車用永磁電機在不同工況下的溫升分析

劉金輝，李丹妮，蔡 巍

(海軍潛艇學院，青島 266199)

0 引 言

與普通工業(yè)電機相比，電動汽車用驅動電機功率密度不斷增加并且體積越來越小，其電磁負荷和熱負荷也在不斷提高[1-3]，而過高的熱負荷以及電機安裝位置的狹小、冷卻環(huán)境差等原因常常會造成電機工作時內部溫升過高、電機燒損等問題。因此，溫度場分布的準確計算可以大大提高車用永磁驅動電機的穩(wěn)定性和可靠性。

電機溫升計算方法主要分為3種：公式法、熱阻網絡法與有限元法。其中簡化公式法只能初步估算出整體鐵心或整個繞組的溫升值[4]。等效熱網絡法是將電機內部損耗源等效為熱源，將電機的各個部件等效為等值熱阻和熱容，把電機溫度場等效為一個集總熱路網絡，并利用電路求解理論方法得出熱路網絡中各個熱阻的溫升值。同濟大學的何磊等[5]首先選取了電機的幾個關鍵部件作為節(jié)點，建立了一臺水冷永磁驅動電機熱阻網絡模型，然后通過程序計算了電機在額定運行工況下的瞬態(tài)溫升。王曉遠[6,7]也利用熱阻網絡法，建立一臺輪轂電機的熱網絡模型，計算了電機穩(wěn)態(tài)運行時的溫升分布，并通過有限元法和實驗結果驗證了熱阻網絡法的有效性和可行性。

有限元法是目前求解電磁場、溫度場與流體場問題最為常用的方法。其原理是將需要求解的區(qū)域離散為若干個單元，并利用偏微分方程對所有單元進行求解。有限元法的優(yōu)勢在于可根據需求任意劃分網格，應用性較強，準確度較高，并能夠得出電機內部的溫度分布，但大量的網格節(jié)點往往增加了有限元法的計算量，其計算時間同時增加。國內劉蕾等[8-10]采用有限元法，以一臺額定功率25 kW車用永磁驅動電機為例，建立其三維有限元模型,通過仿真分析計算了電機額定工況下的溫度場及溫升變化，并對連續(xù)變功率工況下的電機內關鍵部分溫升進行仿真分析。

針對車用內置式永磁驅動電機工作環(huán)境差、電機功率密度高而引起易燒損、磁鋼退磁等問題，本文對一臺50 kW車用內置式永磁驅動電機在不同工況下的溫升進行分析計算。首先，分析電機在不同工況下的損耗值和鐵耗分布；其次，建立了電機3-D有限元流固耦合仿真模型，分別計算了電機在額定穩(wěn)態(tài)、峰值瞬態(tài)和高速運行時的溫升大小和分布；最后，制造了樣機，實驗測試了樣機在額定工況和高速工況下的繞組溫升，并與仿真結果進行對比，驗證了有限元計算的準確性。

1 車用永磁電機結構與損耗分布

1.1 電機結構

目前車用電機主要采用V型內置式永磁體結構，來提高電機的功率密度和扭矩密度以及減小電機體積，且其過載能力、調速性能都遠高于異步電機和磁阻電機。過大的功率密度和較小的散熱面積常常會使電機溫升過高，電機易發(fā)生繞組損耗、磁鋼退磁等問題。如圖1所示，內置式永磁電機主要包括定子鐵心、定子繞組、永磁體和轉子鐵心。其中，定轉子又分為齒部和軛部2部分。

圖1 車用永磁電機結構示意圖

本文以一臺額定功率為50 kW永磁電機為例，分析計算電機的溫升情況，電機的主要尺寸參數如表1所示。

表1 電機主要尺寸參數

1.2 電機損耗

為了準確計算電機的溫度場，首先需要準確計算電機內部的損耗值。永磁電機的發(fā)熱源主要為各個零部件的損耗，其損耗主要包括電樞繞組銅耗、定轉子鐵心損耗、機械損耗和附加損耗4部分。

其中對于多相繞組電機，電樞繞組銅耗是指各相繞組的電阻銅耗之和，其值和繞組電阻值、電流平方值呈線性關系。圖2給出了本文電機銅耗分布Map圖。由圖2可看出，不同于工業(yè)用電機，由于車用電機工況較為復雜，定子繞組電流變化較大，使電機在不同工況下銅耗差異也較大，因此在計算電機溫升時，需要根據實際工況來加載銅耗值。

圖2 車用永磁電機銅耗分布Map圖

鐵心損耗主要包括3部分：渦流損耗、磁滯損耗和附加損耗。其中渦流損耗為定轉子鐵心中的磁場發(fā)生變化所感應電流引起的損耗。磁滯損耗指鐵磁物質由交變磁場引起磁滯之間相互碰撞所產生的損耗。由Bertotti鐵耗理論可知：

pFe=ph+pc+pe=khB2f+kcB2f2+keB1.5f1.5

(1)

式中:pFe為定轉子鐵心損耗;ph為鐵心內磁疇相互摩擦引起的磁滯損耗;pc為鐵心感應電動勢引起環(huán)流而產生的渦流損耗;pe為鐵心雜散損耗;B為磁場密度;f為磁場變化頻率;即定子繞組電流頻率；kh為磁滯損耗系數；kc為渦流損耗系數;ke為附加損耗系數。

由式(1)可知，鐵心損耗主要受電機定子繞組電流頻率和磁場強度的影響，而永磁驅動電機的定子繞組頻率又和電機轉速呈線性關系。因此，電機轉速越高，其鐵耗越大；磁場強度主要受定子繞組電流值影響，電流越大，鐵心越飽和，電機鐵耗越大。圖3給出了電機鐵耗分布Map圖。由圖3可看出，隨著電機轉速和轉矩的提高，電機鐵耗逐漸增加。

圖3 車用永磁電機鐵耗分布Map圖

與銅耗均勻分布在繞組不同，由于電機鐵心中磁密分布并不均勻。因此，電機鐵心中各個部分的鐵耗分布并不相同，圖4給出了利用有限元法所計算的電機在額定工況下鐵耗分布。由圖4可看出，由于定子齒部較窄，磁密較為飽和，定子鐵耗主要集中在齒部，轉子鐵耗主要集中在其表面。因此，在電機溫升時需要對定子齒軛部、轉子齒軛部進行區(qū)分。

圖4 電機在額定工況下的鐵耗分布

2 有限元法計算電機溫升

本文對電機損耗大小與分布進行了分析，可知車用驅動電機在不同工況下時損耗均不相同。因此，在計算車用驅動電機溫升時，需要對各個工況分別進行計算。因此，本節(jié)將對車用驅動電機在額定穩(wěn)態(tài)工況、峰值瞬態(tài)工況和高速運行工況下的溫升進行計算。圖5給出了電機的有限元及其剖分模型。表2給出了電機在不同工況下的各部件損耗值和運行時間。

圖5 車用永磁電機3-D有限元及剖分模型

電機參數及損耗額定工況峰值工況高速轉速n/(r·min-1)3 0002 40010 000轉矩Te/(N·m)16040048功率P/kW50.2100.550.2定子電流is/A16040091.2熱負荷Q/(A·cm-1·mm-2)5 73735 8561 864銅耗pCu/W1 2487 800405定子齒部鐵耗psc/W6385463 379定子軛部鐵耗pse/W484444346轉子齒部損耗pre/W12488.8278機械損耗pme/W100641 111總損耗∑p/W2 5948 9435 519運行時間t/s7 20060 3 600

2.1 電機在額定穩(wěn)態(tài)工況下的溫升

電機額定工況對應電動汽車長時間均速運行狀態(tài)。因此，需要計算在此工況下的穩(wěn)態(tài)溫升進行計算。圖6給出了電機在額定工況下工作2 h的溫升曲線。由圖6可知，當電機長時間運行在額定工況并達到穩(wěn)態(tài)時，由于繞組銅耗大、發(fā)熱量嚴重。因此，繞組溫升最高。而由于水冷電機主要依靠水道散熱，隨著與機殼水道距離的減小，定子齒部、定子軛部、機殼溫升逐漸減小。圖7給出了電機達到穩(wěn)態(tài)后的定轉子溫升分布。由圖7發(fā)現，定子中繞組中心溫升最高，轉子中其軸向中心表面溫升最高。

圖6 電機在額定工況下溫升曲線

(a)定子溫升

(b)轉子溫升

2.2 電機在峰值瞬態(tài)工況下的溫升

電機峰值工況對應電動汽車短時爬坡、加速等工況，此時電機扭矩和電流較大。因此，電機銅耗較高。圖8給出了電機在峰值工況下工作1 min時的溫度變化曲線。由圖8可知，此時繞組溫升較高，磁鋼、轉子表面溫升較低，這主要是由于此時電機損耗主要為電樞繞組銅耗，因此電樞繞組在短時間內溫升較快，從而將熱量傳遞給與之相鄰的定子鐵心，使之溫度也逐漸升高；轉子鐵耗、磁鋼渦流損耗等均較小且時間較短，因此其溫度并沒有明顯變化。

圖8 電機在峰值工況下工作1 h后穩(wěn)態(tài)溫升曲線

2.3 電機在高速運行工況下的溫升

由前文和表2可知，當電機運行在高速工況時，電機鐵耗急速增加，此時電機損耗主要為定轉子鐵耗。圖9和圖10分別給出了電機在高速工況下工作1 h的溫升曲線和溫升分布。由圖9可知，當電機長時間運行在高速工況時，由于定轉子鐵耗大、銅耗較小，且盡管轉子鐵耗相對定子鐵耗較小，但轉子主要依靠于與機殼內部的空氣對流散熱，散熱較慢，因此此時轉子表面和磁鋼溫度溫升最高。定子結構中繞組散熱條件較差以及定子齒部鐵耗最大，因此定子繞組和定子齒軛部溫升也較高，隨著與機殼水道距離的減小，定子齒部、定子軛部、機殼溫升逐漸減小。運行1 h后磁鋼溫度為136 ℃，此時有退磁風險，因此需要實時觀察電機在高速運行時的磁鋼溫度。

圖9 電機在高速工況下工作1 h的溫升曲線

(a)定子溫升

(b)轉子溫升

3 樣機制作與實驗分析

為了驗證有限元仿真的準確性以及研究車用永磁電機的溫升特性，按照前述設計制造了樣機并在不同工況下對電機進行溫升實驗，圖11為樣機實物圖，其中電機采用水冷冷卻方式，水速為10 L/min，冷卻液、環(huán)境溫度和電機初始溫度均為20 ℃，電機測溫元件為Pt100，主要監(jiān)測電機定子繞組和轉子磁鋼溫度。

圖11 樣機和實驗平臺

圖12給出了電機在額定工況穩(wěn)態(tài)運行2 h時，其定子繞組和磁鋼的實測與仿真對比曲線。由圖12可知，在額定工況穩(wěn)態(tài)溫升測試中，利用有限元法所計算的溫升值與溫升趨勢基本與實測一致，誤差在5%以內，驗證了有限元法計算電機溫升的準確性。實測溫度比仿真溫度略低，這是由于利用有限元法計算的電機損耗與實際損耗之間也有一定的誤差。

圖12 電機在額定工況下的實測與仿真溫升對比

4 結 語

本文以一臺50 kW車用永磁電機作為研究對象，介紹了內置式永磁電機在不同工況下的損耗分布和大小，并通過有限元仿真模型對電機在不同工況下的溫升進行仿真計算，并分析了電機溫升分布情況。通過樣機實驗，驗證了有限元法計算電機溫升的準確性。本文得到了以下結論：

1) 與傳統工業(yè)用電機不同，由于車用驅動電機工況的復雜性，電機銅耗、鐵耗變化較大，當電機轉速提高時，電機鐵耗增加；當電機轉矩提高時，電機銅耗和鐵耗均增加，且鐵耗主要集中于定子齒部。

2) 當電機長時間運行在額定穩(wěn)態(tài)時，電機繞組溫升最高；當電機運行短時運行在峰值瞬態(tài)時，由于電機銅耗較大，轉子鐵耗、磁鋼渦流損耗等均較小且時間較短，則此時繞組溫升最高，磁鋼、轉子表面溫度沒有明顯變化。

3) 當電機運行在高速工況時，由于定轉子鐵耗大、銅耗較小，轉子散熱效果較差，則此時轉子表面和磁鋼溫度溫升最高，即當電機運行在高速工況時磁鋼退磁風險較大。

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