電動車用永磁同步電機溫升分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李曉藝

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

引言

電機作為電動汽車的動力核心，其小型化體積和高功率密度常造成內(nèi)部溫升過高，從而影響電機的運行性能、效率和壽命[1-2]。選擇合理的散熱方式和散熱結(jié)構(gòu)，使電機溫升控制在安全范圍內(nèi)，具有重要的意義。

液冷系統(tǒng)由于所占空間小、散熱效果好，目前應(yīng)用于大多數(shù)電機上[3]。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且水道結(jié)構(gòu)對冷卻液的流動情況和電機的溫度分布起關(guān)鍵作用。國內(nèi)外眾多學(xué)者對電機的溫度場計算、損耗計算做了研究，且取得了一些成果，但對電機冷卻水路的相關(guān)研究較少。梁培鑫等對比研究了2 種常用的軸向Z 字型和周向螺旋型水路，綜合考慮了水路的散熱效果和對外部散熱器及泵體的影響，給出了基于電機長徑比的水冷電機水路選擇方法[4]。田玉冬等研究了一種C 型環(huán)槽水路。結(jié)果表明，該水路結(jié)構(gòu)中，各水路支路間流場分布均勻，傳熱性能良好[5]。和偉超等研究了一種高效率并聯(lián)V 型水冷結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，相比于串聯(lián)水冷結(jié)構(gòu)，并聯(lián)水冷結(jié)構(gòu)流動壓頭損失小，且可通過調(diào)整主水路的形狀使流場更加均勻[6]。

針對上述水道結(jié)構(gòu)沿水流行程溫度升高，冷卻不均的問題，本文以一臺永磁同步電機為研究對象，通過磁熱耦合分析，得到電機的溫升分布，并與試驗值比對。建立互逆雙水道模型，比對不同水道結(jié)構(gòu)冷卻液速度分布和電機溫升分布情況，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 電機結(jié)構(gòu)及其參數(shù)

本文所研究的樣機為永磁同步電機，圖1 所示為電機整體外觀圖，主要由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、定子繞組、定子鐵芯、電機殼體等部件組成。其中，機殼內(nèi)軸向分布肋片形成水套。

圖1 電機整體結(jié)構(gòu)

電機的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 電機基本參數(shù)

2 熱源損耗計算

采用Ansoft Maxwell 軟件進行仿真計算，模型簡化后取1/8 樣機模型進行二維建模，依據(jù)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)建立如圖2 所示的物理模型。

圖2 電機二維物理模型

對額定工況下工作的電機進行有限元計算，設(shè)置各部件的材料屬性，添加繞組激勵，將轉(zhuǎn)子、永磁體設(shè)為運動部件，施加主從邊界條件、矢量磁位邊界條件，設(shè)置求解選項并進行仿真[7-8]。

2.1 鐵芯損耗

圖3 為轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)到不同位置時電機的磁密分布圖。

圖3 磁密分布圖

由圖3 可見，轉(zhuǎn)子上的隔磁磁橋處磁密最大，定子鐵芯不同部位的磁密隨時間變化而不同。

圖4 為額定工況下電機定子和轉(zhuǎn)子鐵芯損耗隨時間的變化曲線。

圖4 鐵芯損耗曲線

由圖4 可見，鐵芯損耗隨電機運行逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定。鐵芯損耗取電機運行穩(wěn)定后的平均值，定子鐵芯損耗約為450 W，轉(zhuǎn)子鐵芯損耗約為29 W。

2.2 繞組銅耗

忽略趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的附加損耗，繞組的基本銅耗可以表示為：

式中：Pcu為繞組的總銅耗，W；m 為繞組相數(shù)；I 為電流有效值，A；R 為每相繞組的電阻值，Ω。

實際導(dǎo)線的電阻值是一個隨溫度變化的量，可用公式表示為：

式中：R0為參考電阻值，Ω；α0為導(dǎo)體溫度系數(shù)，℃-1；ρ0為參考電阻率，Ω·m；l 為導(dǎo)線長度，m；S 為導(dǎo)線橫截面積，mm2；t 為電機運行穩(wěn)定時的繞組溫度，℃；t0為環(huán)境溫度，℃。

試驗測得，t0=20 ℃時，參考電阻R0=8.28m Ω；電機的額定電流為I=120 A；導(dǎo)體溫度系數(shù)α0=0.003 93℃-1；電機運行穩(wěn)定時的繞組溫度取t=100 ℃，通過公式（1）和公式（2）計算得到Pcu=470 W。

2.3 永磁體渦流損耗

圖5 為仿真得到的額定工況下永磁體渦流損耗曲線。電機運行穩(wěn)定后，永磁體渦流損耗約為40 W。

圖5 永磁體渦流損耗曲線

3 基于CFD 的電機溫升計算

3.1 穩(wěn)態(tài)仿真

對電機進行模型簡化及邊界條件設(shè)置[9-10]，穩(wěn)態(tài)熱仿真后，得到電機內(nèi)部溫升分布情況，如表2 所示。

表2 電機內(nèi)主要部件的溫升分布 ℃

由表2 可見，電機運行至溫升穩(wěn)定時，定子鐵芯和繞組為熱源，溫升較大，繞組溫度最高為98.4 ℃；由于兩側(cè)冷卻條件不一致，定子鐵芯溫差最大。

圖6 為電機的徑向溫升分布圖。

圖6 電機徑向溫升分布圖

圖6 的折線中，ab 段為定子繞組，cd 段為定子鐵芯，ef 段為電機殼體內(nèi)側(cè)，gh 段為冷卻液道，ij 段為電機殼體外側(cè)。

由圖6 可見，電機運行至溫升穩(wěn)定時，由內(nèi)徑向外溫度逐漸降低。這是由于繞組損耗大且內(nèi)部無冷卻系統(tǒng)，冷卻不到位；殼體非熱源，且冷卻條件好，溫度最低。繞組絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)致bc 段存在溫度梯度；同樣，定子與殼體之間存在裝配間隙，空氣導(dǎo)熱系數(shù)小，導(dǎo)致de 段存在溫度梯度。

3.2 試驗驗證

在外界環(huán)境溫度為27 ℃，額定負載運行工況下，對電機進行溫升試驗。圖7 為電機溫升試驗平臺。設(shè)定冷卻液初始溫度、流量與仿真邊界條件一致。

圖7 電機溫升試驗平臺

由于仿真忽略了占比較小的損耗，且試驗設(shè)備存在測量誤差，瞬態(tài)仿真結(jié)果與試驗溫度之間存在誤差。瞬態(tài)仿真結(jié)果與試驗溫度比對如圖8 所示。相對誤差小于2%，仿真結(jié)果可信。

圖8 試驗值與仿真值對比圖

4 雙水道結(jié)構(gòu)溫升分布

考慮到單水道模型冷卻液溫度隨水流行程逐漸增大，造成電機冷卻不均勻。分析單水道模型弊端，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，建立軸向、平行、螺旋互逆雙水道模型如圖9 所示。水道整體設(shè)計寬度均為132 mm，高度均為8 mm，入口和出口直徑均為14 mm。

圖9 雙水道模型

對模型前處理（建立有限元模型）后，設(shè)置相同的邊界條件，熱仿真所得結(jié)果如表3 所示。

表3 各種水道熱分析結(jié)果對比

分析表3 可知，雙水道模型的冷卻效果整體優(yōu)于單水道模型。由于模型的基準溫度為60 ℃，可知，相比于軸向單水道，軸向雙水道的最大溫升降低了3.5 ℃，降低了9.1%；平行雙水道的最大溫升降低了3.7 ℃，降低了9.6%；螺旋雙水道的最大溫升降低了3 ℃，降低了7.8%。

4.1 冷卻液流速

圖10 為4 種水道模型的冷卻液速度矢量圖。

圖10 冷卻液速度矢量圖

對比可以發(fā)現(xiàn)，雙水道模型的流場分布較為均勻；單水道模型的流速最大，但是水道內(nèi)存在大量不利于傳熱的緩流區(qū)。

軸向雙水道內(nèi)的局部最大流速為1.38 m/s，位于水道拐角變截面處，且在水道的兩側(cè)，流速較小。由于軸向水道沿程有許多拐角，湍流度高，最大流速高，冷卻效果較好，但同時壓力損失較大[11]。

螺旋雙水道是沿電機圓周方向呈螺旋狀分布肋板形成水道，水流順暢，沿程壓力損失最小。由于沒有變截面的擾動，2 條水道內(nèi)最大流速較小，為0.83 m/s，但流場整體分布比較均勻。

平行雙水道內(nèi)，各平行支路內(nèi)流場均勻，水流的分流效果好，水道內(nèi)局部最大流速為1.22 m/s，位于水道拐角變截面處。相較于螺旋雙水道，變截面的擾動增大了冷卻液的湍流度。相較于軸向雙水道，沿程拐角較少，壓力損失較小。

4.2 徑向溫升分布

圖11 為4 種水道結(jié)構(gòu)的電機徑向溫升分布圖。折線中，single 表示軸向單水道，axel 表示軸向雙水道，parallel 表示平行雙水道，helix 表示螺旋雙水道。

圖11 電機徑向溫升分布對比圖

由圖11 可以看出，4 種水道結(jié)構(gòu)的電機溫升分布大體一致，冷卻效果存在差異，雙水道模型的冷卻效果明顯優(yōu)于單水道模型。

單水道模型冷卻液流動過程中，沿程水溫增大，冷卻液冷卻效果下降，造成電機進出水口兩端冷卻不均勻，出口端冷卻不足，從而導(dǎo)致電機最高溫升增大。雙水道模型存在2 股互逆的水流，使得電機進出水口兩端溫度均勻化，從而降低了電機的最大溫升。

雙水道模型中，平行雙水道和軸向雙水道的冷卻性能高于螺旋雙水道。相比于螺旋雙水道，平行雙水道和軸向雙水道由于水流行程中拐角的存在，增大了湍流度，同時增加了對流換熱系數(shù)，所以冷卻效果更好。

5 結(jié)論

本文通過對一臺永磁同步電機的有限元分析和試驗研究，得出以下結(jié)論：

1）電機運行至溫升穩(wěn)定時，由于定子和機殼之間空氣間隙、繞組絕緣層的存在，徑向溫度分布存在2 個溫度梯度。

2）雙水道結(jié)構(gòu)在機殼內(nèi)形成2 股互逆的水流，使電機進出水口兩側(cè)溫度均勻化，從而降低了電機最大溫升。

3）軸向及平行水道由于水道拐角處流通截面積變小，流動方向改變。一方面使得流速提高，湍流度增大，對流換熱系數(shù)增大，從而改善傳熱；另一方面渦流的產(chǎn)生導(dǎo)致局部損耗，使得水路壓力沿程損失增大。