基于多物理場耦合的車用永磁同步電機三維溫度場分析

馬少麗 程普 劉慧敏

摘 要：以德普達31KW的車用永磁同步電機為研究對象，首先利用ANSYS Maxwell進行了電機定子圓周的二維電磁場分析，計算出電機的各項損耗作為熱源，然后利用ANSYS Workbench 中的Flunt計算額定工況下電機的三維溫度場分布，最后通過試驗驗證了仿真結果的正確性。

關鍵詞：多物理場耦合;ANSYS;永磁同步電機;溫度場

0 引言

永磁同步電機因其具有結構簡單、可靠性強、能量密度高等優(yōu)點，成為電動汽車驅動系統(tǒng)的重點發(fā)展方向之一。在電機運行的各項參數(shù)中，電機系統(tǒng)的熱量管理水平決定了系統(tǒng)的功率密度和安全可靠運行的能力，車用高功率密度的永磁電機的發(fā)熱及冷卻問題是電動車關鍵技術問題之一。因此，確定PMSM的溫度分布是非常重要的。

采用流固耦合法，因為不同的計算區(qū)域應用通用的控制方程，所以可以回避電機中冷卻液和液冷接觸面之間散熱系數(shù)難以確定的問題，使計算結果更接近實際工況。本文采用多物理場耦合的方法，首先應用ANSYS Maxwell分析電機內的電磁場分布，并計算出電機的銅耗、鐵耗、渦流損耗等各項損耗作為溫度場計算的熱源，再利用Flunt計算電機在額定工況下的三維穩(wěn)態(tài)溫度場分布，并搭建試驗平臺對仿真結果進行驗證。

1 電機參數(shù)及模型

1.1 電機的基本參數(shù)及3D模型

本文以德普達31KW，36槽8極的永磁同步電機為例進行仿真計算，建立電機包含外殼、水道、定子鐵心、繞組等主要部件的3D模型（見圖1）。

1.2 電機電磁場的數(shù)學模型

選取定子圓周為計算區(qū)域，采用矢量磁位AZ為未知量，AZ所滿足的邊值問題如下式所示：

1.3 電機溫度場的數(shù)學模型

基于流固耦合法對電機的三維溫度場進行數(shù)值計算，三維導熱問題的微分方程及其邊界條件為：

2 仿真結果分析

2.1 電磁場分析

利用有限元軟件 ANSYS? Maxwell建立剖面圓周2D有限元模型，通過分析求解，得到其磁場分布圖、齒槽轉矩、銅耗、鐵耗等結果，作為溫度場計算的熱源進行加載。在鐵耗曲線報告圖上，由軟件內置的求平均值的函數(shù)avg，計算出電機鐵損為337.01W。同樣的方法，可求得電機銅耗、磁鋼渦流損耗的平均值分別為1180W和76W。圖2和圖3分別給出了電機額定工況下的磁通密度云圖和鐵耗曲線報告。

2.2 溫度場分析

在計算了熱源，給出了電機各部分材料的導熱系數(shù)，對計算域邊界指定了邊界條件和定義了流體屬性的情況下，可加載求解電機內的溫度場分布。

電機在冷卻水流速為0.4m/s，初始溫度為25 ℃的條件下，工作在 31 kW、3600 r / min 的額定工況并達到穩(wěn)態(tài)，經計算得到電機內溫度場分布，圖4、圖5分別為定子鐵心、繞組溫度分布圖。

由仿真溫度云圖可以看到，電機穩(wěn)態(tài)運行時，定子繞組的溫度最高并且最高溫度出現(xiàn)在繞組端部，這是由于電機內最大的損耗來源是銅耗。其次，電機內的鐵耗也比較大，所以定子鐵心溫度也較高。不過定子鐵心軛部距離水道較近，所以定子鐵心齒部的溫度高于軛部。電機內的最高溫度在允許的溫升范圍之內，所以電機可以可靠運行。

為了驗證基于多物理場耦合法仿真計算電機溫度場分布的正確性，本文對樣機搭建了溫升測試平臺，圖6為測試臺架。分別在電機機座外側、定子鐵心及繞組端部的內側放置熱電偶，在水道的入口、出口處放置測溫計測量水溫。通過試驗，電機內各部分溫升的實際值與計算值誤差在5%以內，驗證了多物理場耦合法計算電機溫升的有效性和準確性。

3 結論

以一臺 31KW的車用水冷PMSM為例，首先采用ANSYS Maxwell計算了電機內整個定子圓周上的二維電磁場分布，由此確定的損耗結果作為溫度場計算的熱源;在此基礎上，采用Flunt計算了電機的三維溫度場。最后通過試驗驗證了基于多物理場耦合的電機三維溫度場的數(shù)學模型以及計算方法的正確性。

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