新能源汽车轴向磁通电机热仿真

王思远　于海生　汤天宝　孟思宇　夏令君

摘 要：随着新能源汽车的发展，用户对汽车加速性能的要求增加，车用电机的功率不断增大。功率的增大带来了电机发热量的增加，增加的热量会造成磁钢温度升高，引起不可逆的磁钢退磁。电机的热仿真分析可以计算出电机关键部件在不同工况下的温度，作为电机设计的依据。文章用Star-CCM+软件对一款新能源汽车用轴向磁通高密度电机做了热仿真分析。

关键词：CFD 新能源汽车 电机 热仿真

1 引言

随着新能源汽车技术的快速发展，汽车消费者对汽车的加速性能要求越来越高。车用电机的结构越来越紧凑，功率越来越高，发热量也越来越大。而电机温度过高会导致磁钢产生不可逆的退磁，减少绝缘漆的寿命。为了防止电机出现过热的问题，主流的电机设计企业将以电机热仿真得到的温度场结果作为电机热设计依据，并在设计过程中，根据热仿真的结果，进行多轮次的设计优化。

电机按照磁通方向的不同可以分为轴向磁通电机和径向磁通电机。其中，轴向磁通电机的磁通方向为电机轴的轴向，目前都是永磁同步电机，有体积小、噪音低、功率密度高、散热性能良好等优点，顺应了未来电动汽车技术的发展趋势。

多应用于电梯、商用车公交车、工程机械、增程器、军工车辆及航空航天等。对于采用分布式驱动的乘用车，轴向磁通电机也有非常广阔的应用前景。

文章研究了一种带有单定子、双转子的高功率密度轴向磁通电机。用Siemens公司的Star-CCM+软件对这种电机进行了热流固耦合仿真分析，得到其多种工况下的温度场，作为电机设计的依据。

Star-CCM+软件是一款应用非常广泛的CFD仿真软件，以其出众的用户界面、网格生成、前后处理能力和优秀的多物理场耦合、多相流、对流换热等功能，使其在电机领域拥有大量的用户。

2 CFD仿真

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics），简称CFD，是用有限差分，有限体積，格子玻尔兹曼等计算方法，通过计算机的计算求解流体问题，得到流体方程的解。计算流体力学与试验流体力学相结合，作为产品设计的辅助手段，为产品设计提供依据和验证。

文章的电机热仿真使用Star-CCM+软件，使用CFD方法。控制方程为Navier-Stokes方程。由连续方程，动量守恒方程，能量守恒方程组成。

连续方程：

（1）

动量守恒方程：

（2）

能量守恒方程：

（3）

式（1）、（2）、（3）中，t为时间，V为体积，a为面积向量，ρ为密度，v是速度，S为源项，p为压力，T为粘性应力张量，fb是体积力的合力，E为总能量，H为总焓，q为热流密度。

3 仿真模型

文章采用Star-CCM+仿真轴向磁通电机温度场。首先在设计软件中进行几何处理。随后在Star-CCM+中生成多面体网格和边界层网格，最后在Star-CCM+中进行后处理。

文章所仿真的轴向磁通电机采用单个定子在中间、两个转子在定子两侧的设计方式。图1为文章所仿真的轴向磁通电机的CFD仿真模型，其中图1（a）为定子部分的仿真模型，定子部分由环形冷却流道的冷却液冷却。图1（b）为转子部分的仿真模型，转子采用空气冷却。

网格用Star-CCM+软件的网格生成工具生成，采用多面体加棱柱形边界层网格，所有区域的网格总数为1379万。冷却液入口设置为为Massflow Inlet，冷却液出口设置为Pressure Outlet。湍流模型采用k-w SST模型，转子气隙部分采用MRF模型来模拟气体的旋转加速度。在磁钢、铁芯和绕组中设置相应的铜损和铁损作为内热源。

冷却液入口水温设置为85℃，流量为8L/min。冷却液进入流道以后，绕着圆环状的定子磁钢一周，然后从出口流出，带走热量。电机初始温度85℃。选择了转速分别为5000RPM和12000RPM的2种典型的持续运行工况进行仿真。

为了改善网格质量，提升计算速度，对所仿真的电机几何模型进行了必要的简化，去掉了不必要的倒角和小特征。图2是简化后的部分模型。

4 计算结果

4.1 工况1  154Nm@5000RPM

由图3（a）的转子磁钢温度场可以看出，转子磁钢的最高温度92.0℃低于磁钢材料的耐受温度180℃。由图3（b）的定子绕组温度场可以看出，定子的绕组温度为113.2℃，低于绕组的铜材料的许可温度180℃。转子磁钢和定子绕组均能满足电机持续工作的温度要求。

定子的铁芯和绕组由环形的冷却液流道冷却，冷却液在从冷却液入口处铁芯到冷却液出口处铁芯的流动过程中温度逐渐升高，冷却效果变差，定子铁芯体的温度也由冷却液入口处到冷却液出口处逐渐升高，最高温度出现在冷却液出口附近的铁芯处。冷却液进出口温升5.7℃。

转子由高速旋转引起的空气强迫对流冷却，转子磁钢表面的热量由高相对速度的低温空气带走。环形分布的多个磁钢体的最高温度较为接近，单个磁钢的最高温度区域在磁钢几何中心位置。

从图4可以看出，定转子中间的气隙的旋转采用Star-CCM+中的MRF模型模拟，气隙处的流体由离心力的作用，从中间向四周流动，速度也增加。在流动过程中，气隙中空气的温度从中间处的85℃增加到115℃。气隙中的空气的热量来源主要有三部分，分别是转子对流传热、定子对流传热和风摩损耗。

4.2 工况2  90Nm@12000RPM

由图5可以看出，转子磁钢温度156.0℃低于磁钢材料的耐受温度180℃，定子的绕组温度为122.3℃，低于绕组的铜材料的许可温度180℃，满足电机持续工作的使用要求。

从图6可以看出，随着转速的增大，风摩损耗比case 1工况大大增加，气隙外圆出口处的温度从85℃增大到141.3℃。

5 结论

文章用Star-CCM+软件对一种高功率密度轴向磁通电机做了热仿真，证实了所用的电机温度场CFD仿真方法的可行性，得到的温度场仿真结果可以为电机设计提供设计参考。

轴向磁通电机转子的仅靠空气冷却，是设计中的一个风险点，在高转速工况下，轴向磁通电机的气隙风摩损失较大，易造成电机转子磁钢过热，磁钢如果过热超过许可温度，会造成磁钢退磁。

由于定子外侧包有环形冷却流道，定子的冷却效果要好于转子，定子铁芯的最高温度在冷却液出口附近，转子的各个磁钢的最高温度较为接近。

参考文献：

[1]斯洛博丹 N 乌克赛维克.电机[M].北京：机械工业出版社 2015.

[2]Stephen D Umans.电机学[M].北京：电子工业出版社，2014.