電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的三維溫度場(chǎng)仿真分析

田玉冬，　王　瀟，　張舟云

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 汽車(chē)學(xué)院， 上海 200245； 2. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，

上海 200093； 3. 上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司 技術(shù)中心， 上海 200240)

?

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的三維溫度場(chǎng)仿真分析

田玉冬1,2，王瀟1,2，張舟云3

(1. 上海電機(jī)學(xué)院 汽車(chē)學(xué)院， 上海 200245； 2. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，

上海 200093； 3. 上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司 技術(shù)中心， 上海 200240)

摘要:針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作溫升過(guò)高的問(wèn)題，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行額定工況下的三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，分析得出了電動(dòng)機(jī)三維全域的溫度場(chǎng)分布情況及溫升極值區(qū)域；通過(guò)電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性，最后總結(jié)了電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布規(guī)律以及影響電動(dòng)機(jī)溫升的因素。

關(guān)鍵詞:驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)； 三維溫度場(chǎng)； 有限元法； 穩(wěn)態(tài)

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率密度不斷增加、電動(dòng)機(jī)額定電流以及轉(zhuǎn)矩密度的提高，常引起電動(dòng)機(jī)工作時(shí)內(nèi)部溫升過(guò)高；且由于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)安裝空間狹小、使用工況復(fù)雜，也使得其溫度場(chǎng)分布不均、內(nèi)部局部區(qū)域溫升過(guò)高。電動(dòng)機(jī)工作時(shí)溫升過(guò)高將限制其極限功率，且長(zhǎng)時(shí)間處于高溫運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)也將極大地降低電動(dòng)機(jī)的使用安全性。因此，電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)計(jì)算已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。如文獻(xiàn)[1]中采用了等效熱傳導(dǎo)方式處理電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵芯與其間氣隙復(fù)雜的對(duì)流換熱過(guò)程，并對(duì)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)散熱系數(shù)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]中分析了電動(dòng)機(jī)內(nèi)部熱源的傳熱形式和傳熱路徑。文獻(xiàn)[3-4]中采用節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)絡(luò)法，運(yùn)用傳熱方程對(duì)電動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)的平均溫度進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[5]中利用電磁場(chǎng)與流場(chǎng)耦合分析的方法對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)極限溫升進(jìn)行了研究。然而，由于電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算情況復(fù)雜，目前均只采用了相應(yīng)的溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化模型。如，有的電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)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(chǎng)節(jié)點(diǎn)熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算方法雖然簡(jiǎn)單直觀、便于工程計(jì)算，但該方法也只能計(jì)算出熱網(wǎng)絡(luò)中所設(shè)節(jié)點(diǎn)的平均溫度，無(wú)法對(duì)電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行全面分析。

基于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的傳熱規(guī)律，本文運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)整體進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算，分析了電動(dòng)機(jī)全域的溫度分布情況及局部最熱區(qū)域，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性。

1電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)和求解區(qū)域

1.1　基本參數(shù)

本文以一臺(tái)額定功率為21kW的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，并根據(jù)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸建立了其熱計(jì)算的求解域模型。表1給出了樣機(jī)的基本參數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。

表1　驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)樣機(jī)參數(shù)Tab.1　Parameters of the prototype motor

圖1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)與測(cè)試平臺(tái)Fig.1　General view of prototype motor and　experimental bench

1.2　求解區(qū)域

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸向?qū)ΨQ(chēng)、軸向周期性重復(fù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文給出了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)1/4的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.2　Physical model of the prototype motor

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)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(jī)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(chǎng)區(qū)域模型Fig.3　Model for solving the temperature field

同時(shí)，為了簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)的分析過(guò)程，仿真計(jì)算時(shí)假定了以下條件[6-8]： ① 電動(dòng)機(jī)在圓周方向的冷卻條件相同，忽略外部風(fēng)速對(duì)于電動(dòng)機(jī)軸向方向冷卻的影響；② 忽略定子繞組端部的趨膚效應(yīng)；③ 定子槽內(nèi)絕緣紙和絕緣漆的絕緣性能相同，無(wú)空氣泡存在；④ 用靜止流體的等效導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)描述氣隙的對(duì)流換熱。

2電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)傳熱模型

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部三維溫度場(chǎng)符合傅里葉導(dǎo)熱定律[9-12]?；诟道锶~導(dǎo)熱定律以及能量守恒方程可以推導(dǎo)出電動(dòng)機(jī)內(nèi)部導(dǎo)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(shí)間；τT為溫度場(chǎng)梯度；λ為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；φv為物體內(nèi)熱源；x、y、z為方向。

3電動(dòng)機(jī)散熱系數(shù)的確定及損耗計(jì)算

根據(jù)傳熱學(xué)基本理論，電動(dòng)機(jī)本身可看成一個(gè)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(dǎo)、固體與流體之間的熱對(duì)流[13-14]。另外，中小型功率電動(dòng)機(jī)的輻射熱量很小，可忽略不計(jì)。

3.1　散熱系數(shù)的確定

樣機(jī)的定、轉(zhuǎn)子氣隙長(zhǎng)度為0.8mm。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，可用有效導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)等效氣隙與定、轉(zhuǎn)子間流動(dòng)空氣的熱交換能力。氣隙等效導(dǎo)熱系數(shù)為

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

(2)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組產(chǎn)生繞組銅耗，為電動(dòng)機(jī)熱源[15]。繞組產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)定子鐵芯傳遞到機(jī)殼，被機(jī)殼水路中的冷卻介質(zhì)帶走；另一部分則由繞組端部與機(jī)內(nèi)空氣的熱對(duì)流傳遞出去。定子繞組端部對(duì)流換熱系數(shù)為

(3)

轉(zhuǎn)子鐵芯在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，其端面與機(jī)殼腔內(nèi)空氣形成熱對(duì)流。轉(zhuǎn)子鐵芯將轉(zhuǎn)子域一部分的熱量通過(guò)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(cè)端面的對(duì)流換熱方式散熱。轉(zhuǎn)子端面的對(duì)流換熱系數(shù)為

(4)

電動(dòng)機(jī)機(jī)殼與定子外圓緊密接觸，機(jī)殼外表面的對(duì)流換熱系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式[16]給出：

αjk=9.73+14v0.62

(5)

式中，αjk為機(jī)殼外表面的對(duì)流換熱系數(shù)；v為機(jī)殼外部風(fēng)速。

綜上計(jì)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(jì)算

本文考慮了電動(dòng)機(jī)的繞組銅耗與鐵芯損耗，并將其作為電動(dòng)機(jī)的熱源；利用Maxwell軟件對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁計(jì)算分析，得到在額定運(yùn)行狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)損耗值，并根據(jù)其相應(yīng)的生熱部件的體積可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的生熱密度，計(jì)算結(jié)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(dòng)機(jī)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(shí)，將電動(dòng)機(jī)熱載荷以熱密度的形式施加到電動(dòng)機(jī)各生熱部件上。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的銅耗為416W，鐵耗為1357W。

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的傳熱形式，對(duì)其機(jī)殼外表面施加空氣自然對(duì)流換熱條件，對(duì)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(qiáng)制對(duì)流換熱條件。設(shè)置環(huán)境溫度為22℃，冷卻介質(zhì)初始溫度為60℃。

表3　驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)材料熱性能參數(shù)Tab.3　Thermal parameters of materials inthe traction motor

5仿真結(jié)果及分析

通過(guò)仿真計(jì)算得到該驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的三維溫度場(chǎng)分布云圖。圖4給出了電動(dòng)機(jī)各熱源的溫度分布圖。圖5給出了電動(dòng)機(jī)整體溫度場(chǎng)分布圖。

由圖4、5可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)整體溫度場(chǎng)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(dòng)機(jī)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(cè)；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(jiàn)，電動(dòng)機(jī)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(jī)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(yuǎn)的永磁體則溫度較高。定、轉(zhuǎn)子氣隙兩側(cè)的溫差達(dá)到近18℃，表明氣隙的隔熱效果較強(qiáng)。

圖4　驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)各熱源的溫度分布

圖5　驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)整體溫度場(chǎng)分布Fig.5　Temperature distribution in the traction motor

對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)試，在其內(nèi)部的關(guān)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(cè)得熱阻電阻實(shí)測(cè)溫度值。表4給出了熱敏電阻實(shí)測(cè)的溫度值以及仿真計(jì)算出的關(guān)鍵位置溫度值。由表可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)的有限元計(jì)算值和實(shí)測(cè)值接近，表明仿真計(jì)算結(jié)果是可取的。

表4　有限元計(jì)算值與測(cè)量值Tab.4　FEM and measured data

6結(jié)論

本文針對(duì)一臺(tái)額定功率為21kW的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三維全域溫度場(chǎng)仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)。通過(guò)研究分析可得到以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡時(shí)，由于定、轉(zhuǎn)子間氣隙的導(dǎo)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(cè)。表明電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子繞組端部和永磁體中部為易產(chǎn)生熱量的過(guò)熱區(qū)域。

(3) 由于轉(zhuǎn)子區(qū)域材料的導(dǎo)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(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子域的溫升起著關(guān)鍵的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李青青,黃勤,楊立，等.永磁同步電動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)散熱參數(shù)分析與熱仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(4)： 188-191.

[2]邰永,劉趙淼.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)全域三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),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(yīng)電動(dòng)機(jī)三維全域溫度場(chǎng)計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012，32(36)： 96-101.

[8]李翠萍,裴宇龍,梁培鑫，等.水冷感應(yīng)電機(jī)不同運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析[J].微電機(jī),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(yīng)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子全域溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算及相關(guān)因素敏感性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27(24)： 85-91.

[12]和偉超,吳建華.電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其溫度場(chǎng)分析[J].輕工機(jī)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(qiáng).高速永磁電機(jī)的損耗計(jì)算與溫度場(chǎng)分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(9)： 166-173.

[16]孫建鑫,孫永興,王玉彬.嵌入式永磁同步電動(dòng)機(jī)二維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析[J].微特電機(jī),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(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):TM 301.4

文章編號(hào)2095 - 0020(2015)01 -0013 - 06

作者簡(jiǎn)介：田玉冬(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)系統(tǒng)控制,E-mail： tianyd@sdju.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué) 資助(51377104)；上海市閔行區(qū)科技項(xiàng)目資助(2013MH109)

收稿日期：2014 - 12 - 16