电动汽车用开关磁阻电机温度场分析研究

刘细平，曾 剑，徐 晨

(江西理工大学，赣州 341000)

电动汽车用开关磁阻电机温度场分析研究

刘细平，曾 剑，徐 晨

(江西理工大学，赣州 341000)

对一台电动汽车用110 kW水冷式12/8极开关磁阻电机工作时的温度场进行数值分析，为其在实际应用中提供可靠理论依据。利用SolidWorks软件建立了开关磁阻电机三维实体模型；采用ANSYS Maxwell软件计算了电机在额定状态下的铜耗和铁耗，确定了损耗热源；借助有限元方法对电机三维磁热耦合仿真模型进行了数值分析计算，深入分析了额定运行状态时的电机温度场分布规律。分析结果表明，在额定工况下，电机内部温度符合电机的热设计要求，为该类电机应用在电动汽车上提供了可靠的理论依据。

Maxwell；开关磁阻电机；温度场；耦合仿真

0 引 言

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)是一类结构简单的磁阻式电动机，其定子极和转子极均为凸极，转子上无任何形式的绕组和永磁体。由于SRM具有转子结构简单可靠、耐高温、成本低、调速范围宽、启动转矩大、响应速度快、可控参数多、和效率高等优点，一直以来受到国内外专家学者的高度重视，为一种具有较好发展前景的电动机，也是目前研究的热点[1-2,9]。

近年来，有关电机多物理场计算的研究屡见不鲜，研究方法也层出不穷，主要的计算方法有：简化公式法，等效热路法，有限元法[3,5]。其中有限元法以其计算精确和方便直观的优点，得到了国内外学者的青睐。本文借助ANSYS有限元分析软件对开关磁阻电机进行三维温度场分析，计算电机各部件以及电机内部各个点的温度，分析研究电机温度分布情况，以保证电机安全可靠运行。

本文针对一台110 kW 电动汽车用3相12/8极开关磁阻电机，利用SolidWorks软件建立SRM电机三维实体分析模型，然后将三维实体模型导入至ANSYS Maxwell中分析电机额定工况下的损耗，再利用数值分析方法计算温度分布规律；获取了在自然水冷的情况下电机定子铁心、转子铁心、定子绕组、机壳和冷却水管的温升与温度分布情况。

1 电机模型与基本方程

1.1 电机结构模型和基本假设

利用SolidWorks建立的12/8极开关磁阻电机三维模型如图1所示。其结构简单，主要由转子铁心、定子铁心、绕组以及转轴组成。转子上既无永磁体，也无绕组，可实现高速运行；其中电机绕组采用集中式绕组，4根双边绝缘厚度为0.06 mm、直径为1.12 mm的铜线绕组并绕在定子齿上；定子铁心上贯穿12根水管供电机进行水冷循环。

图1 开关磁阻电机结构示意图

1.2 温度场求解基本方程及边界条件

根据热学的热传导方程式可知[3]，当处于直角坐标系时，电机在稳态时的温度场结果求解分析可近似归纳为如下：

(1)

式中：λx，λy，λz分别为x,y,z方向上的导热系数；qv为热源密度；α为散热系数；Tf为流体温度。

通过对式(1)进行变分，可将式可简化为如下表达式：

(2)

最后对式(2)作离散化处理，既得到如式(3)所示结果：

KT=F

(3)

式中：T为温度矩阵，是在已知求解域内所有节点温度的矩阵；K,F分别为总体系数矩阵和总体右端矢量。

1.3 导热系数的确定

在电机装配的过程中，由于装配工艺精度的限制，大型电机定子铁心和机壳之间的装配间隙不能足够小，且有些间隙极不匀称，故在电机温度场计算中气隙是不允许忽略的。为方便建立模型，同时也为了不破坏计算精度，故本文将这一部分的导热系数适当放大。开关磁阻电机主要材料导热系数见表1。

表1 主要材料导热系数

2 热源的求取

电机作为一类机电能量转换的装置，根据能量守恒定律可知，在其能量转换的过程中产生损耗是无法消除的，而产生的损耗主要也将以热能的形式表达出来，从而使电机定、转子铁心，绕组与机壳的温度发生不同程度的变化。本文研究电机损耗主要为铁心损耗和绕组铜耗。铁心损耗主要是定子和转子开槽部位所引起的气隙磁导谐波在对方铁心中产生的能耗；以及当电机带适量负载运行后所产生。绕组铜耗主要是当绕组中有电流通过时在绕组中产生的能耗；以及工作电流产生的漏磁场和谐波磁场在绕组中产生的能耗。

2.1 发热热源的求取

SRM电机内的发热热源主要来自于电机运行时产生的损耗：(1)铁心损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗；(2)绕组损耗，主要是铜耗。

表2 电机主要热源参数

由于开关磁阻电机的双凸极结构特点，电压和电流均为非正弦波，且磁通的波形不仅与电机实际工作转速有关，还与电机在不同转速时的时控方法密切相联。即便当电机工作在恒定转速的状态下，电机铁心等部分磁通波形形状及其变化规律也无法轻易分辨，故计算SRM电机损耗时需与传统电机区别[1-2,9]。

2.2 铁耗的计算

由于开关磁阻电机的磁场所呈现的是非正弦规律，故可利用有限元的计算方法求得电机铁心各部分的磁密波形。然后根据所得结果，对电机铁耗进行估算。

(4)

Ke和Kh分别为涡流修正因子和局部磁滞回线因子。这两个参数的表达式为：

(5)

式中：B为磁密峰值；i为谐波次数；n为谐波次数最大值；k为介于0.6和0.7之间的常数；N为脉动次数；ΔBl为磁密波形脉动峰值。

2.3 绕组铜耗计算

定子铜耗PCu可根据下式计算：

(6)

式中：P为定子极数；I为绕组电流有效值；R(θ)为单相绕组电阻。

式中：Rk75为单相绕组75℃时的电阻值；Nr为转子级数；θp为电流降至零时的转子位移角。

3 温度场仿真及结果分析

根据前文分析得出的导热系数、主要热源参数，在ANSYS中对已建立的开关磁阻电机模型设置边界条件、添加材料属性、域、散热面、热源以及网格剖分，进行三维温度场仿真分析。

3.1 温度场仿真

首先，在已建立的电机模型中，对电机各部分的材料参数进行定义。

其次，得到有限元分析模型并进行网格剖分。综合考虑到计算精度及耗时问题，在不影响电机计算性能的前提下，对机壳、绕组定子铁心和转子铁心等区域采用不一样的网格剖分。由于绕组模型的铜耗较大，定子模型的铁耗较大，且温升变化较明显，故需对其网格进行较细剖分。而其它温升变化较小的模型部分可采用较低的精度进行网格剖分。电机整体网格剖分示意如下图所示。

图2 开关磁阻电机网格剖分示意图

最后，加载边界条件。温度是电机温度场分析时的自由度约束，边界条件是整个模型的初始温度。本文研究电机取初始温度为25℃，即298.15 K。

3.2 结果分析

图3给出了电机机壳、定子铁心、定子绕组、冷却水管和转子铁心在额定状态下的温度分布云图。

(a)电机机壳温度分布云图(b)定子铁心与水管温度分布云图

(c)定子绕组温度分布云图(d)冷却水管温度分布云图

(e)转子铁心温度分布云图(f)电机整体温度分布云图

图3 电机各部分温度分布

由于电机损耗主要为绕组铜耗和铁心损耗，此外，电机在高速旋转时，转子与气隙摩擦时也会产生损耗。因此，电机的定子绕组与转子铁心温度一般较高。

从图3(c)和图3(e)中的分析结果可知，电机定转子铁心的中部和定子绕组温升较大。其中，转子铁心部分的最高温度升至约95℃，而定子铁心与绕组的所产生的最高温度最终稳定在约75℃。从图3(d)中可知，电机冷却水管的入水口与出水口温度相差不大，但分布在定子铁心中的水管水温有着不同程度的升高。由于冷却水管的存在，电机整体机壳温度并未出现大幅上升，见图3(a)和图3(f)，其基本维持在30℃左右，属于合理范围之内。

4 结 语

本文通过利用SolidWorks建模功能与ANSYS有限元分析软件的热分析功能对110 kW电动汽车用开关磁阻电机进行三维温度场仿真分析，得出如下结论：

(1)在自然水冷的情况下，电机稳定运行时，转子温度最高，定子绕组的温度要略高于定子铁心的温度，但均符合电机的热设计要求。

(2)此仿真温度结果较为合理，所采取的热源、导热系数可靠准确，为自然水冷式的开关磁阻电机电动机温度场分析提供了参考。

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Analysis of the Temperature Field of Switched Reluctance Motor Using for Electric Vehicle

LIUXi-ping,ZENGJian,XUChen

(Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

A reliable theoretical basis for the practical application for electric vehicle by assigning a numerical value to the working temperature field of a 110 kW water-cooling switched reluctance motor (12-slot 8-pole). The 3D model of the switched reluctance motor was established based on SolidWorks software. By using ANSYS Maxwell software, this paper calculated the copper loss and iron loss of the motor in rated condition to ensure the loss of heat; By using the finite element method, numerical analysis and calculation had been done for 3D motor Magnetic-thermal coupling simulation model, motor working in rated condition temperature field distribution had been deeply analyzed. Analysis results show that: under the rated conditions, internal temperature of the motor conforms to the requirements of the thermal design of the motor. The results provide a reliable theoretical basis for this class motor applied in electric vehicle.

Maxwell; switched reluctance motor; temperature field; coupling simulation

2015-12-23

国家自然科学基金项目(51267006)；江西省科技厅工业支撑项目(20151BBE50109)；江西省青年科学家培养对象项目(20151442040049)

TM352

A

1004-7018(2017)01-0023-03