基于NEDC工况的电动汽车驱动电机温度场分析

王淑旺, 谭立真, 高月仙

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

基于NEDC工况的电动汽车驱动电机温度场分析

王淑旺, 谭立真, 高月仙

(合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009)

文章围绕一台额定功率为15 kW的电动汽车驱动电机,基于传热理论建立其三维温度场求解域模型；通过有限元仿真分析,得到了电机工作在额定工况下的温度分布,并对电机运行NEDC循环工况下的温度场进行仿真分析；近似模拟了车辆行驶过程中的电机实时温升；最后搭建了电机温升试验平台,对电机温升仿真值与实验值进行对比分析,结果表明误差不超过5%,验证了该文仿真的准确性。

永磁同步电机;温度场;额定工况;NEDC循环工况

0 引 言

为解决环境污染、能源短缺等问题以及增强国家竞争力,世界各国大力发展电动汽车产业[1]。永磁同步电机作为电动汽车驱动系统的关键部件,具有体积小、质量轻、效率高、功率密度大等特点。电机在运行过程中会产生大量的损耗[2],导致电机温度升高,而过高的温度会使永磁体退磁、加速绕组绝缘老化、增加电机热应力等,进而影响电机效率、使用寿命及运行可靠性等[3]。因此,准确分析车用永磁同步电机内温度分布规律对电机的研发设计具有一定的指导意义。

近年来,针对电机的温度场,国内外学者已经展开了大量研究。文献[4]围绕电动汽车驱动电机,基于热网络法分析计算了电机热容、热阻、热源以及边界条件,研究了电机在额定工况下的瞬态温度场;文献[5]基于磁场有限元和3D流体场分析,计算了一台高速永磁电机的损耗,并基于流固耦合方法对电机的温度场进行了研究;文献[6]基于热网络法和有限元法,计算了车用风冷和水冷感应电机温升场,并优化了冷却结构;文献[7]以一台农用电动汽车用风冷永磁同步电机为研究对象,采用有限元法计算了电机三维瞬态温度场,并进行了连续额定工况下的温升试验。以上研究主要针对电机工作在某一个或几个转速固定工况下的温度场,而对于车用电机工作在车辆行驶过程中转速不断变化下的温度场的研究还较少。

本文以一台额定功率为15 kW的纯电动汽车用风冷永磁同步电机为例,计算了电机工作在额定工况和新欧洲循环(new European driving cycle,NEDC)工况下的损耗值;建立了温度场求解模型,对2种工况下电机内三维温度分布进行仿真分析,并分析了2种工况下电机内关键部分的温升特性;最后搭建电机温升试验平台,以验证仿真的准确性。

1 电机参数与工况选择

1.1 电机参数

本文以一台额定功率为15 kW、额定转速为3 000 r/min的车用永磁同步电机为研究对象,其型号为TZ210X01,电机包含散热翅结构,散热方式采用自然冷却,该电机的基本参数见表1所列。

表1 电机基本参数

1.2 工况选择

已有的电机温度场研究主要以额定工况为主。为了准确掌握车用电机运行过程中的温升情况,本文同时研究额定工况与行驶工况下的电机散热性能。

采用NEDC工况模拟车辆行驶工况。NEDC工况[8]分为2个部分,分别为低速低负荷的市区工况(urban driving cycle,UDC)和高速高负荷的市郊工况(extra urban driving cycle,EUDC),两者比例为4∶1。NEDC工况比较接近车辆的实际行驶工况,其车速-时间曲线如图1a所示。根据整车基本参数与性能指标,对所研究的电机进行参数匹配[9],得到NEDC工况下的电机转速-时间曲线,如图1b所示。

由图1可知,NEDC工况下车用电机工作在不断启动、加速与减速的状态,在该状态下电机转速不断发生变化,进而导致电机内温度不断变化。因此,进行基于NEDC工况的电机温度场分析,能更准确地掌握电机实时温升,对电机的设计具有实际意义。

图1 NEDC工况

2 模型确定与求解条件

2.1 物理模型

本文的研究对象为车用永磁同步电机,其物理模型包括机壳、端盖、定子铁芯、绝缘层、绕组、转子铁芯、永磁体以及转轴等,为减少计算成本,对模型进行简化。由于电机具有对称性,取模型整体的1/8进行研究。在Pro/E三维软件中建立电机的1/8模型如图2所示。

1.后端盖 2.机壳 3.绕组 4.绝缘层 5.永磁体

2.2 数学模型

对所研究的电机三维温度场进行数值分析并建立数学模型。根据传热学基本理论知识,介质各向异性,在直角坐标系下的求解域内三维瞬态导热微分方程及其边界条件[10]可以表示为:

(1)

其中,λ为物体导热系数;λx、λy、λz分别为物体在x、y、z方向上的导热系数;qv为热源密度;ρ为物质密度;c为物质比热容;t为时间;S1、S2、S3为物体边界;q0为通过边界S2的热流密度;T为物体温度;T0为边界S1的温度;Te为边界S3介质的温度;α为散热表面对流换热系数。

2.3 电机内热源的确定

电机内热源的确定是热仿真的重点与难点。电机内热源主要来自绕组铜耗、定子铁芯铁耗、转子铁芯铁耗、永磁体损耗以及机械损耗,其中机械损耗在车用电机总损耗中所占比例较小,本文不予考虑。

三相绕组通电时发热产生的铜耗大小为:

(2)

其中,I为每相绕组电流有效值;R为每相绕组电阻值。电机运行过程中铁芯会产生磁滞损耗、涡流损耗以及异常损耗,本文采用Berttotti铁耗分离模型,其单位质量计算公式[11]为:

P=KhfB2+Kcf2B2+Ktf1.5B1.5

(3)

其中,Kh、Kc、Kt分别为磁滞损耗、涡流损耗、异常损耗的系数;f为交变电流频率;B为磁密幅值。永磁体散热效果差,其涡流损耗小却不容忽视,体积为V的永磁体涡流损耗Pemav计算公式[11]为:

(4)

其中,J为永磁体涡流密度;J*为J的共轭;σ为永磁体的电导率。

利用有限元软件对电机磁场进行仿真,经分析和计算得到额定工况下电机各部分的损耗值,见表2所列。NEDC工况下电机各部分的损耗值如图3所示。

表2 额定工况下各部分的损耗值 W

图3 NEDC工况下电机的损耗

2.4 模型等效与热参数求解

电机热仿真过程中需要对绝缘层、定转子间气隙及定子铁芯与机壳的接触热阻进行等效处理,具体可参考文献[11]。本文研究对象为风冷永磁同步电机,冷却方式为自然冷却。电机主要散热系数包括机壳外表面散热系数与电机内零部件端部散热系数,其求解可参阅文献[10,12]。

3 温度场仿真分析

3.1 基本假设

对电机温度场进行仿真时,为简化分析,需要做出如下基本假设:① 绕组端部采用平直化处理;② 绝缘层和铁芯紧密结合在一起;③ 导热系数、散热系数不随温度变化;④ 不考虑电机的辐射换热;⑤ 不考虑机械损耗对电机换热的影响;⑥ 各损耗均匀分布在相应物体上;⑦ 初始时环境温度设为30 ℃。

3.2 额定工况下电机温度场仿真与分析

根据计算的热源、散热系数等边界条件,利用有限元仿真软件对电机工作在额定工况下的温度场进行仿真,达到稳定时的仿真结果如图4所示。

图4 额定工况下电机温度场云图

图4中,温升按从大到小排列依次为绕组、定子铁芯、转子铁芯、永磁体、机壳、轴、端盖;其中最高温度为89.606 ℃,位于绕组端部;最低温度为67.732 ℃,位于后端盖处。

电机运行过程中主要热源为铜耗、定子铁芯损耗、转子铁芯损耗以及永磁体损耗,其中铜耗和定子铁芯损耗较大,这导致绕组和定子铁芯的温升较大、转子铁芯与永磁体温升较小。电机热量主要通过壳体的散热翅对流换热,定子铁芯与机壳接触,其散热条件相对较好；而绕组外层为绝缘材料,其导热系数较小,且绕组端部与空气接触,散热条件差,因此绕组温升比定子铁芯温升高。

3.3NEDC工况下电机温度场仿真与分析

车辆实际运行过程复杂,其驱动电机不可能始终工作在额定工况,故有必要对电机工作在NEDC工况下的温度场进行研究。本文采用NEDC工况模拟车辆实际行驶过程,以期掌握电机在行驶工况下的实时温升。为更贴合实际,电机在NEDC工况下运行3个循环,最终温度分布云图和温升曲线如图5所示。

(b) 电机温升曲线

由图5可知,电机运行3个NEDC循环工况温度最高达到80.371 ℃,其中绕组温升最高,定子铁芯、转子铁芯、永磁体温升次之且比较接近。NEDC工况下,UDC段绕组温升明显,EUDC段定子铁芯温升明显。这是因为UDC下电机不停地启动需要较大的转矩,绕组电流较高,所以铜耗较大；而EUDC下电机高速运转,电机内磁场随之不断变化,导致铁芯损耗较大。总体来说,UDC段电机温度最后趋于波动平衡状态,EUDC段电机温度继续上升。因此车辆行驶在市区路况电机温升满足要求,但不可长时间高速行驶在市郊路况。

本文通过对电机工作在NEDC工况的温度场仿真分析,近似模拟了电机工作在行驶工况下的温度变化。

4 温升试验与仿真对比

为了验证上文电机工作在额定工况与NEDC工况下温度场仿真结果的准确性,本文搭建了电机温升综合试验平台,其设备主要包括电机、控制器以及测功机等。由于电机绕组端部温升具有代表性,可将温度传感器埋置于该处测量电机的实时温升。

4.1 额定工况下试验值与仿真值对比分析

连接、调试设备后,通过上位机设置电机的额定转速为3 000 r/min,额定功率为15 kW,最终测得电机工作在额定工况下的温升曲线,并与仿真曲线对比,如图6所示。由图6可知,电机在前1 200 s温度上升较快,在1 200～3 600 s之间温度上升缓慢,最后趋于稳定。试验中绕组端部最高温度为86.435 ℃,而对应的仿真最高温度为89.606 ℃,试验值与仿真值误差为3.5%,因此额定工况下的电机温升仿真具有一定的准确性。

图6 额定工况绕组温升曲线

4.2 NEDC工况下试验值与仿真值对比分析

在控制器中编入NEDC工况程序,连接、调试设备后,通过上位机将电机的转速、功率设置为NEDC工况下的值,运行3个NEDC循环工况,最终测得电机工作在NEDC工况下的温升曲线,并与仿真曲线对比,如图7所示。

图7 NEDC工况绕组温升曲线

由图7可知,NEDC工况下电机绕组端部温升曲线趋势比较接近,且最高温度仿真值比试验值大3.7 ℃,误差为4.6%,因此，NEDC工况下电机温升仿真结果具有一定的可信度。

5 结 论

本文以一台额定功率为15 kW的车用风冷永磁同步电机为例,仿真求解了电机工作在额定工况与NEDC工况下的温度场;并搭建温升试验平台进行测试,验证了仿真的准确性。对NEDC工况下的电机温度场分析,近似模拟了电机工作在行驶工况下的温度变化,具有一定的实际意义。

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(责任编辑 胡亚敏)

Analysis of temperature field of drive motor in electric vehicles based on NEDC condition

WANG Shuwang, TAN Lizhen, GAO Yuexian

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

In this paper, taking a drive motor in electric vehicles with a rated power of 15 kW as an example, its three-dimensional temperature field solution domain model was built based on the theory of heat transfer. By the finite element simulation analysis, the motor temperature distribution at rated condition was obtained, the simulation analysis of motor temperature field at new European driving cycle(NEDC) condition was carried out, and the real-time motor temperature rise during vehicle running was simulated approximatively. Finally, the motor temperature test platform was set up, and a comparison between motor temperature simulation values and experimental values was made. The results show that the error does not exceed 5%, which verifies the accuracy of the simulation in the paper.

permanent magnet synchronous motor(PMSM); temperature field; rated condition; new European driving cycle(NEDC) condition

2015-12-09；

2016-01-12

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2013BAG13B00)

王淑旺(1978-),男,山东泰安人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.002

TM351

A

1003-5060(2017)01-0007-05