電動汽車驅(qū)動電動機的三維溫度場仿真分析

田玉冬，　王　瀟，　張舟云

(1. 上海電機學院 汽車學院， 上海 200245； 2. 上海理工大學 機械工程學院，

上海 200093； 3. 上海電驅(qū)動股份有限公司 技術中心， 上海 200240)

?

電動汽車驅(qū)動電動機的三維溫度場仿真分析

田玉冬1,2，王瀟1,2，張舟云3

(1. 上海電機學院 汽車學院， 上海 200245； 2. 上海理工大學 機械工程學院，

上海 200093； 3. 上海電驅(qū)動股份有限公司 技術中心， 上海 200240)

摘要:針對電動汽車驅(qū)動電動機工作溫升過高的問題，利用計算流體動力學方法對驅(qū)動電動機進行額定工況下的三維穩(wěn)態(tài)溫度場仿真計算，分析得出了電動機三維全域的溫度場分布情況及溫升極值區(qū)域；通過電動機實驗平臺，將實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結果進行對比，驗證了仿真計算的正確性，最后總結了電動汽車驅(qū)動電動機內(nèi)部溫度場的分布規(guī)律以及影響電動機溫升的因素。

關鍵詞:驅(qū)動電動機； 三維溫度場； 有限元法； 穩(wěn)態(tài)

近年來，隨著電動汽車驅(qū)動電動機功率密度不斷增加、電動機額定電流以及轉(zhuǎn)矩密度的提高，常引起電動機工作時內(nèi)部溫升過高；且由于電動汽車驅(qū)動電動機安裝空間狹小、使用工況復雜，也使得其溫度場分布不均、內(nèi)部局部區(qū)域溫升過高。電動機工作時溫升過高將限制其極限功率，且長時間處于高溫運轉(zhuǎn)狀態(tài)也將極大地降低電動機的使用安全性。因此，電動汽車驅(qū)動電動機的溫度場計算已成為國內(nèi)外學者的熱點研究領域之一。如文獻[1]中采用了等效熱傳導方式處理電動機定、轉(zhuǎn)子鐵芯與其間氣隙復雜的對流換熱過程，并對電動機的相關散熱系數(shù)進行研究。文獻[2]中分析了電動機內(nèi)部熱源的傳熱形式和傳熱路徑。文獻[3-4]中采用節(jié)點熱網(wǎng)絡法，運用傳熱方程對電動機節(jié)點的平均溫度進行計算。文獻[5]中利用電磁場與流場耦合分析的方法對感應電動機極限溫升進行了研究。然而，由于電動機溫度場計算情況復雜，目前均只采用了相應的溫度場簡化模型。如，有的電動機溫度場模型只考慮了定子鐵芯區(qū)域，有的模型則只考慮了轉(zhuǎn)子鐵芯區(qū)域。另外，采用溫度場節(jié)點熱網(wǎng)絡計算方法雖然簡單直觀、便于工程計算，但該方法也只能計算出熱網(wǎng)絡中所設節(jié)點的平均溫度，無法對電動機溫度場進行全面分析。

基于電動機內(nèi)部的傳熱規(guī)律，本文運用計算流體動力學(CFD)方法對電動汽車驅(qū)動電動機整體進行了溫度場計算，分析了電動機全域的溫度分布情況及局部最熱區(qū)域，并對樣機進行了相應的實驗測試，驗證了數(shù)值計算的正確性。

1電動機的基本參數(shù)和求解區(qū)域

1.1　基本參數(shù)

本文以一臺額定功率為21kW的電動汽車驅(qū)動電動機為研究對象，并根據(jù)電動機的設計尺寸建立了其熱計算的求解域模型。表1給出了樣機的基本參數(shù)。實驗測試樣機及實驗測試平臺如圖1所示。

表1　驅(qū)動電動機樣機參數(shù)Tab.1　Parameters of the prototype motor

圖1　實驗測試樣機與測試平臺Fig.1　General view of prototype motor and　experimental bench

1.2　求解區(qū)域

根據(jù)驅(qū)動電動機軸向?qū)ΨQ、軸向周期性重復的結構特點，本文給出了驅(qū)動電動機1/4的結構模型如圖2所示。

圖2　實驗測試樣機結構模型Fig.2　Physical model of the prototype motor

驅(qū)動電動機溫度場求解區(qū)域模型如圖3所示。圖中，A1為水道出水口；A2為水道入水口；A3為機殼外表面；A4為水道；A5為定子鐵芯；A6為定子槽；A7為定、轉(zhuǎn)子間氣隙；A8為轉(zhuǎn)子鐵芯；A9為永磁體。

圖3　求解溫度場區(qū)域模型Fig.3　Model for solving the temperature field

同時，為了簡化電動機溫度場的分析過程，仿真計算時假定了以下條件[6-8]： ① 電動機在圓周方向的冷卻條件相同，忽略外部風速對于電動機軸向方向冷卻的影響；② 忽略定子繞組端部的趨膚效應；③ 定子槽內(nèi)絕緣紙和絕緣漆的絕緣性能相同，無空氣泡存在；④ 用靜止流體的等效導熱系數(shù)來描述氣隙的對流換熱。

2電動機溫度場的數(shù)學傳熱模型

電動機運行時，內(nèi)部三維溫度場符合傅里葉導熱定律[9-12]。基于傅里葉導熱定律以及能量守恒方程可以推導出電動機內(nèi)部導熱微分方程為

(1)

式中，ρ為物質(zhì)的密度；cp為物質(zhì)的比熱容；t為時間；τT為溫度場梯度；λ為物質(zhì)的導熱系數(shù)；φv為物體內(nèi)熱源；x、y、z為方向。

3電動機散熱系數(shù)的確定及損耗計算

根據(jù)傳熱學基本理論，電動機本身可看成一個內(nèi)部有源傳熱體，其主要的傳熱形式為接觸固體間的熱傳導、固體與流體之間的熱對流[13-14]。另外，中小型功率電動機的輻射熱量很小，可忽略不計。

3.1　散熱系數(shù)的確定

樣機的定、轉(zhuǎn)子氣隙長度為0.8mm。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，可用有效導熱系數(shù)來等效氣隙與定、轉(zhuǎn)子間流動空氣的熱交換能力。氣隙等效導熱系數(shù)為

λeff=0.0019η-2.908 4Re0.461 4·ln(3.333 61η)

(2)

當電動機運行時，定子繞組產(chǎn)生繞組銅耗，為電動機熱源[15]。繞組產(chǎn)生的熱量一部分通過定子鐵芯傳遞到機殼，被機殼水路中的冷卻介質(zhì)帶走；另一部分則由繞組端部與機內(nèi)空氣的熱對流傳遞出去。定子繞組端部對流換熱系數(shù)為

(3)

轉(zhuǎn)子鐵芯在旋轉(zhuǎn)運行時，其端面與機殼腔內(nèi)空氣形成熱對流。轉(zhuǎn)子鐵芯將轉(zhuǎn)子域一部分的熱量通過氣隙、定子區(qū)域傳遞至冷卻水路，另一部分的熱量則由轉(zhuǎn)子鐵芯兩側端面的對流換熱方式散熱。轉(zhuǎn)子端面的對流換熱系數(shù)為

(4)

電動機機殼與定子外圓緊密接觸，機殼外表面的對流換熱系數(shù)由經(jīng)驗公式[16]給出：

αjk=9.73+14v0.62

(5)

式中，αjk為機殼外表面的對流換熱系數(shù)；v為機殼外部風速。

綜上計算得到：λeff=26mW/(m·K)，αs=46.2W/(m2·K)，αr=60W/(m2·K)，αjk=9.73W/(m2·K)。

3.2　熱邊界條件計算

本文考慮了電動機的繞組銅耗與鐵芯損耗，并將其作為電動機的熱源；利用Maxwell軟件對電動機進行電磁計算分析，得到在額定運行狀態(tài)下電動機損耗值，并根據(jù)其相應的生熱部件的體積可以計算得到對應的生熱密度，計算結果如表2所示。

表2　生熱部分的熱密度Tab.2　Volumetric power of heat section

4熱仿真定義

4.1　材料定義

電動機材料的熱性能參數(shù)如表3所示。其中，聚芳砜纖維箔用于隔離定子鐵芯和繞組線圈的接觸。

4.2　加載

仿真時，將電動機熱載荷以熱密度的形式施加到電動機各生熱部件上。驅(qū)動電動機的銅耗為416W，鐵耗為1357W。

根據(jù)電動機的傳熱形式，對其機殼外表面施加空氣自然對流換熱條件，對冷卻介質(zhì)與水道的接觸面、繞組外端面、定子鐵芯端面施加強制對流換熱條件。設置環(huán)境溫度為22℃，冷卻介質(zhì)初始溫度為60℃。

表3　驅(qū)動電動機材料熱性能參數(shù)Tab.3　Thermal parameters of materials inthe traction motor

5仿真結果及分析

通過仿真計算得到該驅(qū)動電動機的三維溫度場分布云圖。圖4給出了電動機各熱源的溫度分布圖。圖5給出了電動機整體溫度場分布圖。

由圖4、5可見，電動機整體溫度場由氣隙明顯分隔為轉(zhuǎn)子區(qū)域和定子區(qū)域，轉(zhuǎn)子區(qū)域的溫度要高于定子區(qū)域。電動機整體的最高溫度為 117.21℃，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子域的永磁體中部；定子繞組的最高溫度為104.5℃，出現(xiàn)在繞組端面的一側；定子鐵芯的最高溫度為100.69℃，出現(xiàn)在定子齒部與氣隙接觸區(qū)域；轉(zhuǎn)子鐵芯的最高溫度為117.08℃，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子鐵芯中部區(qū)域。由此可見，電動機的主要熱源位于定子繞組端部和永磁體中部，由于環(huán)形螺旋水路置于機殼中部，散熱條件較好，故在該水路的有效覆蓋范圍內(nèi)溫度較低；而在散熱條件不好的區(qū)域，如繞組端部以及散熱路徑較遠的永磁體則溫度較高。定、轉(zhuǎn)子氣隙兩側的溫差達到近18℃，表明氣隙的隔熱效果較強。

圖4　驅(qū)動電動機各熱源的溫度分布

圖5　驅(qū)動電動機整體溫度場分布Fig.5　Temperature distribution in the traction motor

對電動機進行溫度場測試，在其內(nèi)部的關鍵位置埋置多根熱敏電阻線，分別位于繞組端部、定子槽底部、轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體處，測得熱阻電阻實測溫度值。表4給出了熱敏電阻實測的溫度值以及仿真計算出的關鍵位置溫度值。由表可見，電動機穩(wěn)態(tài)的有限元計算值和實測值接近，表明仿真計算結果是可取的。

表4　有限元計算值與測量值Tab.4　FEM and measured data

6結論

本文針對一臺額定功率為21kW的電動汽車驅(qū)動電動機進行研究，對電動機進行了三維全域溫度場仿真計算與實驗。通過研究分析可得到以下結論：

(1) 當電動機溫度場達到穩(wěn)態(tài)熱平衡時，由于定、轉(zhuǎn)子間氣隙的導熱效果較差，使轉(zhuǎn)子區(qū)域和定子區(qū)域的溫度差明顯，轉(zhuǎn)子區(qū)域的整體溫度高于定子區(qū)域。

(2) 轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)徑向溫度分布均勻，最高溫度集中于永磁體中部；定子區(qū)域內(nèi)軸向溫度變化小，最高溫度位于繞組端部一側。表明電動機運行時，定子繞組端部和永磁體中部為易產(chǎn)生熱量的過熱區(qū)域。

(3) 由于轉(zhuǎn)子區(qū)域材料的導熱性能較好，永磁體和轉(zhuǎn)子鐵芯的溫度差很小。

(4) 氣隙的隔熱效應對電動機轉(zhuǎn)子域的溫升起著關鍵的作用。

參考文獻：

[1]李青青,黃勤,楊立，等.永磁同步電動機水冷系統(tǒng)散熱參數(shù)分析與熱仿真[J].機械設計與制造,2014(4)： 188-191.

[2]邰永,劉趙淼.感應電動機全域三維瞬態(tài)溫度場分析[J].中國電機工程學報,2010,30(30)： 114-120.

[3]Staton D A,Cavagnino A.Convection heat transfer and flow calculations suitable for electric machines thermal models[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(10)： 3509-3516.

[4]Huang Yunkai,Zhu Jianguo,Guo Youguang.Thermal analysis of high-speed SMC motor based on thermal network and 3-D FEA with rotational core loss included[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(10)： 4680-4683.

[5]Marignetti F,Colli V D,Coia Y.Design of axial flux PM synchronous machines through 3-D coupled electromagnetic thermal and fluid-dynamical finite-element analysis[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(10)： 3591-3601.

[6]Boglietti A,Cavagnino A,Lazzari M,et al.As implified thermal model for variable-speed self-cooled industrial induction motor[J].IEEE Transactions on Industrial Application,2003,39(4)： 945-952.

[7]謝穎,辜承林.籠型感應電動機三維全域溫度場計算[J].中國電機工程學報,2012，32(36)： 96-101.

[8]李翠萍,裴宇龍,梁培鑫，等.水冷感應電機不同運行狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)溫度場分析[J].微電機,2013,46(3)： 1-5.

[9]Driesen J,Belmans R J M,Hameyer K.Finite element modeling of thermal contact resistances and insulation layers in electrical machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Applications,2001,37(1)： 15-20.

[10]Shenkman A L,Chertkov M.Experimental method for synthesis of generalized thermal circuit of poly phase induction motors[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2000,15(3)： 264-268.

[11]李偉力,李守法,謝穎，等.感應電動機定轉(zhuǎn)子全域溫度場數(shù)值計算及相關因素敏感性分析[J].中國電機工程學報,2007,27(24)： 85-91.

[12]和偉超,吳建華.電動汽車驅(qū)動電機水冷系統(tǒng)的設計及其溫度場分析[J].輕工機械,2013,31(5)： 19-25.

[13]Staton D,Boglietti A,Cavagnino A.Solving the more difficult aspects of electric motor thermal analysis in small and medium size industrial induction motors[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(3)： 620-628.

[14]Hameyer K,Driesen J,De Gersem H,et al.The classification of coupled field problems[J].IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(3)： 1618-1621.

[15]孔曉光,王鳳翔,刑軍強.高速永磁電機的損耗計算與溫度場分析[J].電工技術學報,2012,27(9)： 166-173.

[16]孫建鑫,孫永興,王玉彬.嵌入式永磁同步電動機二維穩(wěn)態(tài)溫度場分析[J].微特電機,2013,41(6)： 24-26.

Analysis of Three-Dimensional Temperature Field Simulation ofElectric Vehicle’s Traction Motor

TIANYudong1,2,WANGXiao1,2,ZHANGZhouyun3

(1. School of Automobile, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China; 2. College of

Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,

China; 3. Technical Center,Shanghai Edrive Co., Ltd, Shanghai 200240, China)

Abstract:To deal with serious temperature rise in traction motors of electric vehicles (EV), a computational fluid dynamics (CFD) method is used to calculate the 3D temperature field in the rated operating state. The temperature distribution and the hottest regions in the traction motor are obtained. A platform is set up to verify the simulation results by comparing them with experimental results. Conclusions about the heat transfer characteristics and factors that influence the motor temperature field are given.

Key words:traction motor; three-dimensional temperature field; finite element method; steady state

文獻標志碼:A

中圖分類號:TM 301.4

文章編號2095 - 0020(2015)01 -0013 - 06

作者簡介：田玉冬(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向為復雜工業(yè)系統(tǒng)控制,E-mail： tianyd@sdju.edu.cn

基金項目：國家自然科學 資助(51377104)；上海市閔行區(qū)科技項目資助(2013MH109)

收稿日期：2014 - 12 - 16