研究与设计I EMCA違权控刹名阄2018,45 (5)

永磁同步电机全域温度场分析与水道优化设计

路玲，王淑旺(合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥230009)

摘要：以额定功率为6〇k-永磁同步电机（PMSM)为研究对象，采用气隙等效导热系数处理定转子间 的热交换问题。给出散下线定子绕组的等效热模型。在进行绕组铜耗计 对定子绕组 的影， 定 定子铁心间因装配间隙而产生的热 。在此基础上 PM0M

模型，计电机在 转 行时的 化，并进行 。对 、数和 进行优化计算，找出 。 ， 化电机 下降9.8 2,对电机 设计 定的指导。关键词！永磁同步电机"装配间隙"三维全域温度场"试验验证"水道优化 中图分类号：TM 351 文献标志码！ A 文章编号：1673-6540(2018)05-0052-06

Analysis of 3D Global Temperature Field of PMSM and

Design of Flow Channel Optimization #

LU Ling，

(School of Mechanical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Abstract： Taking a rated power of 60 kW PMSM as the research object， the air gap equivalent thermal conductivity coefficient was used to deal with the heat exchange between the stator and rotor. The equivalent thermal model of the stator windings was given. Considering temperature effect on stator winding resistaloss calculation，the thermal resistance between the housing and the stator core due to the assembly gap was test. On this basis， the finite element model of 3D global transient temperature field of PMSM was established，and the temperature field of motor at peak speed was calculated and verified by experiment. The optimization oratio，channel number and fin was carried out to find out the optimal solution. The results showed that the maximumtemperature of the motor was decreased by 9.8 2 after the channel was optimized，which had a certasignificance for the structural design of the motor channel.Key words： parmanent manget synchronous motor (PMSM)( assembly gap( 3D global temperature field； test verification； flow channel optimization

0引言

电动汽车 的安装空间 电机 备较的功率 和效率， 的路况和 等

电机运行 ， 重[1]。电机温升

绕组 ， 导永磁体产生退磁现象，严重 电机效率，使用寿行 。因此， 永磁驱

动电机 定的理

[2]。

， 者 等效热网络法[3_5]和数值计 [卜2，6_ 13 ]对永磁同步电机（PermanentMagnet Synchronous Motor，PMSM) [1 9,11 13]和感应

电机[10]的温升特性进行了大量的研究。文献[3-

#基金项目：安徽省科技攻关重大项目（1501021004)

作者简介：路玲（1993—），女，硕士研究生，研究方向为电动汽车电驱动系统热设计。王淑旺（1978—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电动汽车驱动系统和汽车自动化装备。

一 52 —省机滅刹名闱2018,45 (5)研究与设计I EMCA

5]采用集中参数 电机的等效热 图，对

电机关键部位 进行计算，但其计算精度不及数值计算方法。文献[1,6-8]将定、转子之间的

气隙作为一静止的导热介质，用等效导热系数处 理定转子间的热交换问题， 定的指导 。文献[8-10]将 定子铁心的装配间隙等效

为一层薄空气，用经验公式计算了等效空气的厚 ，但是 情况相比存在较大误差。文献[1，11-13 ]对PMSM的结构进行了优化，有效地

低了电机的温升。文献[1-13]在对电机绕组

进行铜耗计 ，并没 电机的 对绕组的。

本文以车用PMSM为例，为仿真更接

电机 ， 定 定子间因装配间

隙而产生的热 ，结合 者关于电机热

边界条件的研究，同 对绕组 的影

，对电机定、转子 进行数值

计 ；并对电机 进行优化设

计，有效低电机 。

1 PMSM三维全域瞬态温度场的数

值计算

11求解域模型本文以车用水冷PMSM为分析对象，电机的

基本参数如表1所示。

表1电机的基本参数

参数名称参数额定功率/kW60

峰值转速/( / + min_1 )4 000

定子外径/mm260

定子内径/mm162

转子极数8

定子槽数48

气隙长度/mm1.4

线圈形式单层链式

包含 、流体域、定子、绕组、转子、永磁体、转轴的 PMSM物理模型电机耦合

计算的求 模型，如图1所示。1.2损耗计算PMSM损耗包括:定、转子铁心损耗，绕组损，永磁体涡流损耗和机械损耗，因其采用水冷强

迫冷却，产生的机械损 小，故将其忽略不计。本文对电机在额定功率60 kW、 转数

4 000 r/min下的 进行研究，结合 数据并参考文献[14-15]计定、转子铁心损耗和永磁

涡流损耗。由于定子绕组 随 而增大，在进行铜耗计 要对 因素给予 。绕组 的关系 :/=/。[1 +!(2-2。）] (1)

式中：/—绕组在2。 的电阻值；!——Cu的电 系数，为0.004 2。

绕组损 :

4c〇 0 ml2/ (2)式中：—绕组损耗； m—电机相数；

6一一绕组中相电流有效值；/—每相绕组的有效电 。

计算，电机在额定功率、转下各部 的损 如表2所示，其中绕组铜 电机温

呈线性关系。

表2电机损耗值分布 W

损耗类别定子铁耗转子铁耗永磁体损耗 绕组铜耗

损耗值3 598290 114 1 514+6(2-293.15)

1. 3电机的等效处理及散热系数的确定

1. 3. 1 绕组模型的等效处理

按照质量不变原则，将定子槽内的铜导线和

各种 等效为两层 的导热体，根据文献[16]计其等效导热系数。1. 3. 2定、转子间隙的等效处理

定定、转子间气隙的热交换是计算电机全 的 。在电机 行中，转子旋转 动气隙间空气发生湍流流动，从而增加了对流一 53

—研究与设计I EMCA違权控刹名阄2018,45 (5)

换热。若仿真 中转子是运动的，则仿真将增加。因此 效导热系数，用静止流体

的导热系数 述气隙中流动空气的热交换能

力，有效导热系数的计算参考文献)*]。1. 3. 3散热系数的确定

电机中定子铁心端部、绕组端部和转子端部 的表面散热系数参考文献)+ ]进行计算。1 4壳体与定子铁心接触热阻的测定

电机 定子铁心之间由于装配公差和表

面粗糙度的 ，不能 ，在未 的间隙

空间热量 间隙流体介质的对流 的方式进行 ，从而形 热阻。 热的存在了定子铁心向 热量，使电机：温

上升。为 电机 定子铁心间的 热阻，，如图2所示。 系统主要由电

机 、定子铁心、绕组、 、上位机、电、冷

却系统和 组成。在电机 的径向及定子铁心的轴向分别 组直径为2 mm的圆

，用 ，+ 的位置分布

示意图如图3(<所示， 定子铁心孔的相对位置如图3(b)的 图所示。

图2接触热阻试验平台

装置，设置上位机使输出电流的有 效 别为141、177、205 A，进行3组 。待各

的 ， 数据并进行处理，绕组在3组电流下的损 如表3所示。壳

定子铁心在对应位置的 差如表4所示。用式(3$计算热阻，其 如表5所示。

式中：/---热阻；

一一温差;

4---损耗。

一 54 —//A141177205

4/W1 5002 6203 985

表43组电流下对应位置温度差C

//A位1、42、53、6

1412.22.42.3

1773.84.13.9

2055.86.26.1

表5壳体与定子铁心的接触热阻值 C/-//A位置1、42、53、6

1410.001 470.001 600.001 53

1770.001 450.001 560.001 49

2050.001 4+0.001 560.001 53

5 出，在不同损耗下 定子铁

心 热 相差较小，因此热 损耗大小无关。取各热阻的 0.001 52 °C/W作为

本文热仿真所要 的边界条件。

2温度场仿真与分析

2.1仿真边界条件设置

电机在额定功率、峰值转速下工作，仿真边界

条件设置如下：(1) 据整车工况，环境温度设置为+0 C ;

(2$冷却液为50% ， 设为：

入口，流速为0.58 m/s

;邊机拉刹名兩2018,45 (5)研究与设计I EMCA

(3) 冷却液出口设置为压力出口；

(4) 电机 定子铁心的 热阻为0.001 52 2/W；

(5) 将上文中计算的定转子间隙的等效导热

系数及电机各零件端部散热系数 件的对

部分。2. 2电机温度场分布

在上述边界条件下，对电机进行三维全域瞬 仿真。仿真 如图4所示。

图4仿真结果

图4(a)、图4(b)以出，在 电机部

件中， 出在转子 （包括转子铁心、永磁体和转轴）的中间部位，为148.32 2， 为 88.32 2。这是由于转子在 转 中，其

端部 流动的空气进行对流换热来增强散热，而中间部 定转子间的空气间隙进

行对流换热，散热条件较差， 。从图4( c)可以看出，绕组端部温升也较高，

且出线端 的 于非出线端 ，最为14218 2， 为8218 2。绕组中间部分

由于 ，冷却效 端部好， 低。屈4(d)以看出，在 面 大的

区域存在严重的回流现象， 面的突然变化会增加局部压力损失，故此 进。

3试验验证与对比分析

为了 仿真 的 ，对电机进行温， 如图5所示的 。根据上述

电机 仿真 ，电机绕组端部及转子 ， 故 在绕组 端部

，在转子 间 ，分别 绕组

端部和转子的 情况。

图5试验平台

通过上位机设定电机输出功率60 k-、转速

为4 000 r/min，设 仿真相同的进 为60 2、冷却液流量为15 L/min。 设定 时

间为80 mi， 电机绕组端部线及转子在电机工作80 mi后的 。

图6为电机绕组端部 仿真值的 &曲

线。表6为转子上各 量位置在电机工作80 mi后的 仿真值。

表J 80 min后转子温度的试验值与仿真值的对比

测点123456

仿真结果/2146148145138136141’ C144145144136134138

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