车用变频调速水冷永磁同步电机三维温度场分析*

王淑旺，　江　曼，　朱标龙，　刘马林

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥　230009)



车用变频调速水冷永磁同步电机三维温度场分析*

王淑旺，江曼，朱标龙，刘马林

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009)

摘要：为研究其三维温升分布规律，以一台48槽的纯电动车用水冷永磁同步电机作为研究对象，首先分析了电机的热损耗，计算了绕组的等效导热系数；然后采用流体场与温度场耦合法仿真计算额定工况下电机的三维温度场与峰值工况下电机的温升，符合设计要求；最后通过试验验证了仿真分析的正确性。

关键词：永磁同步电机； 流体场与温度场耦合； 额定工况； 峰值工况； 电动汽车

0引言

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchro-nous Motor， PMSM)因为其能量密度高、运行效率高、可靠性强等优点，受到汽车生产厂商的青睐[1]。变频调速的PMSM谐波含量大，发热严重，产生过高温升。若电机产生的热量不能及时散去，会缩短电机的使用寿命，并影响电动汽车安全行驶的可靠性[2]。因此，需要分析变频调速的PMSM温升分布规律。为了准确得到电机的温升分布情况，国内外学者对此做了大量研究。G Airoldi等通过引入径向和轴向热模型，采用等效热网络法计算出电机的二维热网络模型[3]；李伟力等根据牛顿放热基本定律计算出电机定子表面等效散热系数，利用有限元法计算出超导同步电机温度场[4]；Y.J.Liu等利用耦合的热网络法和有限元法计算分析电机的三维稳态温度场[5]。

采用上述方法分析液冷PMSM的温度场时，通常是将流体的流速与流固边界处固体表面的散热系数视为常数，而实际上的散热系数受流体的流动状态与物理性质等多种因素影响，其值非为常数且难以精准确定[6]。流体场和温度场耦合的方法，避免了液冷电机中与冷却液接触面散热系数难以确定的问题，可精确计算出冷却液流动过程中电机温升的大小。

本文采用流体场与温度场耦合的方法，利用ANSYS Workbench中的CFX模块仿真计算纯电动车用水冷PMSM运行在额定工况条件下的三维稳态温度场以及运行在峰值工况条件下的温升是否符合电机的设计要求，并搭建试验平台，对仿真结果进行验证。

1电机基本参数及模型的确定

1.1　电机的物理模型及基本参数

根据实践经验与仿真分析，永磁电机的发热主体为定子铁心与绕组。为简化计算，本文建立了包括电机壳体、水道、定子铁心及绕组的求解域模型，如图1所示。电机的基本参数如表1所示。

图1　电机的求解域物理模型

参数名称参数值参数名称参数值额定功率/kW25定子外径/mm203额定转速/(r·min-1)3000定子内径/mm123峰值功率/kW50定子槽数48峰值转速/(r·min-1)7200线圈形式单层链式

1.2　电机内流体场温度场耦合的数学模型

电机的冷却液在水道内流动的过程中，遵循三大物理守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。假设冷却液为不可压缩性流体且忽略其流动过程中浮力与重力的影响，则三大守恒定律的数学描述，即流体场的通用控制方程[7]如下。

质量守恒方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

式中：u、v、w——速度在x、y、z方向上的分量；

t——时间；

p——压力；

τxx、τyx、τyz——粘性应力τ的分量；

T——温度；

α——流体的传热系数；

cp——比热容；

ST——流体的粘性耗散项。

1.3　电机温度场的数学模型

基于流体场温度场耦合的方法对车用水冷PMSM的三维温度场进行数值计算，在笛卡尔坐标系下，三维导热问题的微分方程及其边界条件为[8]

(4)

式中：kx、ky、kz——求解域内各介质沿x、y、z方向的导热系数；

T——电机的待求温度；

qv——电机的热流密度；

ρ——物体的密度；

c——物体的比热容；

t——时间项；

S1、S2——求解域的边界面；

q0——通过S1的热流密度；

Tw——流体的温度；

n——物体边界向量。

2PMSM损耗的确定

变频控制下的PMSM，磁场中会含有大量的谐波，致使绕组的变频附加损耗与定子谐波铁耗增加，导致电机内温度过高。

准确计算电机内各关键部分的损耗值，是进行分析计算电机三维稳态温度场的前提。根据已有的试验数据，考虑定子的谐波铁耗与绕组的变频附加损耗，计算出电机如表2所示四种工况的绕组铜损耗与定子铁心损耗。

表2　电机四种工况的损耗值　W/kg

3电机关键问题的等效处理

3.1　绕组的等效处理

本文研究的PMSM绕组的绕线方式采用单层链式，绕制方便，但其在定子槽中分布情况复杂，且槽中含有绝缘漆、浸渍漆、绝缘纸等多种绝缘材料，很难直接准确计算绕组的导热系数。为了简化计算与便于分析，将槽内的所有铜线与绝缘材料各自等效为一层，其位置分别位于槽中心与紧贴槽壁，等效模型如图2所示。

图2　绕组等效模型

等效后，等效导热系数λev算式为[9]

(5)

式中：δi——各绝缘材料的等效厚度；

λi——各绝缘材料的导热系数。

通过式(5)可计算出等效绝缘层的导热系数为0.23W/(m·K)。

3.2　电机壳体与定子铁心间装配间隙的计算

电机壳体与定子铁心在装配的过程中，由于受到公差和表面粗糙度等因素的影响，导致壳体与定子铁心间不完全接触，存在很小的装配间隙，形成接触热阻。接触热阻的大小直接影响电机内部件的散热。因此，为了准确计算电机的温度场，必须考虑壳体与定子铁心间的装配间隙对电机温度场的影响。装配间隙的计算公式可表示为[10]

(6)

式中：δ——装配间隙；

d1——定子外圆直径。

通过式(6)可计算出本文所研究电机的装配间隙为0.0111mm。

4仿真结果分析

为了简化计算，在仿真之前，先作如下假定：

(1) 电机内冷却水的流速远小于声速，即马赫数很小，故冷却水可视为不可压缩流体；

(2) 由于电机热源所产生的热量主要被冷却水带走，故可忽略水套外表面与周围空气的换热及辐射换热对电机温度场的影响；

(3) 电机在工作过程中所产生的定子铁心铁耗、绕阻铜耗各自均匀分布在定子铁心与绕组上；

(4) 绕组端部采用平直化处理；

(5) 忽略电机的风摩损耗和轴承摩擦损耗；

(6) 假定电机的各种导热系数与散热系数为常数，忽略其因温度变化而引起的变化。

4.1　额定运行时电机稳态温度场仿真结果及分析

电机冷却水流速10L/min，初始温度60℃。在25kW、3000r/min的额定工况下持续运行时，通过对电机求解域模型进行流体场与温度场耦合的数值计算，得到电机定子铁心与绕组的稳态温升分布，如图3所示。

图3　电机额定运行时定子铁心与绕组的稳态温度场

由仿真结果可知，电机在额定工况下持续运行，温升达到稳态时，绕组的温度最高，为92.32℃，且最高温度位于绕组端部。由于结构上定子铁心与壳体直接接触，壳体中的冷却水使定子铁心轭部散热优于齿部，故定子铁心齿部的温度最高为85.22℃，轭部的温度最高为66.25℃。由仿真结果可知，绕组的最高温度在所允许的温升限度以内，故电机可以安全可靠地运行。

4.2　峰值运行时电机瞬态温度场仿真结果及分析

在冷却水流速为10L/min，初始温度为60℃时，电机系统能输出如表3所示特性。

表3　设计要求电机输出特性

要求4种工况依次完成，且间隔时间<3min。根据实践经验，电机在额定工况及额定功率、峰值转速工况下分别运行60、50min温升基本达到稳定，取4种工况依次完成的间隔时间为160s。根据设计要求对电机进行瞬态仿真计算，仿真的总时间为7140s，绕组的最高温度位于绕组端部，电机在峰值工况段运行30s，绕组端部与定子铁心的温升曲线，如图4所示。

图4　电机峰值运行30s的温升曲线

由图4可知，电机峰值运行第30s时，绕组端部的温度为93.01℃，定子铁心的温度为76.34℃，均在所允许的温升限度以内，符合电机的设计要求，且应对实际复杂多变的工况，电机设计的温升余量较大。

5车用PMSM温升试验

为了验证基于流体场与温度场耦合法仿真计算电机温升的正确性及采用该方法仿真分析电机峰值运行30s的温升符合设计要求的正确性，本文对试验样机搭建了温升试验平台，进行了温升试验。由电机温升实践经验和仿真结果可知，电机绕组端部相较于电机其他部件温升较高，故在电机的绕组端部埋置温度传感器。

电机额定运行，达到稳态后，电机绕组端部试验值的最高温度为89.5℃，与相应的仿真值的温升误差为8.73%，在允许的误差范围之内。

样机依次完成四种工况且间隔时间取值与仿真时一样，为160s。第四种工况即峰值工况电机运行30s绕组端部温升曲线试验值与仿真值如图5所示。

图5　电机峰值运行时绕组端部仿真值与试验值对比

由图5可知，峰值工况下电机运行第30s时，绕组端部温度的试验值为92℃，与相应的仿真值的温升误差为9.75%，在允许的误差范围内。

根据试验结果可知，试验值与仿真值基本吻合，验证了流体场与温度场耦合法对所建电机模型温升计算的正确性与有效性，并验证了应用该方法分析电机在峰值工况下运行30s的温升符合设计要求的正确性。

6结语

本文以一台48槽变频调速的纯电动车用水冷PMSM为例，计算了电机绕组的等效导热系数，考虑了壳体与定子铁心装配间隙对电极温升的影响，采用流体场与温度场耦合法仿真计算了电机额定运行至温度平衡的温度场，且根据设计要求依次仿真完成四种工况，并搭建试验平台，测试了电机绕组端部温升，可得到以下结论：

(1) 由于对电机模型的简化与求解域内的基本假设，使电机温升的仿真值与试验值存在可允许的误差，电机在额定工况、峰值工况下运行时，绕组端部温升试验值与仿真值误差分别为8.73%、 9.75%，仿真值与试验值基本吻合，验证了基于流体场与温度场耦合法对本文所建电机模型进行温升计算的正确性与有效性，并验证了利用该方法分析电机在峰值工况下运行30s的温升符合设计要求的正确性。

(2) 在变频控制下，电机内温度分布较复杂，定子铁心齿部温升高于轭部温升，额定工况下运行至温升达到稳态后，电机绕组端部温度最高为92.32℃，峰值工况下运行30s，第30s时电机绕组端部温度最高为93.01℃，均在所允许的温度限度以内，电机可安全可靠地运行。

【参 考 文 献】

[1]李翠萍.微型电动汽车用感应电机的冷却系统研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2013.

[2]丁树业，郭保成，冯海军，等.变频控制下永磁同步电机温度场分析[J].中国电机工程学报，2014，34(9)： 1368-1375.

[3]LIM C H， AIROLDI G， BUMBY J R， et al. Experimental and CFD investigation of a lumped parameter thermal model of a single-sided， slotted axial flux generator[J]. International Journal of Thermal Sciences， 2010，49(9)： 1732-1741.

[4]李伟力，伊然，李立毅.超导同步电动机温度场计算与分析[J].电机与控制学报，2011，15(10)： 14-20.

[5]LIU Y J， LEE Y， JUNG H K， et al. 3D thermal stress analysis of the rotor of an induction motor[J]. IEEE Transactions on Magnetic， 2000，36(4-1)： 1394-1397.

[6]张琪，王伟旭，黄苏融，等.高密度车用永磁电机流固耦合传热仿真分析[J].电机与控制应用，2012，39(8)： 1-5.

[7]胡萌，李海奇，李旭光，等.电动车用水套冷却永磁电机损耗及温度[J].电机与控制应用，2014，41(1)： 27-32.

[8]LEWIS R W， NITHIARASU P， SEETHARAMU K N. Fundamentals of the finite element method for heat and fluid flow[M]. USA： Wiley， 2004.

[9]A·H·鲍里先科，B·T·丹科，A·H·亚科夫列夫.电机中的空气动力学与热传递[M].魏书慈，邱建福，译.北京： 机械工业出版社，1985.

[10]靳廷船，李伟力，李守法.感应电机定子温度场的数值计算[J].电机与控制学报，2006，10(5)： 492-497.

Three-Dimensional Temperature Field Investigation of

Variable-Frequency Adjustable-Speed Water-Cooled Permanent

Magnet Synchronous Motor for Vehicle

WANGShuwang，JIANGMan，ZHUBiaolong，LIUMalin

(School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

Abstract：In order to find the three-dimensional temperature distribute regulation of the motor， took a 48-slot water-cooled PMSM as the research subject. Firstly， the losses of motor was analyzed and the equivalent thermal conductivity of the winding was calculated. Then simulated three-dimensional temperature of the motor under rated condition and the motor temperature rise met the design requirements under peak value condition by fluid field and temperature field coupling. At last， the simulation results were verified by experiments.

Key words：permanent magnet synchronous motor (PMSM)； fluid field and temperature field coupling； rated condition； peak value condition; electric vehicle

收稿日期：2015-05-18

中图分类号：TM 351

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)02- 0055- 05

作者简介：王淑旺(1978—)，男，副教授，研究生导师，研究方向为新能源汽车用电机系统及其控制。

*基金项目：混合动力乘用车机电耦合系统开发及产业化(1501021004)

江曼(1990—)，女，硕士研究生，研究方向为车用电机损耗与温度场的研究。