车用永磁电机在不同工况下的温升分析

刘金辉，李丹妮，蔡 巍

(海军潜艇学院，青岛 266199)

0 引 言

与普通工业电机相比，电动汽车用驱动电机功率密度不断增加并且体积越来越小，其电磁负荷和热负荷也在不断提高[1-3]，而过高的热负荷以及电机安装位置的狭小、冷却环境差等原因常常会造成电机工作时内部温升过高、电机烧损等问题。因此，温度场分布的准确计算可以大大提高车用永磁驱动电机的稳定性和可靠性。

电机温升计算方法主要分为3种：公式法、热阻网络法与有限元法。其中简化公式法只能初步估算出整体铁心或整个绕组的温升值[4]。等效热网络法是将电机内部损耗源等效为热源，将电机的各个部件等效为等值热阻和热容，把电机温度场等效为一个集总热路网络，并利用电路求解理论方法得出热路网络中各个热阻的温升值。同济大学的何磊等[5]首先选取了电机的几个关键部件作为节点，建立了一台水冷永磁驱动电机热阻网络模型，然后通过程序计算了电机在额定运行工况下的瞬态温升。王晓远[6,7]也利用热阻网络法，建立一台轮毂电机的热网络模型，计算了电机稳态运行时的温升分布，并通过有限元法和实验结果验证了热阻网络法的有效性和可行性。

有限元法是目前求解电磁场、温度场与流体场问题最为常用的方法。其原理是将需要求解的区域离散为若干个单元，并利用偏微分方程对所有单元进行求解。有限元法的优势在于可根据需求任意划分网格，应用性较强，准确度较高，并能够得出电机内部的温度分布，但大量的网格节点往往增加了有限元法的计算量，其计算时间同时增加。国内刘蕾等[8-10]采用有限元法，以一台额定功率25 kW车用永磁驱动电机为例，建立其三维有限元模型,通过仿真分析计算了电机额定工况下的温度场及温升变化，并对连续变功率工况下的电机内关键部分温升进行仿真分析。

针对车用内置式永磁驱动电机工作环境差、电机功率密度高而引起易烧损、磁钢退磁等问题，本文对一台50 kW车用内置式永磁驱动电机在不同工况下的温升进行分析计算。首先，分析电机在不同工况下的损耗值和铁耗分布；其次，建立了电机3-D有限元流固耦合仿真模型，分别计算了电机在额定稳态、峰值瞬态和高速运行时的温升大小和分布；最后，制造了样机，实验测试了样机在额定工况和高速工况下的绕组温升，并与仿真结果进行对比，验证了有限元计算的准确性。

1 车用永磁电机结构与损耗分布

1.1 电机结构

目前车用电机主要采用V型内置式永磁体结构，来提高电机的功率密度和扭矩密度以及减小电机体积，且其过载能力、调速性能都远高于异步电机和磁阻电机。过大的功率密度和较小的散热面积常常会使电机温升过高，电机易发生绕组损耗、磁钢退磁等问题。如图1所示，内置式永磁电机主要包括定子铁心、定子绕组、永磁体和转子铁心。其中，定转子又分为齿部和轭部2部分。

图1 车用永磁电机结构示意图

本文以一台额定功率为50 kW永磁电机为例，分析计算电机的温升情况，电机的主要尺寸参数如表1所示。

表1 电机主要尺寸参数

1.2 电机损耗

为了准确计算电机的温度场，首先需要准确计算电机内部的损耗值。永磁电机的发热源主要为各个零部件的损耗，其损耗主要包括电枢绕组铜耗、定转子铁心损耗、机械损耗和附加损耗4部分。

其中对于多相绕组电机，电枢绕组铜耗是指各相绕组的电阻铜耗之和，其值和绕组电阻值、电流平方值呈线性关系。图2给出了本文电机铜耗分布Map图。由图2可看出，不同于工业用电机，由于车用电机工况较为复杂，定子绕组电流变化较大，使电机在不同工况下铜耗差异也较大，因此在计算电机温升时，需要根据实际工况来加载铜耗值。

图2 车用永磁电机铜耗分布Map图

铁心损耗主要包括3部分：涡流损耗、磁滞损耗和附加损耗。其中涡流损耗为定转子铁心中的磁场发生变化所感应电流引起的损耗。磁滞损耗指铁磁物质由交变磁场引起磁滞之间相互碰撞所产生的损耗。由Bertotti铁耗理论可知：

pFe=ph+pc+pe=khB2f+kcB2f2+keB1.5f1.5

(1)

式中:pFe为定转子铁心损耗;ph为铁心内磁畴相互摩擦引起的磁滞损耗;pc为铁心感应电动势引起环流而产生的涡流损耗;pe为铁心杂散损耗;B为磁场密度;f为磁场变化频率;即定子绕组电流频率；kh为磁滞损耗系数；kc为涡流损耗系数;ke为附加损耗系数。

由式(1)可知，铁心损耗主要受电机定子绕组电流频率和磁场强度的影响，而永磁驱动电机的定子绕组频率又和电机转速呈线性关系。因此，电机转速越高，其铁耗越大；磁场强度主要受定子绕组电流值影响，电流越大，铁心越饱和，电机铁耗越大。图3给出了电机铁耗分布Map图。由图3可看出，随着电机转速和转矩的提高，电机铁耗逐渐增加。

图3 车用永磁电机铁耗分布Map图

与铜耗均匀分布在绕组不同，由于电机铁心中磁密分布并不均匀。因此，电机铁心中各个部分的铁耗分布并不相同，图4给出了利用有限元法所计算的电机在额定工况下铁耗分布。由图4可看出，由于定子齿部较窄，磁密较为饱和，定子铁耗主要集中在齿部，转子铁耗主要集中在其表面。因此，在电机温升时需要对定子齿轭部、转子齿轭部进行区分。

图4 电机在额定工况下的铁耗分布

2 有限元法计算电机温升

本文对电机损耗大小与分布进行了分析，可知车用驱动电机在不同工况下时损耗均不相同。因此，在计算车用驱动电机温升时，需要对各个工况分别进行计算。因此，本节将对车用驱动电机在额定稳态工况、峰值瞬态工况和高速运行工况下的温升进行计算。图5给出了电机的有限元及其剖分模型。表2给出了电机在不同工况下的各部件损耗值和运行时间。

图5 车用永磁电机3-D有限元及剖分模型

电机参数及损耗额定工况峰值工况高速转速n/(r·min-1)3 0002 40010 000转矩Te/(N·m)16040048功率P/kW50.2100.550.2定子电流is/A16040091.2热负荷Q/(A·cm-1·mm-2)5 73735 8561 864铜耗pCu/W1 2487 800405定子齿部铁耗psc/W6385463 379定子轭部铁耗pse/W484444346转子齿部损耗pre/W12488.8278机械损耗pme/W100641 111总损耗∑p/W2 5948 9435 519运行时间t/s7 20060 3 600

2.1 电机在额定稳态工况下的温升

电机额定工况对应电动汽车长时间均速运行状态。因此，需要计算在此工况下的稳态温升进行计算。图6给出了电机在额定工况下工作2 h的温升曲线。由图6可知，当电机长时间运行在额定工况并达到稳态时，由于绕组铜耗大、发热量严重。因此，绕组温升最高。而由于水冷电机主要依靠水道散热，随着与机壳水道距离的减小，定子齿部、定子轭部、机壳温升逐渐减小。图7给出了电机达到稳态后的定转子温升分布。由图7发现，定子中绕组中心温升最高，转子中其轴向中心表面温升最高。

图6 电机在额定工况下温升曲线

(a)定子温升

(b)转子温升

2.2 电机在峰值瞬态工况下的温升

电机峰值工况对应电动汽车短时爬坡、加速等工况，此时电机扭矩和电流较大。因此，电机铜耗较高。图8给出了电机在峰值工况下工作1 min时的温度变化曲线。由图8可知，此时绕组温升较高，磁钢、转子表面温升较低，这主要是由于此时电机损耗主要为电枢绕组铜耗，因此电枢绕组在短时间内温升较快，从而将热量传递给与之相邻的定子铁心，使之温度也逐渐升高；转子铁耗、磁钢涡流损耗等均较小且时间较短，因此其温度并没有明显变化。

图8 电机在峰值工况下工作1 h后稳态温升曲线

2.3 电机在高速运行工况下的温升

由前文和表2可知，当电机运行在高速工况时，电机铁耗急速增加，此时电机损耗主要为定转子铁耗。图9和图10分别给出了电机在高速工况下工作1 h的温升曲线和温升分布。由图9可知，当电机长时间运行在高速工况时，由于定转子铁耗大、铜耗较小，且尽管转子铁耗相对定子铁耗较小，但转子主要依靠于与机壳内部的空气对流散热，散热较慢，因此此时转子表面和磁钢温度温升最高。定子结构中绕组散热条件较差以及定子齿部铁耗最大，因此定子绕组和定子齿轭部温升也较高，随着与机壳水道距离的减小，定子齿部、定子轭部、机壳温升逐渐减小。运行1 h后磁钢温度为136 ℃，此时有退磁风险，因此需要实时观察电机在高速运行时的磁钢温度。

图9 电机在高速工况下工作1 h的温升曲线

(a)定子温升

(b)转子温升

3 样机制作与实验分析

为了验证有限元仿真的准确性以及研究车用永磁电机的温升特性，按照前述设计制造了样机并在不同工况下对电机进行温升实验，图11为样机实物图，其中电机采用水冷冷却方式，水速为10 L/min，冷却液、环境温度和电机初始温度均为20 ℃，电机测温元件为Pt100，主要监测电机定子绕组和转子磁钢温度。

图11 样机和实验平台

图12给出了电机在额定工况稳态运行2 h时，其定子绕组和磁钢的实测与仿真对比曲线。由图12可知，在额定工况稳态温升测试中，利用有限元法所计算的温升值与温升趋势基本与实测一致，误差在5%以内，验证了有限元法计算电机温升的准确性。实测温度比仿真温度略低，这是由于利用有限元法计算的电机损耗与实际损耗之间也有一定的误差。

图12 电机在额定工况下的实测与仿真温升对比

4 结 语

本文以一台50 kW车用永磁电机作为研究对象，介绍了内置式永磁电机在不同工况下的损耗分布和大小，并通过有限元仿真模型对电机在不同工况下的温升进行仿真计算，并分析了电机温升分布情况。通过样机实验，验证了有限元法计算电机温升的准确性。本文得到了以下结论：

1) 与传统工业用电机不同，由于车用驱动电机工况的复杂性，电机铜耗、铁耗变化较大，当电机转速提高时，电机铁耗增加；当电机转矩提高时，电机铜耗和铁耗均增加，且铁耗主要集中于定子齿部。

2) 当电机长时间运行在额定稳态时，电机绕组温升最高；当电机运行短时运行在峰值瞬态时，由于电机铜耗较大，转子铁耗、磁钢涡流损耗等均较小且时间较短，则此时绕组温升最高，磁钢、转子表面温度没有明显变化。

3) 当电机运行在高速工况时，由于定转子铁耗大、铜耗较小，转子散热效果较差，则此时转子表面和磁钢温度温升最高，即当电机运行在高速工况时磁钢退磁风险较大。

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