基于Ansys Workbench雅閣ISG溫度場仿真分析

李新華，楊國威，李哲然

（1.湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430068；2.華中科技大學控制科學與工程系）

輕度混合動力汽車集成式起動-發電機ISG（ISG:Integrated Starter Generator）功率和轉矩密度高、運行工況多變，特別是工作環境溫度高、散熱條件差，這些都給電機設計帶來了新的挑戰，僅按常規電磁設計是不夠的，還需要對其進行溫度場的仿真分析與設計。

本田汽車公司的雅閣 （Accord）混合動力汽車采用中度混合 （mild hybrid），即并聯混合動力方案，發動機與電動機同軸，傳動結構簡單，與普通汽車發動機室差別不大。據本田廠方數據，雅閣混合動力汽車在城市路況下，百公里綜合油耗僅為8.1L，這對于一臺3.0L 6缸發動機來說已經相當不易了。雅閣ISG是一款在業界具有廣泛影響的電機。該電機為16極／24槽配合永磁同步電機，采用組合式定子鐵心結構，q=0.5分數槽集中繞組，見圖1；轉子為內置式V形磁鋼 （接近一字形），每極有3個磁橋， 兩極之間有V形溝， 見圖2［1］。

目前電機溫升計算方法有3種，即簡化公式法［2］、等效熱路法［3］和溫度場法［4，5］。 簡化公式方法比較簡單，只能計算電機的平均溫度，計算結果不太精確；等效熱路法計算精度比簡化公式法高，但要提高計算精度，需要增加網絡節點和熱阻數，計算工作量大大增加；溫度場法采用現代數值方法來求解熱傳導方程，將求解區域離散成許多小單元后，在每個單元中建立方程，再對總體方程組進行求解。溫度場法是一種快速和準確的數值計算方法，是現代電機溫升計算的主流方法。

1 溫度場仿真方法

電機內部存在損耗導致電機發熱，使其溫升增高。電機內部損耗的組成比較復雜，但主要是銅耗和鐵耗。本文研究鐵耗和銅耗所引起的電機發熱。銅耗可按路的方法計算，而鐵耗必須用有限元方法來計算。

電機鐵耗由定子鐵耗和轉子鐵耗兩部分構成。對于同步運行ISG電機，由于轉子鐵耗較小，從簡化ISG溫度場仿真的角度出發，可以認為定子鐵心內各處鐵耗密度相等，即視定子鐵心內為均勻磁場，且只考慮定子鐵心內的鐵耗。

然而由于電機定子鐵心各處磁密并不相同，定子鐵心各處的鐵耗密度也會不一樣；另一方面，諧波磁場也會在轉子鐵心中產生一定鐵耗。如果均值鐵耗密度代入，進行電機溫度場仿真會有一定誤差。為了考慮上述問題，可以采用Ansoft二維有限元與Ansys Workbench聯合仿真方法分析電機中的溫度場，基本步驟如下。

第1步，計算電機給定工況下的內熱源，鐵耗通過二維有限元動態仿真計算，即根據已知數據建立二維有限元鐵耗模型并進行給定工況下ISG的鐵耗仿真。

第2步，建立ISG三維溫度場有限元模型，將該模型和第1步鐵耗仿真結果導入Ansys Workbench軟件。

第3步，給定邊界條件，在Workbench環境下進行三維有限元溫度場仿真。

根據文獻［6，7］提供的數據，建立雅閣ISG的1／8二維有限元鐵耗模型 （圖3）并仿真；運用Solidworks軟件建立ISG三維溫度場模型 （圖4），并將該模型和第1步給定工況下ISG鐵耗仿真結果導入Ansys Workbench軟件中，圖5為最高轉速工況時導入后的鐵耗分布。圖6a為該工況下鐵耗不均勻分布時定子溫度場的仿真結果。如果視鐵耗為均勻分布，可將內熱源計算結果直接施加于ISG三維溫度場模型并仿真，仿真結果見圖6b。

從圖6可以看出，鐵耗均勻分布時，定子最高溫度出現在定子齒中心，達195℃，且每個齒的溫度分布相同，但這只是一種近似算法。鐵耗不均勻分布時，定子最高溫度出現在定子齒邊緣，達197.7℃，且每個齒的溫度分布并不相同。顯然，鐵耗不均勻分布時溫度磁場的仿真結果更接近于實際情況，但數據導入比較費時。以上2種方法溫度場最高溫度計算結果比較接近，定子最高溫度誤差只有1.4%。

2 溫度場仿真結果及分析

按前面所述方法對雅閣ISG不同工況下的溫度場進行仿真分析。仿真時，ISG的環境溫度設定為70℃，ISG模型與空氣對流換熱系數取5×10-6W／mm2·℃。表1給出了雅閣ISG不同工況下銅耗的計算結果。

表1 雅閣ISG不同工況下銅耗的計算結果

將不同工況時的鐵耗仿真結果直接導入Ansys Workbench軟件，然后使用Ansys Workbench對雅閣ISG進行溫度場仿真。考慮到最大功率為短時工作制，這里采用暫態溫度場仿真，仿真時間取100 s，其它工況采用穩態溫度場仿真，仿真時間取1h。額定工作點、最大功率工作點和最高轉速工作點3種工況下ISG溫度場仿真結果如圖7所示。表2給出了ISG內各部件的最高溫度及所在的位置。

仿真結果表明，對于額定工況，電樞繞組端部溫度最高，定子鐵心 （齒部）次之，轉子磁鋼處最低；對于最高轉速工況，定子鐵心 （齒部）溫度最高，電樞繞組 （槽內導體）次之，轉子磁鋼處最低；最大功率工況由于工作時間短，電機內各部件的溫度都較低。由于鐵耗急劇增加，3種工況中最高轉速工況電機內各部件的溫度最高，特別是磁鋼溫度接近200℃，應引起高度關注。

表2 ISG內各部件的最高溫度及所在的位置

文獻 ［1］公布了雅閣ISG電樞繞組的溫升試驗結果，見圖8。當負載轉矩為70Nm時，繞組 （端部）最高溫度由起始的160℃直線上升；持續一段時間后負載轉矩下降至65 Nm左右，此時溫度停止上升，維持在160℃左右；再經過一段時間后負載轉矩升至75 Nm左右，繞組端部溫度再次上升，最后穩定在200℃左右。

為了驗證本文溫度場仿真方法的正確性，對上述工況雅閣ISG進行了溫度場仿真。繞組端部最高溫度仿真結果見圖9，仿真時沒有考慮負載轉矩的波動。比較兩圖可知，繞組端部最高溫度曲線略低于試驗曲線，但2條曲線基本吻合。由于仿真時只考慮了鐵耗和銅耗，而沒有計及其它損耗對溫度的影響，使得繞組端部最高溫度曲線略低于試驗曲線。

3 溫度對轉子的影響

溫度上升對ISG的性能以及結構安全性等都會帶來一系列影響，下面重點討論對轉子稀土磁鋼和磁橋結構安全性的影響。

3.1 溫度對磁鋼的影響

眾所周知，稀土磁鋼是一種耐溫能力較差的永磁材料。溫升的較大上升，不僅導致稀土磁鋼磁性能的下降，還可能會造成磁鋼的不可逆退磁。圖10、圖11分別為雅閣ISG額定和最高轉速兩個工況下轉子磁鋼的溫度場仿真結果。

從圖10、圖11可以看出，磁鋼高溫區始終出現在軸向端部，最高溫度點在共頂角，因此必須加強對磁鋼端面的散熱；另一方面，額定工況下磁鋼最高溫度為146.7℃，如選用耐溫150℃的稀土磁鋼尚可安全運行，而最高轉速工況磁鋼最高溫度達194.2℃，耐溫150°C的稀土磁鋼則有失磁風險。

圖12為最高轉速工況下磁鋼最高溫度與工作時間關系的溫度場仿真曲線。曲線表明，最高轉速工況下ISG工作時間小于28 min，磁鋼最高溫度不超過150℃，選用耐溫150℃的稀土磁鋼磁鋼是安全的，否則會存在失磁風險。

3.2 溫度對轉子磁橋結構的影響

表2仿真結果表明，ISG轉子最高溫度一般出現在磁橋處。出現這一現象的原因在于磁橋磁密高，鐵耗大。由于轉子高速運行，磁橋要承受很大應力，它的結構安全引人關注。為了考察溫度對轉子磁橋應力的影響，分別在不同溫度條件下對雅閣ISG轉子進行了應力仿真，圖13、圖14分別給出了22℃和197℃時的應力仿真結果。

由圖13、圖14可見，22℃時，雅閣ISG中間磁橋應力為47.2 MPa，熱形變為0.00214 mm；197℃時，應力為1181.2MPa，形變為0.04576mm。溫度上升了5.5倍，應力和形變分別上升了25.1倍和20倍。圖15為雅閣ISG轉子磁橋應力和形變隨溫度變化的關系曲線。可見，隨著溫度的增加，轉子磁橋應力和形變會直線上升，威脅到轉子結構的安全。因此，從轉子結構安全的角度出發，必須限制最高轉速工況下ISG的工作時間，使磁橋應力和形變在允許范圍內。

4 結語

按本文所述方法對雅閣ISG進行了溫度場仿真，仿真結果與文獻［7］中的相關試驗結果基本吻合；不同工況下ISG的溫升情況存在較大差異，最高轉速工況電機溫升最高；從轉子結構安全的角度出發，必須限制最高轉速工況下ISG的工作時間。

［1］R.H.Staunton， T.A.Burress， L.D.Marlino.EVALUATION OF 2005 HONDA雅閣［R］.U.S.DEPARTMENT OF ENERGY， 2005.

［2］李文字.同步電機熱計算與通風計算［J］.船電技術，2007， 27 （2）:72-75.

［3］J.Pyrhonen， T.Jokinen， V.Hrabovcová， Design of Rotating Electrical Machines［M］.John Wiley&Sons， Ltd， 2008.

［4］陳志剛.等效熱網絡法和有限元法在電機三維溫度場計算中的應用與比較［J］.中小型電機，1995，22（1）:3-6， 35.

［5］李廣德，何剛，何文秀.大型水輪發電機定子三維溫度場計算［J］.大電機技術， 2000， 4 （2）:1-5.

［6］王水發，陳德為.基于ANSYS的異步電動機二維穩態溫度場分析［J］.電氣傳動自動化， 2011， 33 （2）:23-26.

［7］李科，胡欲立.永磁直流電機溫度場分析［J］.魚雷技術，2010， 18 （3）:228-230， 235.