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电动汽车水冷式永磁同步电动机的热分析
摘要：为了研究电动汽车水冷式永磁同步电动机的发热和散热，计算了主要能量损失，并在适当简化和等效处理的基础上，建立了室内传热模拟的有限元模型。利用CFD方法进行了流固热耦合仿真，得到了额定条件下电动机的稳态温度漂移。通过实验验证了仿真结果，为电机冷却系统设计提供了有效的支持。
关键词：电机，温度场，仿真，CFD
介绍：
随着能源和环境问题的日益严重，电动汽车越来越受到人们的关注。驱动电动机是电动汽车的重要组成部分，具有体积小，功率大，效率高，扭矩大，控制精确，防尘防水等特点。这些特点使电动汽车的驱动电动机在运行过程中产生较大的温升；高温会影响电动机绕组的绝缘性能，并导致永磁体发生不可逆的退磁，大大降低了电动机的可靠性和动态性能。当前对电动机热问题的研究一般采用等效热回路法，集总参数热网络法或有限元法。Wang RJ J，范金新，Chin [1,2,3]等研究人员使用集总参数热模型和有限元方法对车辆的驱动电动机进行热仿真，获得了特定运行条件下电动机的温度场。G..sooriyakumar等[4]建立了永磁电动机等效热回路模型，并给出了计算方法的主要参数。李伟厉通过有限元方法（FEM）建立了小型二维电动机的二维（2-D）定子热场模型。与其他类型的电动机相比，电动汽车电动机具有较高的功率密度，复杂的结构和工作条件以及复杂的热工条件，因此应提高热仿真的有效性和准确性。
在计算损失的基础上，利用CFD方法对某类水冷式永磁同步电动机进行了流固耦合仿真分析，建立了更精确的电动机热仿真模型，得到了稳态电机的三维温度场。
电机主要性能参数及损耗计算
基本结构和参数。电动汽车水冷式永磁同步电动机采用封闭式结构，在电动机工作时，转子和定子产生的大部分热量通过导热方式传递到壳体，然后被流入水道的冷却水冷却。 冷却水由独立的水泵提供压力，并配有恒温器设备，因此流入水路入口的冷却水可以保持恒定的温度和速度。本文研究的电动机结构如图1和图2所示。 参数如表1所示。
定子铁心的加热功率。由于电磁场的交替作用，电机在工作过程中会有一定的铁损。 损耗是铁心发热的来源。铁心损耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗，在电动机的整体损耗中占很大比例。定子磁轭和齿的磁通密度不同，有两个基本铁损的各部分应分别计算。[6]
在定子轭部分：
(1)
其中Ky是经验系数，适用于变频电机,当PNlt;100KVA，Ky=1.5。Pey是轭的单位质量的损失.,P10/50=2.0W/Kg,Bymax是磁轭的最大磁通密度。Gy是轭铁芯的重量，f是电枢磁场的交流频率，,n是转子转速，p是极对数，在这篇论文中，p=4.
在定子齿部分：
(2)
其中Kt是经验系数，对于变频电动机，当PNlt;100KVA,Kt=2。
，pet是啮齿单位质量的损失，Bt是啮齿的平均磁通密度，Gt是啮齿铁心的重量。定子磁轭和齿的磁通密度可以通过有限元法计算出来，在额定功率下，Bymax=1.247T,Bt=0.847T。结合以上公式，可以得出额定功率条件下铁芯的磁轭和齿部的损耗：Pey=189W,Pet=116W。即定子铁心的加热功率为Pe=Pey Pet=305W。
定子绕组的加热功率。绕组损耗是由于电机运行时流经绕组的电流中有电阻而引起的。根据焦耳-伦兹公式，损耗等于电阻与电流平方的乘积。如果电机有多个绕组，则损耗为每个绕组的铜损之和，其相对公式如下：
(3)
其中Pcui是绕组i的铜线损耗，Ii是绕组i的电流，Ri是绕组i的电阻转换为标准工作温度。
本文涉及的三相电动机在每相中具有相同的绕组电流和电阻，忽略了导线的电阻随温度的变化，因此绕组的涡流效应对绕组损耗的影响也很小。因此，铜损耗公式可以被写成
(4)
其中，I是每相的绕组电流，在额定条件下I = 102A时，R是每相的绕组电阻，通过实验方法测量，R = 0.012Omega;，因此，电动机绕组的发热量Pcu=374W。
模拟模型
CFD流固耦合计算基础。所有的流动和传热过程都会受到物理守恒定律的限制，基本的物理守恒定律包括动量守恒定律，质量守恒定律和能量守恒定律，其中基本定律的数学描述是控制方程。
质量守恒方程：
(5)
其中rho;是密度，t是时间，u，v，w是速度向量u在x，y和z方向上的分量。
动量守恒方程：
(6)
其中p是无穷小流体上的压力;tau;xx ,tau;xy ,tau;xz 等是由于分子粘度效应而在极小表面上的粘性应力tau;的分量，Fx ,Fy和Fz是无穷小处的物体力量。
能量守恒方程：
(7)
其中cp是比热容，T是温度，k是流体的传热系数，ST是流体的粘性耗散。
模型的简化和等效。为了简化分析并节省计算成本，对电动机进行了以下简化：
1）忽略辐射对电机温度场的影响
2）忽略螺钉，螺纹孔，垫片，垫片等小尺寸零件，以及倒角，圆角等几何特征
3）将气隙的复杂对流和热传导简化为一个[9]
4）将硅钢片简化为具有各向异性热导率的均质材料[6]
5）将定子绕组视为重量和热功率相同的均质导热体
6）将定子槽中的绝缘材料视为具有一定厚度和一定导热系数的绝缘层[8]
主要仿真参数。壳体表面的对流冷却。电机外表面暴露于空气中的一部分的散热过程属于自然对流传热，该表面的传热系数可通过以下公式计算[7]：
(8)
其中Nu是努塞尔特数;lambda;是空气的导热系数; l是特征长度; Pr是普朗特数; Gr是格拉索夫数; alpha;v是体膨胀系数;对于理想气体，alpha;v = 1 / T，Delta;t 是环境温度和壁温的差，n是经验系数。
定子槽的绝缘层。定子绕组的槽与定子槽之间使用多层电介质绝缘，绝缘层的等效导热系数可通过以下公式计算[8]：
(9)
其中lambda;i，bi是导热系数和介电层i（总共n层）的厚度
气隙中的热传递。为了简化计算，使用气隙的等效导热系数来描述定子和转子之间复杂的热交换过程。
等效热导率lambda;e可通过以下方法计算[9]：
电动机运行时，气隙内的空气将与转子一起作圆周运动，而不考虑轴向气流，该气隙的雷诺数为：Re=.
其中omega;是转子的线速度； delta;是气隙的长度； v是空气的运动粘度。当，气隙的空气流动状态为湍流，在此条件下，气隙的等效导热系数lambda;e可通过下式计算：
(10)
其中，，r0是转子的外径，r1是钉子的内径。
绕组的等效热系数。定子绕组由单根铜线紧密排列。由于铜线表面的绝缘膜，电线之间充满了绝缘涂料，因此纯铜线之间的传热差异很大。 在轴向上的导热系数与纯铜线相同，使用绕组的径向和切向等效热系数模拟绝缘涂料对热传递的影响。
根据傅立叶定律，等效热导率可通过以下公式计算：，其中q是热通量密度，是温度梯度。
考虑到温度在x方向上的均匀变化，可以将以上公式重写为 (11)
使用数值模拟方法计算热导率的等效系数，模型如下图所示。
将丝束表面温度设置为t1，t2（t1gt; t2），计算由温差引起的热流，从上式可以得到等效热系数的值。
啮合。由于电动机内部几何结构的复杂性，因此采用了非结构化的网格划分，细化了温度变化较大的某些部分的网格，例如流体和沟槽中的绕组，并在流体结构界面处设置了边界层网格。细分后，总共有8679506个单元和1170947个节点。
确定边界条件。假设电动机为室温，环境温度为26.8℃，保持冷却水温度为60℃，流量为10L / min。电动机外表面与空气之间的对流换热系数为9W / m2℃ ，定子绕组的加热功率为374W，定子铁芯的加热功率为305W。
仿真结果分析
额定条件下的仿真结果。从仿真结果可以看出，电机在额定稳态下的温升约为41K，最高温度点位于定子铁心两端，定子铁心和绕组的温度较高，转子的温升相对较低，因为 损耗小，绕组和永磁体在安全的工作范围内。电动机内部组件的温度在1500s后基本稳定。同时，通过冷却水的流动，两端 在水道中，流速明显低于中部。 低流量不可避免地会影响对流换热的效率，因此，通过优化水道的结构可以进一步提高热效率。
实验验证。为了验证上述仿真结果的准确性，在电动机综合试验台上进行了电动机温升试验。试验台主要由测力计，控制系统，电源，扭矩分析仪，数据采集系统，上位机等组成。
本文研究的电机定子绕组端预先装有NTC温度传感器，通过电机控制器和PC，可以实现对电机绕组内部绕组温度的实时监测。 上面模拟中设置的模拟条件，上面显示了温度传感器收集的数据与模拟结果的比较。实验数据表明，电动机绕组两端的最高温度为100℃，与仿真结果相比，两条温升曲线基本一致，达到稳态温度时，温差为1.3℃，因此 仿真结果基本可信。
总结
在理论分析的基础上，建立了电动机温度场的有限元模型，利用CFD方法计算了在额定条件下工作的永磁同步电动机的温升，并通过实验验证了仿真的可靠性。 仿真结果表明，最高温度点位于电机定子绕组端部内部，确认电机的不同部分和过程均在安全范围之内。通过使用本文讨论的方法和过程，可以在设计开始时准确，有效地估算驱动电动机的热性能。以此为基础，可以改善系统的综合性能，从而可以缩短设计周期 缩短时间并节省实验成本。
参考文献
- R-J. Wang,G.C.Heyns.Thermal analysis of water-cooled interior permanent magnet traction machine[J]//Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology,Cape Town,2013:416-421
- Jinxin Fan, Chengning Zhang,Zhifu Wang.Thermal analysis of permanent magnet motor for the electric vehicle application considering driving duty cycle[J].IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(6):2493-2496
- Y.K Chin,D.A.Staton.Transient thermal analysis using both lumped circuit approach and finite element method of a permanent magnet traction motor[C]//Proceedings of 7th AFRICON Conference,Africa,2004:1027-1035
-
G Sooriyakumar,R Perryman,S J Dodds.Analytical thermal modeling for permanent magnet synchronous motors[C]//Proceedings of Universities Power Engineeri
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