电动大巴车用永磁电机散热分析与仿真

靳盛博 张丹

摘  要：为解决新能源汽车电机由于尺寸、工作环境限制导致的散热困难问题。依据流体力学与传热学理论对传热过程进行分析，应用有限体积法进行温度场分析，借助国家稀土永磁电机工程技术研究中心实验平台进行实验验证，有限元仿真结论与实验结果相一致。通过对该电机的分析与实验，得出其实际散热能力与理论数据相吻合，达到了预期目标，并且给出合理水流量。

关键词：永磁电机;水冷;热仿真;温升实验

中图分类号：TH12         文献标识码：A        文章编号：2095-2945（2019）17-0001-04

Abstract： In order to solve the problem of heat dissipation caused by the limitation of size and working environment of new energy vehicle motor， according to the theory of hydrodynamics and heat transfer， the heat transfer process is analyzed， the temperature field is analyzed by the finite volume method， and the experimental verification is carried out with the help of the experimental platform of the National Rare Earth Permanent Magnet Motor Engineering Technology Research Center. The finite element simulation results are consistent with the experimental results. Through the analysis and experiment of the motor， it is concluded that the actual heat dissipation capacity is consistent with the theoretical data， the expected goal is achieved， and the reasonable water flow rate is given.

Keywords： permanent magnet motor; water cooling; thermal simulation; temperature rise experiment

引言

傳统燃油汽车大量消耗不可再生的能源，给环境造成了巨大的损害，能源紧缺问题日益严峻。大力发展新能源电动汽车是汽车领域走向成熟的的关键一步，新能源汽车在环保性能和车辆性能上有着巨大的优势。新能源汽车主要有环保燃料汽车、纯电力汽车、以及混动系统汽车[1]。驱动电动机是电动汽车的核心构造，驱动电机多种多样，其中永磁同步电动机最大的特点是体积小、质量轻、运行可靠、噪声低、振动小、转矩平稳、转速范围大、功率密度高、效率高等[2]，综合性能十分出色，因此成为优势最明显的驱动电机之一。

然而车用电机的工作环境非常严苛[3]，由于启动频繁、运行时间不稳定、过载能力高、汽车内部空间小等原因，电机的散热空间极其有限，而永磁同步电机中的永磁体一旦达到临界温度点便会发生严重的退磁现象，因此解决电机散热问题是电动汽车发展中的一大难题[4]。

由于水冷效率远远高于风冷等其他冷却方式[5]，同时还具有噪声小，运行稳等优点[6]。因此根据企业生产的实际需求，对电动大巴车用永磁电机进行散热分析与仿真，为电机设计提供参考依据。

1 电机热源分析

本课题的永磁同步电机主要结构包括：定子、转子、永磁体、机械结构与旋转变压器。电机整体的三维模型如图1所示。

电机的发热主要是由于其在机电能量转换过程中所产生的无法避免的损耗，从而演变成使电机各部分温度升高的热量。电机的主要损耗可以分为铜线损耗、铁芯损耗、机械损耗与杂散损耗。

（1）铜线损耗。主要由铜线绕组中的电流所产生的损耗，由于本课题电机为三相绕组，各项绕组的电流相同，电阻相同，则其铜损如式（1）所示：

2 散热仿真分析

2.1 流体控制方程与有限体积法

无论流体发生何种变化过程，其质量始终保持不变以动量守恒定律和牛顿第二定律为基础，得出对于粘性流体的运动方程表达式，如公式（6）所示：

公式（6）在经典流体力学中被称为纳维叶-斯托克斯（Navier-Stokes），简称N-S方程。

根据能量守恒定律和傅里叶定律，以温度的角度与其他参数建立联系，其稳态对流换热能量微分方程为如式（7）所示：

有限体积法是目前求解流体与传热问题中最有效的数值计算方法。其计算形式可由N-S方程的简化与重构后如式（8）所示：

2.2 模型处理与边界条件

对图1的三维模型进行简化，忽略止动垫圈、垫片、弹性挡圈等不影响散热的零件，排除多余的干扰因素，提高计算机运行的效率，减少发生干涉等错误几率。

网格选用六面体形式，在保证其运算效率的基础上，为简化离散、降低误差、保证结果精度及迭代收敛，开启自适应网格模式，依据实时结果进行网格自我调节。简化后的模型如图2所示。

设定计算区域，并划分流体子域，进水口流量根据冷却设备供水量设定为1m3/h，由流体雷诺数Re=15149≥2300可知，确定为湍流模型，如图3所示，出水口默认与空气压力相同，赋予一个标准大气压，给定初始水温及热源。

2.3 仿真结果

求解运算可以得出电机各部温度，通过布尔运算将其展示为矢量云图，如图4所示。

将图4的计算过程与结果在直角坐标系中描述出来，如图5所示。

图4中的温度分布结果显示，出水端的温度分布明显高于进水端的温度分布，图5（a）可以得出机壳表面的最大值为38.2℃，图5（b）可以得出出水温度最大为33.09℃，图5（c）可以得出绕组端部温度最大为74.89℃，低于永磁体退磁温度，并不会发生退磁现象。此时电机的发热已经与水流的散热形成了热平衡，该方案可达到设计要求，可进行样机制造。

3 样机实验及实验数据分析

实验过程中，对机壳的不同区域温度，出水温温度以及绕组端部温度进行了监控，如图7所示。

根据图7中所显示的数据，选取几个离散点进行对比，其实测值与计算值的相吻合，如表2所示。

由于空气震荡，机壳表面散发部分热量，因此水流带走热量略低于仿真值，实际出水温度略低于仿真值，误差约为0.88%。

机壳表面温度最高为38.2℃，由于条件限制，随着环温升高，导致机壳表面实际温度略高于仿真值，误差约为0.87%。

图7中，T11为缠绕于铜线中，裸露在空气中的热敏电阻所示温度，T12为埋与铜线内部的热敏电阻温度，但却并不是绕组中温度最高的位置，根据其他位置的温度分析，可以估算出电机绕组最高温度低于80℃。并不会出现永磁体退磁的现象。

4 结论

（1）根据电机内热交换原理，分析计算了电机的主要热源。建立电机整体三维模型，以N-S方程为基础、运用有限体积法对电机的散热进行数值计算，其散热能力能够保证永磁体不退磁、足够保证循环冷却系统平衡、电机可安全运行。

（2）样机实验数据与理论数匹配度很高。电机表面温度无轴向梯度，内部绕组端部温度最高为69.3℃，处于安全工作温度区域，实际温升数据与理论数据误差约为0.9%，电机无退磁现象发生，该设计与仿真方法适用于车用永磁同步电机水冷散热的求解，目前该电机已经过多次试验测试，准备投入于实际应用。

（3）根据实验数据得出，随着水流量越大，其温升下降曲线下降速度越来越缓，此时水的散热能力已经达到饱和的状态，电机多余热量已被完全散出，这会导致水泵和制冷设备的功率损耗，需要对水流量进行合理的优化，使水冷循环系统处于效率最高的工作状态。

参考文献：

[1]王磊.电动客车用永磁同步电机散热的仿真分析和優化研究[D].安徽理工大学，2015.

[2]唐任远.稀土永磁电机发展综述[J].电气技术，2005（4）：1-6.

[3]刘蕾.纯电动汽车水冷永磁同步电机多工况热特性及冷却系统研究[D].合肥工业大学，2015.

[4]张舟云，徐国卿，沈祥林.用于电动汽车的电机和驱动器一体化冷却系统[J].同济大学学报，2005，33（10）：1367-1371.

[5]吴琳，王宏光.水冷电机冷却系统设计与计算[J].机械设计与制造，2008（8）：40-42.

[6]Kral C， Haumer A， Bauml T. Thermal Model and Behavior of a Totally-Enclosed-Water-Cooled Squirrel-Cage Induction Machine for Traction Applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（10）：3555-3565.