基于正交試驗法的永磁同步電機散熱系統數值模擬研究*

王淑旺，高月仙，張 磊

(1. 合肥工業大學 汽車與機械工程學院， 安徽 合肥 230009；2. 江蘇中科機器人科技有限公司， 江蘇 常州 213164)

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基于正交試驗法的永磁同步電機散熱系統數值模擬研究*

王淑旺1，高月仙1，張 磊2

(1. 合肥工業大學 汽車與機械工程學院， 安徽 合肥 230009；2. 江蘇中科機器人科技有限公司， 江蘇 常州 213164)

新能源汽車的需求使得永磁同步電機(PMSM)向高功率密度方向發展，溫升成為其中的一個關鍵問題，因此對散熱系統的研究顯得尤為重要。以一臺額定功率30kW的強制液冷PMSM為例，通過正交試驗法，結合仿真軟件的數值模擬，對電機散熱系統性能及其影響因素進行研究。根據相關文獻和工程經驗，確定電機殼體材料、冷卻管道結構、冷卻介質和管道數目是影響電機散熱效果的主要因素。通過對仿真試驗結果的極差分析。確定電機散熱性能影響因素的主次順序，得出冷卻介質對最高溫度影響最大，冷卻結構是對管道壓降影響最顯著的因素。最后從由結果分析給出了較好的方案組合。

永磁同步電機； 散熱； 正交試驗； 數值模擬

0 引 言

隨著科技和經濟的飛速發展，能源危機和環境問題日益突出，新能源電動汽車(Electric Vehicle, EV)應運而生，并得到廣泛發展和應用。由于汽車留給電機的安裝空間有限，電機須具備較高的功率密度和效率。永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)與普通電機相比，具有高密度、高效率、起動轉矩大、體積小、質量輕等優點，成為車輛驅動電機中的佼佼者，但其電磁負荷和熱負荷也相對較大[1]，因而發熱量大，溫升嚴重。目前電機的散熱效果已成為廠家和學者們關注和研究的焦點。

根據相關文獻的查閱以及工程實際經驗，總結出影響強制液冷PMSM散熱效果的因素主要有電機殼體材料、冷卻管道結構、冷卻介質和冷卻管道數目等。若要考慮這些因素所有組合的影響則需要進行全面試驗，而全面試驗的試驗量和數據量非常大。為提高效率并考慮因素的綜合影響，本文運用正交試驗的方法結合數值模擬對影響PMSM散熱效果的因素進行分析，得出最佳的散熱組合。

1 電機物理模型

由于電機結構復雜，為提高計算速度，節省時間的同時又滿足工程實際需要，需對模型進行簡化。因電機在工作過程中轉子和永磁體產生的損耗值較小，故可忽略轉子影響[2-3]，同時將繞組、絕緣等復雜結構等效為一個均勻的發熱體[4-5]，著重分析包括電機殼體、冷卻水、定子和等效繞組的模型。其簡化模型如圖1所示。

圖1 電機求解簡化模型

2 正交試驗設計

正交試驗設計法是應用正交表來設計試驗方案，并用數理統計方法分析試驗數據的數學方法。正交設計可以用最少的試驗水平組合來代替全面試驗，通過對試驗結果的分析能夠了解全面試驗的情況，尋求最優水平的組合，是一種高效率、快速、經濟的試驗設計方法，具有“均衡分散性，齊整可比性”的特點。對試驗結果的分析可相應地用極差分析方法和方差分析方法等。

2.1 試驗因素

在電機內部電磁結構既定的情況下，電機運行損耗也相應確定。由于本文所用PMSM選用液冷冷卻方式，故影響電機溫度分布主要考慮電機殼體材料、冷卻管道結構、冷卻介質和冷卻管道數目等因素[6- 8]。

2.1.1 殼體材料

設計電機過程中，不僅要考慮結構設計的問題，同時還需考慮材料的選取及其加工工藝。對于結構復雜的殼體，通常采用鑄造工藝進行加工。車用PMSM的殼體目前一般選用下面3種型號的鋁合金：A356-T6、ADC12和6061-T6。不同材料的物理性能參數一般不同，所以不同材料的殼體傳熱系數有所差異，因而電機散熱效果不同。

表1列舉了3種材料的相關熱物性參數。

表1 機殼材料及參數

2.1.2 冷卻管道結構

液冷電機主要依靠冷卻液與殼體的對流換熱將電機運行產生的熱量帶走達到散熱效果，因而對冷卻管道結構的設計顯得尤其重要。一個好的有效的冷卻管道結構不僅能最大可能地使冷卻液帶走更多的熱量，同時還兼顧到冷卻液的進出口壓差和溫差，減小冷卻液供給泵的負荷。冷卻管道的結構設計是一個綜合考慮多種因素且需不斷優化的過程。液冷電機的冷卻管道一般設計在殼體內，結合設計經驗和相關參考文獻，文中給出了3種結構，如圖2所示。其中：圖2(a)為軸向Z字型冷卻管道結構；圖2(b)為軸向螺旋型冷卻管道結構；圖2(c)為軸向工字型冷卻管道結構。

2.1.3 冷卻介質

流體的物性參數會影響其流動狀態和散熱能力，不同冷卻液在殼體和流體間的對流換熱強度將不同，從而影響電機的溫升情況。

水的比熱較大，無污染，價格低廉，是使用最多也是相對理想的冷卻介質，但凝固點溫度較高而沸點溫度較低，冬天易結冰，凍壞冷卻系統，夏季易沸騰，車輛不宜長途行駛，且水會引起冷卻管道殼體的腐蝕，同時還容易產生水垢難清除，使散熱效果越來越差。為解決上述問題，通常使用乙二醇水基防凍液，除冰點低、防凍的優點外，還具有防腐、防垢功能，沸點常在100℃以上。油冷電機目前應用也較廣，主要是因為油的介電常數很高、絕緣性好、 有良好的散熱效率等。隨著現代汽車工業的不斷發展，使用要求越來越高，其功能還包括減少摩擦、減少磨損、耐高低溫、防腐、防銹、清洗、動力傳動、防震、密封等。

圖2 三種不同冷卻管道結構

表2列出了3種不同冷卻介質的物性參數。

表2 冷卻介質及參數

2.1.4 管道數目

隨著冷卻管道數目的增加，電機散熱能力隨之增強，但同時會帶來進出口壓差增大的問題，因此電機機殼內合理的冷卻管道數量是電機良好散熱效果的保證。根據設計經驗選取冷卻管道數量為5、6、7進行研究。

2.2 試驗指標

對該電機而言，溫升最高點往往出現在繞組端部。溫升過高不僅會導致結構變形，還會使電機絕緣受到破環，嚴重影響電機的運行性能和使用壽命。此外，實際冷卻管道設計過程中除考慮散熱效果外，還要兼顧泵的工作負荷。在電機殼體上，進出口直徑和冷卻液流量固定的前提條件下，冷卻管道內流體場主要取決于冷卻管道結構。當冷卻介質流速越大時，對流換熱系數會變大，散熱效果增強，但同時由于流速的增加，會使得流阻增加，管流總壓降變大，流體流經管道的沿程損失也越大。

因此本文選定繞組最高溫度和管流壓力作為電機散熱性能的試驗指標。

2.3 正交表和水平選擇

根據上述對電機溫升影響因素的分析，確定正交表為4因素，而各因素水平數的確定應滿足實際情況及正交試驗的原則，標準表的水平數都相等且只能取素數或素數冪，因此選取3水平。各因素水平如表3所示。

表3 各因素水平

本文試驗研究為4因素3水平，進行全面水平組合則需進行81次試驗，若采用L9(34)正交表則僅需做9次試驗就可以進行全面分析，反映出各因素與指標之間的關系。

3 邊界條件

電機工作的損耗是電機溫升的來源。PMSM的定子鐵心損耗是主要鐵心損耗，轉子鐵耗僅約占總損耗的1%[9]，因此忽略轉子損耗。經計算額定功率30kW和額定轉速3000r/min PMSM的損耗值為定子銅耗575W、定子鐵耗787W。假設電機運行產生的各項損耗分別均勻分布在熱源中，且產生的熱量全部由冷卻液帶走。

冷卻液流量不變，為10L/min，進口和出口溫度均為60℃。

電機殼體和定子間的接觸熱阻參考文獻[10-11]。

冷卻介質進口邊界條件取速度入口，速度為0.83m/s；出口邊界條件為壓力出口，壓力為0Pa。

4 正交試驗數值模擬結果分析

根據正交試驗設計安排正交表，利用STAR-CCM+采用數值模擬的方法，對電機進行流體場和溫度場的耦合計算[12]。由仿真結果得到正交試驗結果，如表4所示。

表4 正交試驗方案和結果

由正交表及其結果對試驗指標分析進行[12]，結果如表5所示。

表5 繞組最高溫度極差分析

由表5可看出，4個因素中，冷卻管道結構極差最小，是對繞組最高溫度影響最小的因素，冷卻介質極差最大，對繞組最高溫度影響最為明顯。根據極差R排出影響繞組最高溫度的各因素主次順序為C冷卻介質、D冷卻管道數目、A殼體材料、B冷卻管道結構。

各因素對繞組最高溫度的影響趨勢如圖3所示。

圖3 繞組最高溫度隨各因素水平的變化趨勢

由圖3可以看出：殼體材料為6061-T6時溫度最低，6061-T6導熱系數最大，溫升結果與材料的性質相符；軸向Z字形冷卻效果最好，工字形最差；當采用的冷卻方式相同時，水是三種冷卻介質中效果最好的，因為水的導熱系數和比熱容均最大；冷卻管道數目為7時溫度最低，且由圖3中變化趨勢可看出水道數目越多散熱效果越好。

由表6中管流壓降極差R的大小分析，可知殼體材料、冷卻管道結構、冷卻介質、冷卻管道數目4個因素中，殼體材料的極差最小，對壓降影響最小，冷卻管道極差最大，影響最為顯著，各因素的主次順序為D冷卻管道數目、C冷卻介質、B冷卻管道結構、A殼體材料。

表6 管流壓降極差分布

各因素對管流壓降的影響趨勢如圖4所示。

由圖4可看出：冷卻管道數目是對壓降影響最大的因素，所以設計時需主要考慮結構，隨著冷卻管道數目的增加，壓降也隨之增加，容易看出壓降的增幅也越顯著。由于油的黏度較大，流動過程中相應流阻也較大，故其壓力是最大的；當結構為軸向工字形時，壓降最小，螺旋形次之，軸向Z字形存在多處折轉，壓降最大，故對壓降來說較好的結構應該是軸向工字形。

圖4 管流壓降隨各因素水平的變化趨勢

根據正交試驗的均勻可比性，綜合兩個評價指標，將各因素的好的水平組合起來，得出所要求的較好的組合方案，即A3B2C1D2。

極差分析法簡單易行、直觀易懂，但沒有把試驗過程中試驗條件改變所引起的數據波動與由試驗誤差引起的波動區分開來，也無法對各因素影響的重要程度給出精確的定量估計。此外，對兩指標進行綜合評價的權衡系數的確定需要根據生產經驗以及重要性分析而定，沒有唯一標準，選出的較好的組合還需在后面的試驗中進一步確定。以上分析只是在3水平因素下得到的結果，更多選擇的冷卻管道結構以及數目等影響需在今后的分析和研究中完善。

5 結 語

從正交分析可以發現各因素對繞組最高溫度影響重要性順序為冷卻介質、冷卻管道數目、冷卻管道結構、殼體材料，對管流壓降影響主次次序為冷卻管道結構、冷卻管道數目、冷卻介質、殼體材料，由各因素水平的影響趨勢，得出較優的水平組合。正交試驗設計通過較少的計算模擬，全面了解到試驗情況，得到各因素的綜合影響效果和不同指標影響因素的主次排序，獲得較好的水平組合方式，結果準確可靠，為工程實際對電機散熱結構設計提供了分析方法并具有一定的意義。

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本刊投稿網址：motor-abc.chinaelc.cn

Numerical Simulation Research on Heat Dissipation of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Orthogonal Experiment*

WANGShuwang1，GAOYuexian1，ZHANGLei2(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

2. Jiangsu Zhongke Robot Technology Co., Ltd., Changzhou 213164, China)

The demand for clean-energy vehicles made permanent magnet synchronous motor (PMSM) develop in the direction of high power density and the study of the cooling system was particularly important for the temperature rise was one of the key problems. A 30kW forced liquid-cooled PMSM was set as an example. By orthogonal experiment and numerical simulation software, the motor cooling system properties and its influence factors were studied. According to the relevant literature and engineering experience, the housing materials, the cooling structure, the cooling medium and the number of pipelines were determined as the main factors affecting the motor cooling effect. The primary and secondary order of these factors were determined by the range analysis of the simulation results and it showed that the cooling medium and the cooling structure were, respectively, the most significant factor of the temperature rise and pressure drop. Simultaneously the results of the analysis also gave a better combination.

permanent magnet synchronous motor(PMSM)； heat dissipation； orthogonal experiment； numerical simulation

混合動力乘用車機電耦合系統開發及產業化項目(1501021004)

王淑旺(1978—)，男，博士研究生，副教授，研究方向為電動汽車電驅動系統和汽車自動化裝備。

TM 351

A

1673-6540(2016)11- 0103- 05

2016-05-03