迫扎再控制应闭２０１６，４３（７）　研究与设计ＥＭＣＡ　永磁同步电机温度场分析与水道结构优化木　王淑旺，　高月仙，　谭立真　（合肥工业大学汽车与机械工程学院，安徽合肥２３０００９）　

摘要：以一台额定功率为３０　ｋＷ的车用永磁同步电机为例，建立三维瞬态热分析模型，分析散热边界　条件。针对定转子问气隙处理问题，提出一种改进的泰勒数判别与计算等效导热系数的方法，合理处理定转　子间复杂的对流换热情况，并进行试验验证。根据传热学和流体力学的理论知识，建立对流换热系数以及压　降与水道结构参数间的关系，给出一种水道截面尺寸的选择方法，结合ＭＡＴＬＡＢ和ＣＦＤ数值计算软件找出合　适的水道结构截面尺寸范围并进行仿真，对实际工程中电机的水道结构设计具有一定的指导意义。　关键词：永磁同步电机；边界条件；温度场；对流换热系数；截面尺寸；水道结构　中图分类号：ＴＭ　３５１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３￣５４０（２０１６）０７—００５１—０６　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｊａｃｋｅｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　

ⅣＧ　Ｓｈｕｗａｎｇ．　ＧＡ０　Ｙｕｅｘｉａｎ．ＴＡＮ　Ｌ￣ｈｅｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ａ　３０　ｋＷ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｄｅａｌｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ａｉｒ　ｇａｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ，ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｈｅａｔ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　ｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｊａｃｋｅｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ｈｅａｔ—　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ　ｗｅｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　ＳＯ　ａ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｆｏｒ　ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｊａｃｋｅｔ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ＭＡＴＬＡＢ　ａｎｄ　ＣＦＤ　ｔｏ　ｆｉｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｒａｎｇｅ　ｆｏｒ　ｗａｔｅｒ　ｊａｃｋｅｔ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ｉｔ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｈｅｌｐ，ｗｈｅｎ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ａｃｔｕａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｔｅｒ　ｊａｃｋｅｔ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ；　ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ　ｈｅａｔ·ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ｗａｔｅｒ　ｊａｃｋｅｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

０　引　言　电动汽车有限的安装空间使得电机须具备较　高的功率密度和效率，加之复杂的路况和驾驶习　惯等使电机运行工况十分复杂，温升严重。电机　温升或局部温升过高，不仅会导致结构变形，还会　使电机耐压和绝缘性降低，严重影响使用寿　命…。反之，则造成生产过程中材料的浪费，增　加制造成本。因此对电机各部分温升的准确计算　以及冷却系统的合理设计对电机安全运行具有十　分重要的意义　。　对温升的计算，国内外主要采用简化公式法、　等效热路法、数值计算法　Ｊ。等效热路法精度较　简化公式法高，但依赖于所建模型节点数　；数　值计算法计算精度高，现已得到广泛应用。目前　要准确分析电机温度场还存在一定困难，首先，热　源的准确确定有一定难度；其次，绕组的简化方法　尚不成熟；再者，转子旋转问题尚未能较好地解　决＿５　Ｊ。电机电磁结构确定后，温升的主要影响因　素是冷却系统的设计，合理的冷却结构对提高电　

项目基金：混合动力乘用车机电耦合系统开发及产业化（１５０１０２１００４）　作者简介：王淑旺（１９７８一），男，博士，副教授，研究方向为电动汽车电驱动系统和汽车自动化装备。　

一５１—　研究与设计ＥＭＣＡ　、亳｝札再控制应用２０１６，４３（７）　道结构尺寸如表３所示。　表３初始壳体水道结构基本尺寸　壳体水道结构参数　参数值　壳体内径／ｍｍ　壳体外径／ｍｍ　水道轴向总长ｌ／ｍｍ　水道截面高／ｍｍ　水道截面宽／ｍｍ　水道数　

２ｏｏ　２３８　１５２　８．５　４４　３　

３．１水道评价标准　３．１．１　对流换热　电机工作过程中生成的热量主要由冷却水和　壳体间的对流换热带走。对流换热带走的热量可　由牛顿冷却公式计算：　＝ＡｆｈｆＡＴ　（５）　由式（５）可知，要提高对流换热量，必须提高　对流换热面积Ａ　、对流换热系数ｈ　和流体和固体　间温差△　。对温差△　的控制一般通过降低冷　却液温度，不涉及水道结构，故不作考虑。　该电机中水道对流换热面面积计算为　Ａｆ　２＂ｒｒｒ·２ａｎ＋２７ｒｒ·２ｈｎ＝　４，ｔｒｒｎ（口＋ｈ）　（６）　忽略相邻水道连通处的面积，其中：ｒ＝　ｒ．　ｒ　，ｒｉ为壳体内径，ｒ０为壳体外径，凡为水道数。　

厶　对流换热是一个复杂的热量交换过程，其换　

热系数受流体介质、流体状态、是否有相变以及换　热表面几何形状等很多因素的影响。单相强制对　流换热系数可按式（７）　表示：　ｈ＝（Ａ，Ｚ，　，　，Ａ，Ｃ。）　（７）　式中：Ｚ——特征尺寸；　

——流速；　ｃ。——流体的恒压热容。　３．１．２管流压降　管流压降在工程计算中十分重要且常用，设　计水道时要综合考虑压降的影响。它的计算公　式为　Ｂ］　

局部压降：　Ａｐ：＝ｋ　（ｎ一１）　（９）　二　式中：　——局部阻力系数。　

冷却液管道的总压降为管流压降和局部压降　之和，即　△ｐ：△ｐ　＋△ｐ　（１ｏ）　３．２参数范围选择　对流换热需同时取得最大对流换热面积和对　流换热系数方可获得最佳散热效果，故根据牛顿　冷却公式，采用换热系数和换热面积的乘积为选　择依据。　根据式（５）一式（７），利用ＭＡＴＬＡＢ绘制出　对流换热面积与换热系数乘积随ｎ、ｈ变化关系，　如图５所示。　

图５对流换热系数与换热面积乘积　随截面参数变化关系　

由图５可看出，流量一定时，由于ｈ的范围有　限，ｏ的影响要比ｈ更显著，因此将ｈ选为５　ｍｍ，　在后面的分析中作为常量。　仅考虑水道截面宽度。时，根据式（７）、式　（１０）分别绘出截面宽度。与对流换热系数及流　阻的变化关系图，如图６、图７所示。根据图形的　变化趋势及实际情况，选出合适的参数范围。　

△ｐ。＝／旦ｄ．　２　（８）　图６对流换热系数随截面长度。的变化关系　

由于电机采用的是折返式水道，相邻水道连　通处存在折弯，水流经过时方向会发生变化，导致　

一５４一　

从图６可知，截面宽度０越小，对流换热系数　越大，则散热能力也在增强；且随。的减小，其变　电札与粒制应同２０１６，４３（７）　研究与设计Ｅ№Ａ　图７管流压降随截面长度ａ的变化关系　化率越大，２５　ｍｍ以上变化趋势比较平缓。压降　与ａ的关系与对流换热系数与ａ的关系相似，从　图７可知，１５　ｍｍ以下时，压降变化十分显著；所　以取较小的ａ值虽然可以获得较大的对流换热系　数，增大换热量，但由于相应水流速度的增大，使　得进水口所需要压力随之增大，且会使得流阻增　加，管流总压降变大，流体流经管道的沿程损失也　越大。因此结合图６一图７的曲线变化趋势，确　定口的取值范围为１５～２５　ｍｍ，计算出相应的水　道数目在５—８之间，其对应关系如表４所示。　

表４不同水道数和截面宽度下参数分布表　

冷却水流量保持１０　Ｌ／ｍｉｎ不变，根据模型求　解得到不同水道下温度和压力分布，如表５、表６　所示。　

表５水道数和最高温度的关系　

由表５可知，初始水道结构绕组的最高温度达　１０４．１　ｏＣ，优化后绕组温度均有所降低，水道数为５　时，最高温度为１０２．０℃，比原来降低２．１℃；６、７、８　水道数分别降低２．３　ｏＣ、２．５℃和２．３℃。　由表６可知，当水道数增加时，流体的压降也　在迅速增加，水道数为８的压降要远大于５、６、７　水道数，与理论分析结果一致。　综上分析，本电机水道截面宽度在１７—　２５　ｍｍ，即水道数目在５～７比较合理，可以达到较　好的散热效果，同时水道流阻又控制在较小范　围内。　４　数值计算进一步优选结果　５　结　语　

为进一步确定几种水道的散热效果，继续用　ＣＦＤ仿真软件分别进行热仿真并验证，选出散热　效果最佳的模型。　电机最高温度出现在绕组端部，优化水道结　构时可忽略转子影响，将绕组、绝缘等复杂结构等　效为一个均匀的发热体，着重分析水道结构尺寸　对散热的影响。水道的简化模型如图８所示。　

图８简化后的电机求解域模型　

本文对一台永磁同步电机热边界条件进行分　析，并进行额定转速下瞬态温度场的数值模拟计　算。在定转子问气隙的处理上，通过泰勒数考虑　定子表面粗糙度和开槽的影响，保证仿真的精度，　并为电机温度场计算和理论分析提供了依据，同　时辅以试验对仿真结果进行验证，证明了仿真的　准确性。　通过构建对流换热系数、流体压降与水道截　面参数间的关系，对其进行定量分析，运用数学　软件绘制出关系图，根据参数问关系的变化趋　势，对水道结构进行优选，确定出合理的截面　参数范围，同时确定水道数目；利用数值计算　软件得出相应结构下的温度分布，结果与理论　计算相符，故水道数目取在５～７比较合适，即　水道截面宽度在１７～２５　ｍｍ，验证了理论的正　确性。这对电机的水道结构设计具有一定的　指导意义。　一５５—