫度為目標(biāo)函數(shù)，尋求綜合性能最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

在多物理場(chǎng)耦合分析方面，當(dāng)前的流-熱耦合模型可進(jìn)一步擴(kuò)展為電磁-流-熱多場(chǎng)耦合模型。電磁場(chǎng)計(jì)算可提供更精確的損耗分布，避免平均體生熱率假設(shè)引入的誤差。熱應(yīng)力分析可評(píng)估溫度不均勻性引起的熱變形和熱應(yīng)力，為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在新材料應(yīng)用方面，高導(dǎo)熱絕緣材料的開發(fā)和應(yīng)用有望突破繞組散熱的瓶頸。研究表明，采用直接液體冷卻繞組可在相同溫升限制下顯著提升載流能力。將微通道冷卻技術(shù)與繞組結(jié)構(gòu)相融合，或采用相變冷卻介質(zhì)，可進(jìn)一步提高散熱效率。

在系統(tǒng)集成優(yōu)化方面，電動(dòng)燃油泵的熱管理需與發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)整體考慮。利用燃油作為冷卻介質(zhì)，既是散熱的手段，也是對(duì)燃油的預(yù)熱過程，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率可能產(chǎn)生影響。因此，需要從系統(tǒng)層面進(jìn)行綜合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)整體性能的最大化。

總之，電動(dòng)燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的浸油冷卻技術(shù)是多電發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，不斷完善熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將為航空動(dòng)力系統(tǒng)的性能提升和可靠性保障提供有力支撐。

&注：此文章內(nèi)的部分內(nèi)容引用于[闞銀輝，葉志鋒，周 力，周探洲 電動(dòng)燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)浸油冷卻性能數(shù)值模擬],圖片來源于公開網(wǎng)絡(luò)獲取，僅供參考使用，配圖作用于文章整體美觀度，如侵權(quán)可聯(lián)系我們刪除，如需進(jìn)一步了解公司產(chǎn)品及商務(wù)合作，請(qǐng)與我們聯(lián)系??！