永磁同步電機溫升研究

賈丙碩，李曉藝

永磁同步電機溫升研究

賈丙碩，李曉藝

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

新能源汽車永磁同步電機在工作過程中極易發生過溫現象的問題，文章結合不同的情況對常用電機溫度場及溫升計算方法進行了說明。在對電機溫升問題研究中，可以依據研究需要選取合理的方法，節約研究時間減小工作量，同時提高研究精確度。研究結果表明合理的溫升研究方法可以快速得到電機溫升數據，進而將電機運行溫度控制在合理的范圍內。

永磁同步電機；溫升；鐵心損耗；等效熱路法

引言

永磁同步電機在新能源汽車中發揮極其重要的作用，其作為汽車動力核心為汽車輸出動力。在汽車行駛過程中由于頻繁的啟停以及急加減速，再加上永磁同步電機封閉小巧和高損耗密度的特點，因此電機溫升問題尤為突出。永磁同步電機長時間處于過溫狀態時，其工作性能和有效壽命都會大幅度下降，因此采用合理的方法對電機溫升進行計算并監控，將電機溫度控制在合理的范圍內尤為重要。在對電機溫升分析中常要涉及傳熱學、流體力學等多門學科，各國學者在諸多研究中逐漸積累了豐富經驗和方法。

1 電機結構及損耗分析

1.1 電機結構

永磁同步電機整體結構如圖1所示，轉軸、轉子、定子繞組及鐵心、殼體等部件共同組成電機主體[1]，在電機內部一般采用軸向分布肋片的方式來形成水套，從而對電機進行散熱。

1.2 電機二維模型

在研究永磁同步電機溫升問題前，為了縮短求解步驟以及最大程度地降低有限元建模時間，常將電機模型進行去除外殼體、轉軸、端蓋部分等簡化處理，同時簡化電機槽內繞組，轉子磁鋼的減重孔對電磁性能影響忽略不計后，可以極大程度地方便電機溫升問題研究。由于電機在結構上存在對稱性、運行具有周期性特點，在溫升研究中常常取電機的八分之一進行二維建模，然后對已經建好的二維模型進一步網格劃分操作得到電機二維網格，具體的電機二維模型及二維網格劃分如下圖2、圖3所示。

圖1 電機結構

圖2 電機二維模型

圖3 二維網格劃分圖

1.3 傳熱學理論

熱量可以自發地由高溫部分傳遞到低溫部分，熱量傳遞的方式可以分為熱傳導、熱對流以及熱輻射三種形式，其中熱傳導發生在直接接觸的不同物體間或者同一物體無相對位移的各部位，其中著名的傅里葉表達式總結了熱傳導這一規律，表達式為：

物體內部由于溫度分布不均從而導致熱量發生傳遞，熱對流是物體內部宏觀與微觀熱運動共同作用的結果。其中對流傳熱可以表示為：

其中表示傳熱系數，表示對流時流體與物體接觸面積，△t表示物體表面與流體二者間的溫差。

熱輻射是指帶有溫度的物體自身的熱量以電磁波的形式傳遞到空氣中的現象，因此在自然界中每一個物體都可以發生熱輻射，這種傳熱方式可以不依托介質進行，熱輻射表達式可以表示為：

其中表示物體的發射率，表示物體輻射表面積，表示物體的溫度。

1.4 鐵心損耗

表1 鐵心損耗系數表

帖耗系數 khkeka 擬合數值ω/m3184.2320.3860.269

圖4 磁密分布圖

1.5 繞組銅耗

趨膚效應和鄰近效應造成的附加損耗經過忽略后，繞組的基本銅耗可以表示為：

式中，表示繞組的總銅耗，表示繞組的相數，表示電流的有效值，代表每相繞組的電阻值。

實際上溫度的變化能夠引起導線阻值的變化，阻值變化受溫度影響的表達式為：

式中，0為參考電阻值；0為導體溫度系數；0為參考電阻率；為導線長度；為導線橫截面積。

1.6 永磁體渦流損耗

由于車用永磁同步電機低轉速的特點，因此在電機損耗中永磁體渦流損耗相比于鐵心和繞組銅耗要小得多，永磁體渦流損耗的計算方法可以表示為：

式中，P為電機永磁體渦流損耗；為渦流密度；為永磁體電導率。

為了保證計算的精確度，永磁體的渦流損耗可以通過建立三維有限元模型來求解，三維有限元模型可以通過已經給定的二維模型的軸向伸長量獲得。另外使用集膚深度方法，通過合理的設置剖分層數和最小邊長對網格進行剖分，可以極大程度地提高求解精度。

2 電機溫升溫度場計算方法

2.1 簡化公式法

假設鐵心損耗和繞組銅耗只通過定子外圓散出，同時對其他形式的熱交換忽略不計，采用結構相似的電機通過溫升試驗得到相近的散熱系數，經過等效替代，簡化公式法就變得非常簡單[2]。雖然這種方法存在缺陷及不合理情況，但是鑒于其計算結果較為接近真實結果，在對電機定子平均溫升的估算中經常用到。

2.2 等效熱路法

等效電路法是將電路理論通過一定的方式應用到熱場中，將實際的熱源和熱阻用集中熱源和等值熱阻等效替代進而計算出電機溫度場[3]。由于在實際中電機傳熱較為復雜，為了進一步簡化計算，人們常常假設電機繞組及鐵心具有無窮大的熱導率，通過這種假設就能得到繞組以及鐵心的平均溫度，但是該方法無法得到局部溫度和電機熱點具體位置。

2.3 等效熱網絡法

等效熱網絡法通過對計算區域離散化處理，假設熱源全部按一定的規律分布在各個網格節點上，各個節點之間通過熱阻進行有效的連接，從而可以得到電機的熱網絡求解模型[4]。代入邊界條件后通過計算不同部分的熱阻和損耗，可以較容易得到該電機的平衡方程組，從而求解出不同節點的溫度數值。該方法對計算機的要求不是太高，計算精度的高低直接受網格節點數量多少的影響。

2.4 有限體積法

通過將計算區域合理的離散化處理，分成有限個不交叉重疊的區域，從而可以得到這些區域的控制體積，通過積分求解的方式可以有效得到這些控制體積的控制方程，從而得到一系列離散方程[5]，在對方程組進行求解得到電機溫升。

2.5 有限元法

在對電機溫度場和溫升進行研究時，可以先將需要計算的區域通過離散化的方式分解成不同的互相連接但不存在交叉重疊的小單元[6]，在每一個單元內再選擇滿足特定插值條件的合適節點作為研究插值點，利用插值函數的線性表達式來代替微分方程中的變量，通過變分和加權余量的處理后，進而可以得到微分方程的解。

利用有限元這種思想研究電機溫度場問題時，可以準確地定位電機熱點位置以及內部溫度分布情況，計算精度高且能夠很好地適用于各種模型。但是利用該方法研究電機溫度場問題時計算量較大，對于邊界條件處理起來比較麻煩，因此對計算機有較高的要求。

3 總結

電機工作過程中將電能轉化為機械能，由于電機小巧且封閉的結構特點，運轉過程中伴隨能量損耗，從而造成電機內部各部件溫度升高。長期處于高溫狀態下的電機會引發嚴重后果，因此利用合理的方法對電機溫度場及溫升準確計算至關重要。本文結合不同的情況說明了常用電機溫度場及溫升計算方法，在對電機溫升問題研究中，可以依據研究需要選取合理的方法，節約研究時間減小工作量，同時控制結果精確度。

[1] 李曉藝.純電動汽車驅動電機損耗計算及溫度特性分析[D].合肥:合肥工業大學,2017.

[2] 張琪,魯茜睿,黃蘇融,等.多領域協同仿真的高密度永磁電機溫升計算[J].中國電機工程學報,2014,34(12):1874-1881.

[3] 劉秀杰,楊平,陳巖.發電機定子繞組溫度的計算方法及評價[J].電機與控制應用,2014, 41(1):19-22.

[4] 路義萍,豐帆,王佐民,等.同步電機定子三維溫度場數值模擬[J].電機與控制學報, 2012, 16(03):42-46.

[5] 丁樹業,孫兆瓊.永磁風力發電機流場與溫度場耦合分析[J].電工技術學報, 2012(11):118-124.

[6] 李偉力,付敏,周封,等.基于流體相似理論和三維有限元法計算大中型異步電動機的定子三維溫度場[J].中國電機工程學報,2000, 20(05):14-17+21.

Research on Temperature Rise of Permanent Magnet Synchronous Motor

JIA Bingshuo, LI Xiaoyi

（Shaanxi Industrial Vocational and Technical College, Shaanxi Xianyang 712000）

The permanent magnet synchronous motor of new energy vehicles is prone to overheating during the working process, this paper describes the common calculation methods of motor temperature field and temperature rise combined with different situations. In the research of motor temperature rise, we can choose a reasonable method according to the research needs, save research time, reduce workload, and improve the research accuracy. The results show that the reasonable temperature rise research method can quickly get the motor temperature rise data, and then control the motor operating temperature in a reasonable range.

Permanent magnet synchronous motor; Temperature rise; Core loss; Equivalent thermal circuit method

TM3

A

1671-7988(2021)23-83-03

TM3

A

1671-7988(2021)23-83-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.023

賈丙碩，就職于陜西工業職業技術學院。

純電動汽車驅動電機溫度特性分析研究（2020YKYB-024）。