電動汽車用永磁同步電機溫升計算不同方法對比分析

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(中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

永磁電機由于其效率高、可靠性高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于電動汽車中。而電動汽車(尤其是乘用車)對電機的精細化設(shè)計提出了越來越高的要求。準(zhǔn)確的溫升計算預(yù)估是實現(xiàn)電機高功率密度、輕量化、高可靠性等要求的基礎(chǔ)，同時，它也是關(guān)系到電機使用壽命和運行可靠性的重要因素。

在電機溫升計算中，目前最為常見的方法有三種：簡單熱路法、熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值仿真方法[1、2]。簡單熱路法是采用疊加原理，通過簡化的熱傳遞公式對電機穩(wěn)態(tài)溫升作出快速預(yù)測，一般由設(shè)計人員編制熱阻計算表單即可實現(xiàn)；熱網(wǎng)絡(luò)方法是將電機內(nèi)部損耗熱源集中在離散的節(jié)點上，通過熱阻和熱容構(gòu)建電機內(nèi)的熱量傳遞路徑的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，繼而得到電機內(nèi)部各個區(qū)域的溫度分布，熱網(wǎng)絡(luò)法目前電機廠家應(yīng)用較多的是商業(yè)軟件Motor-CAD；數(shù)值仿真方法是基于有限體積或者有限元方法，采用網(wǎng)格離散的方式，求解流動和傳熱控制方程，獲得電機內(nèi)部的溫度場，數(shù)值仿真方法基本需要采用商業(yè)軟件進行仿真，如ANSYS Fluent等。

以上三種方法都有應(yīng)用于電機熱設(shè)計中。文獻[3]介紹了熱路法在電機溫升計算中的應(yīng)用；文獻[4]、[5]、[6]則將熱網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于電動汽車永磁驅(qū)動電機溫升計算中，并對熱阻計算和提取進行了探討；文獻[7]、[8]、[9]采用數(shù)值仿真，通過流固耦合計算分析了電機內(nèi)部溫度場分布，對車用永磁驅(qū)動電機溫度分布特點進行了研究。

對于電動汽車電機溫升計算，到底采用哪種方法較為準(zhǔn)確合理，一直困擾著電機設(shè)計人員。本文將針對一款電動汽車永磁驅(qū)動電機為研究載體，采用以上三種方法對其溫升進行計算，并與試驗結(jié)果進行對比驗證。一方面介紹三種方法在電機溫升計算中的使用；一方面對比三種方法的計算準(zhǔn)確性，為設(shè)計人員對電動汽車永磁電機溫升計算提供參考。

1 永磁電機冷卻結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)電動汽車用永磁驅(qū)動電機大部分為機座水冷結(jié)構(gòu)。本文以本公司開發(fā)的一款乘用車用水冷永磁驅(qū)動電機作為研究載體，分別采用簡單熱路法、熱網(wǎng)絡(luò)方法和數(shù)值仿真方法對電機溫升進行計算分析。

電機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由內(nèi)嵌永磁體的轉(zhuǎn)子、嵌有繞組的定子、機座、端蓋、軸承及轉(zhuǎn)軸組成。電機為全封閉結(jié)構(gòu)，機座內(nèi)布置有軸向往復(fù)結(jié)構(gòu)的冷卻水道。繞組銅耗大部分經(jīng)絕緣傳導(dǎo)到定子鐵心，再與定子鐵耗一起傳遞到機座水道表面，經(jīng)冷卻水對流帶走；少部分損耗通過內(nèi)部空氣傳遞到端蓋，與環(huán)境自然對流散熱。

圖1 電機結(jié)構(gòu)示意圖

流經(jīng)電機的冷卻水流量為10L/min，電機進水口溫度為65℃；同時，電機處于60℃的環(huán)境中。

根據(jù)電磁計算，電機在額定工況的損耗如下表所示。根據(jù)文獻[6]的研究，機械損耗的一半加載在定子齒部，其余加載到軸承上。

表1 電機定額工況下?lián)p耗分布

根據(jù)以上電機結(jié)構(gòu)、損耗分布及冷卻條件，下面將分別采用簡單熱路法、熱網(wǎng)絡(luò)方法、數(shù)值仿真方法對電機定額工況下溫升進行計算分析，并粗略統(tǒng)計各個方法的耗時。

2 簡單熱路法計算

簡單熱路法是通過簡化傳熱路徑并集中熱源，采用疊加原理，將復(fù)雜發(fā)熱情況下電機繞組溫升視為各個熱源單獨存在時引起的繞組溫升之和。簡單熱路法由于計算簡單，在早期電機設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛。

采用簡單熱路法對永磁電機進行溫升計算時，需要做如下假設(shè)

(1)忽略熱量的軸向和周向傳遞，認(rèn)為電機中熱量只在徑向由內(nèi)向外，通過機殼表面冷卻水帶走。

(2)損耗集中在繞組和定子鐵心，且各個部分視為等溫體。

(3)由于轉(zhuǎn)子部分損耗很小，不考慮轉(zhuǎn)子部分溫升情況。

(4)由于氣隙導(dǎo)熱性能較差，不考慮定、轉(zhuǎn)子間的熱量傳遞。

(5)定子繞組端部散熱忽略不計。

根據(jù)以上假設(shè)，得到電機熱量傳遞的二源熱路圖，如圖2所示。其中，Pcu是定子繞組銅耗，PFe是定子鐵心損耗(包含定子鐵耗和1/2的機械損耗)；Tcu是繞組銅導(dǎo)體溫升，Tcore是定子鐵心溫升，Tlam是機座水道表面溫升。

圖2 電機等效熱路圖

Rcu-core是繞組銅導(dǎo)體與定子鐵心節(jié)點間的導(dǎo)熱熱阻，即絕緣導(dǎo)熱熱阻，計算公式為

Rcu-core=δinsu/λinsuAslot

式中，δinsu—絕緣厚度；λinsu—絕緣等效導(dǎo)熱系數(shù)；Aslot—槽內(nèi)表面積。

Rcore-lam是定子鐵心到機座水道表面熱阻，包括鐵心節(jié)點到定子外圓的傳導(dǎo)熱阻、定子與機座的接觸熱阻及機座內(nèi)圓到水道表面的傳導(dǎo)熱阻。而定子與機座的接觸熱阻一般等效為一定間隙的空氣隙。Rcore-lam計算公式為

(2)

式中，l—鐵心長度；λcore、λair、λlam—鐵心、空氣、機座材料的導(dǎo)熱系數(shù)；r1、r2、r3—定子槽底半徑、定子外半徑、機座水道內(nèi)圓半徑；δgap—等效空氣隙厚度，一般取0.005mm[6]。

而Rconve是冷卻水與水道壁面間的對流換熱熱阻

Rconve=1/(hfAduct)

(3)

式中，hf—水道與壁面間對流換熱系數(shù)；Aduct—水道表面積。

根據(jù)疊加原理和熱路分布，定子鐵心溫升為

Tcore=(Pcu+PFe)×(Rcore-lam+Rconve)

(4)

繞組銅導(dǎo)體溫升為

Tcu=PcuRcu-core+(Pcu+PFe) ×(Rcore-lam+Rconve)

(5)

根據(jù)以上公式，計算得到Rcu-core、Rcore-lam、Rconve熱阻值分別為0.0196K/W、0.0122K/W、0.00376K/W。帶入式(4)和式(5)，得到繞組平均溫升32.6K。

粗略統(tǒng)計，采用簡單熱路法對該電機溫升進行計算，全過程耗時約15min。

3 熱網(wǎng)絡(luò)法計算

上述簡單熱路法是將電機內(nèi)部復(fù)雜熱量傳遞過程簡化為一維傳熱過程，僅考慮電機徑向溫度差異，忽略軸向和周向溫差，理論上來講會造成計算存在較大偏差。而熱網(wǎng)絡(luò)方法則是將電機劃分成眾多離散的區(qū)域，將電機損耗熱源集中在各個離散區(qū)域的節(jié)點上，節(jié)點間通過熱阻連接，然后根據(jù)電機內(nèi)部熱量傳遞的方向及傳熱路徑建立二維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，將電機內(nèi)溫度場計算轉(zhuǎn)化為帶有集中參數(shù)的熱路計算的一種熱分析方法。

Motor-CAD是目前應(yīng)用最為廣泛的電機熱網(wǎng)絡(luò)分析軟件。由于其計算快捷方便的特性，在電機溫升計算，尤其是水冷永磁驅(qū)動電機溫升計算方面被很多廠家所采用。

采用熱網(wǎng)絡(luò)方法對永磁電機溫升進行分析時，需要忽略電機周向散熱不均勻性。

下面針對研究對象電機，基于Motor-CAD軟件，采用熱網(wǎng)絡(luò)方法對其定額工況下溫升進行計算分析。分析步驟如下

(1)根據(jù)電機幾何結(jié)構(gòu)和繞組方案，建立電機幾何結(jié)構(gòu)模型和定子槽內(nèi)繞組參數(shù)模型；

(2)用正交網(wǎng)格進行離散區(qū)域劃分，每個網(wǎng)格中心作為該區(qū)域的節(jié)點，繼而根據(jù)得到電機內(nèi)部節(jié)點間的熱阻分布模型，如圖3所示；

(3)指定各部分材料屬性和冷卻條件；

(4)根據(jù)傳熱學(xué)公式及軟件選配的經(jīng)驗公式計算各個熱阻值；

(5)結(jié)合熱網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的熱傳遞關(guān)系和發(fā)熱量，可以列出每個節(jié)點的熱平衡方程。聯(lián)立求解，即可得到各個節(jié)點的溫度值。

在Motor-CAD軟件中，輸入電機幾何特征參數(shù)和繞組分布參數(shù)后，軟件自動生成熱網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并自動計算?jié)點間熱阻值。理論上來講，劃分的離散區(qū)域越多，電機內(nèi)部溫升計算精度越高，但計算量也越大。為了兼顧計算速度和精度，這里將電機鐵心區(qū)域沿軸向劃分3段，繞組按上下兩層各布置1個節(jié)點。

圖3 電機Motor-CAD熱網(wǎng)絡(luò)分析模型

采用Motor-CAD對研究對象電機在額定工況下的溫度場進行計算，電機徑向截面和軸向截面上溫度分布如圖4所示。根據(jù)仿真結(jié)果，電機內(nèi)溫度整體呈現(xiàn)從內(nèi)到外徑向逐漸降低的趨勢，繞組部分的溫度最高，定子齒部次之，軛部更低。同時，電機徑向方向上溫度梯度比較大，說明徑向方向是電機散熱的主散熱路徑。最高溫度出現(xiàn)在定子繞組的端部，為114.8℃；繞組平均溫度107.1℃。即電機繞組最高溫升49.8K，平均溫升42.1K。

圖4 Motor-CAD計算的電機各區(qū)域溫度

粗略統(tǒng)計，采用Motor-CAD對電機溫升進行計算，從建立模型、參數(shù)調(diào)整到計算完成，共耗時約40min。

4 數(shù)值仿真方法計算

采用簡單熱路法或者熱網(wǎng)絡(luò)方法都只能得到電機各個離散區(qū)域的平均溫度，如果需要得到電機內(nèi)部的溫度場分布或者得到電機局部最高溫度，則只能采用數(shù)值仿真方法對電機溫升進行分析。數(shù)值計算方法具有準(zhǔn)確性高、幾何適用性強的特點，廣泛應(yīng)用于電機溫升計算。目前應(yīng)用較為廣泛的商業(yè)軟件有ANSYS Fluent、Star ccm+等。下面將基于ANSYS Fluent軟件，采用有限體積法對電機溫升進行仿真分析。對于研究對象電機，考慮到電機周向?qū)ΨQ性和計算資源，電機溫升計算模型采用1/8模型，對應(yīng)的將水道按照散熱面積進行等效處理。模型網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格加軸向掃描的方式進行網(wǎng)格劃分，兼顧了網(wǎng)格質(zhì)量和前處理效率，網(wǎng)格總量為約342萬。計算域和局部網(wǎng)格示意圖如圖5所示。

圖5 電機溫升數(shù)值仿真計算域及網(wǎng)格示意圖

分析過程中作如下假設(shè)：(1)認(rèn)為冷卻介質(zhì)為不可壓縮理想流體；(2)認(rèn)為渦流效應(yīng)對電機定子繞組的影響相同，定子繞組線圈銅耗均勻分布；(3)除定、轉(zhuǎn)子鐵心導(dǎo)熱性能為各向異性外，其他結(jié)構(gòu)件的導(dǎo)熱性能均認(rèn)為各向同性；(4)忽略計算中材料物性的溫度特性；(5)對模型中不影響計算精度的局部細節(jié)幾何特征進行合理的簡化處理；(6)忽略電機輻射散熱的影響。

計算中，冷卻流體與電機各部件流固耦合傳熱；損耗按照表1分布均勻加載在對應(yīng)各個部件上；冷卻邊界進口設(shè)置為水流量10L/min、溫度65℃，電機表面對流換熱系數(shù)16.7W/(m2·K)、環(huán)境溫度40℃?；谟邢摅w積法進行穩(wěn)態(tài)求解，采用高階迎風(fēng)格式進行離散，在迭代計算過程中，最終計算殘差小于10-4。

根據(jù)輸入對電機溫升模型進行仿真迭代，直至溫度場穩(wěn)定。電機內(nèi)部溫度場和定子部分溫度分布如圖6所示。根據(jù)仿真結(jié)果，電機內(nèi)溫度整體呈現(xiàn)從內(nèi)到外徑向逐漸降低的趨勢和熱網(wǎng)絡(luò)分析的結(jié)果是一致的。

相比于熱網(wǎng)絡(luò)計算結(jié)果，數(shù)值仿真結(jié)果可以更加直觀的看出繞組兩端溫度明顯高于中心區(qū)域溫度，這是由于繞組端部周圍是空氣，端部銅耗大部分先傳導(dǎo)到鐵心段再傳遞到機座，散熱條件較之鐵心段更為惡劣。定子繞組最高溫度達到約112.7℃，繞組平均溫度105.9℃；即電機繞組最高溫升47.7K，平均溫升40.9K。

圖6 數(shù)值仿真方法下電機在定額工況下溫升分布云圖

粗略統(tǒng)計，從建立計算域、網(wǎng)格劃分到計算迭代收斂，數(shù)值仿真共耗時約5h，其中耗時最多的是前處理階段。

5 溫升試驗驗證

為驗證三種計算方法的準(zhǔn)確性，對研究對象電機按照GB/T 18848.2《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法》的要求開展試驗獲得電機在以上定額工況下的溫升(試驗現(xiàn)場如圖7所示)。試驗時，保證流經(jīng)電機的冷卻水流量為10L/min，電機進口水溫為65℃。電機繞組平均溫升通過熱阻法測試，電機繞組最高溫度通過在繞組端部埋置多個熱電阻測量獲得。

圖7 電機溫升試驗現(xiàn)場圖

繞組平均溫升(K)繞組最高溫升(K)全過程耗時簡單熱路法計算32.6-15min熱網(wǎng)絡(luò)法計算值42.149.840min數(shù)值仿真法計算40.947.75h試驗結(jié)果40.145.2-

表2中列出了三種計算方法與試驗溫升結(jié)果的對比?？梢钥吹剑唵螣崧贩ㄓ嬎阒蹬c試驗值相比偏差最大，計算偏差在8K左右，相對偏差達20%，這是由于該方法將電機內(nèi)復(fù)雜傳熱路徑簡化為二源熱路，忽略了很多影響熱阻的因素，從而造成較大偏差。雖然簡單熱路法所需計算資源少、耗時短，但由于不滿足電動汽車用永磁驅(qū)動電機溫升準(zhǔn)確評估的要求，不建議作為主要溫升分析手段。

而計算準(zhǔn)確性最高的當(dāng)屬數(shù)值仿真方法，其計算結(jié)果與試驗的偏差在2.5K以內(nèi)；熱網(wǎng)絡(luò)方法精度略低，計算結(jié)果與試驗的偏差約在4.6K以內(nèi)。根據(jù)對比結(jié)果，數(shù)值仿真方法和熱網(wǎng)絡(luò)方法都滿足永磁驅(qū)動電機溫升計算準(zhǔn)確性的需求。而由于熱網(wǎng)絡(luò)方法計算資源占用和計算耗時都遠低于數(shù)值仿真方法，因此，熱網(wǎng)絡(luò)方法是一種工程上比較適用的電動汽車用永磁驅(qū)動電機溫升計算方法。

在實際計算過程中，由于熱網(wǎng)絡(luò)方法熱阻調(diào)節(jié)參數(shù)較多，對設(shè)計人員專業(yè)能力和熱設(shè)計經(jīng)驗要求較高，如模型調(diào)教不完善，有可能引起計算偏差較大。建議將熱網(wǎng)絡(luò)方法和數(shù)值仿真方法結(jié)合起來，在熱網(wǎng)絡(luò)模型調(diào)整階段通過數(shù)值仿真結(jié)果對模型熱阻參數(shù)進行調(diào)教，完成后，再使用熱網(wǎng)絡(luò)方法對各個工況的溫升進行快捷的評估。

6 結(jié)語

本文結(jié)合一款典型冷卻結(jié)構(gòu)的電動汽車永磁驅(qū)動電機，分別采用簡單熱路法、熱網(wǎng)絡(luò)方法、數(shù)值仿真方法對電機溫升進行了計算分析，并與試驗結(jié)果進行對比，分析了三種方法在電動汽車用永磁驅(qū)動電機溫升計算中的特點和應(yīng)用優(yōu)劣，結(jié)論如下。

(1)簡單熱路法由于傳熱路徑的過度簡化，不滿足車用永磁驅(qū)動電機溫升計算準(zhǔn)確性的要求。

(2)熱網(wǎng)絡(luò)方法和數(shù)值仿真方法在計算準(zhǔn)確性上都滿足車用永磁驅(qū)動電機溫升計算準(zhǔn)確性的需求，但熱網(wǎng)絡(luò)方法計算資源占用和耗時更少，對設(shè)計人員要求更高。

(3)建議將熱網(wǎng)絡(luò)方法和數(shù)值仿真方法結(jié)合使用，采用數(shù)值仿真結(jié)果校驗調(diào)整熱網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，用調(diào)教完成的熱網(wǎng)絡(luò)模型進行后續(xù)多工況的快速溫升評估。