純電動汽車液冷永磁同步電機熱仿真

李曉藝

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

電機作為驅動系統的核心，直接影響著電動汽車的動力性能［1］。純電動汽車使用的永磁同步電機具有很高的功率密度，由此引發嚴重的溫升問題，影響電機的工作效率、運行性能以及使用壽命，因此必須將電機溫升控制在合理范圍內。

電機冷卻方式分為風冷和液冷兩種，本文研究的電機使用液體冷卻。用三維軟件對液冷電機進行三維建模，對模型劃分網格后導入CFD軟件，結合所要求的邊界條件，仿真得到電機的溫度場模擬結果，并搭建相關實驗平臺，對仿真結果進行驗證。

1 電機三維求解模型

1.1 物理模型

圖1為某型號電動汽車用永磁同步電機的三維模型，由于電機轉子部分熱損耗較小，工程上為了簡化計算省略轉子部分，僅保留定子鐵芯和定子繞組。電機采用液冷方式，冷卻水套布置在殼體內，圖2為流體域模型。

1.2 數學模型

由傳熱學知識可知，驅動電機內部繞組、定子和機殼主要通過熱傳導方式傳遞熱量，導熱微分方程及定解條件［2-4］為：

圖1 電機模型

圖2 流體域模型

式中：ρ——物質密度；c——物質比熱容；T——溫度；τ——時間項；λx、λy、λz——物體在x、y、z方向上的導熱系數；q——熱源密度；S1、S2、S3——物體邊界；T0——初始溫度；k——導熱系數；n——邊界法向量；q0——通過邊界面S2的熱流密度；α——表面對流換熱系數；Te——流體溫度。

由流體力學知識可知，機殼內冷卻液可視為處于穩定流動狀態的不可壓縮流體，滿足控制方程［3］為：

式中：φ——通用變量；ρ——流體密度；Γ——擴展系數；S——源項。

1.3 有限元模型

合理簡化三維模型后對其進行網格劃分，以便在計算區域內進行離散，得到求解所需離散方程組。由于電機模型較為復雜，對其劃分非結構網格。圖3為電機全局網格，圖4為流體域的邊界層網格。

圖3 全局網格

圖4 邊界層網格

2 邊界條件

2.1 損耗

電機在將電能轉化為機械能的過程中必然伴隨著能量損耗，能量損耗大部分將轉化成熱能促使電機溫度的提高。電機內的損耗主要包括繞組銅損、定子鐵損等［5-7］。

1）繞組銅損

繞組損耗是由電機運行時電流通過繞組引起的：

式中：Pcui——第i個繞組的銅損值；Ii——第i個繞組中的電流；Ri——工作溫度時第i個繞組的電阻。

2）定子鐵損

鐵芯損耗是由穿過定子鐵芯的交變磁場引起的，采用Bertotti分立鐵耗模型，其表達式如下：

式中：Ph——磁滯損耗；Pe——渦流損耗；Pw——附加損耗；kh、ke、ka——損耗系數，ke=π2γd2／6ρ，d為硅鋼片厚度，γ為電導率，ρ為鐵磁材料密度，kh、ka的值可通過實測數據擬合得到。

2.2 生熱率

生熱率是單位體積內熱源的發熱功率，其定義式為：

式中：P——損耗功率；V——對應發熱材料的體積。

2.3 機殼外表面對流換熱系數

機殼外表面與空氣進行自然對流換熱，表面散熱系數由下式計算：

式中：v——機殼表面的風速。

2.4 定子繞組的等效熱模型

為簡化分析，將全部銅線等效為一個導熱體，其導熱系數與純銅相同；所有絕緣材料等效為另一個導熱體，其導熱系數由下式計算［2］：

式中：δi——各絕緣層的厚度；λi——各絕緣層的導熱系數。

3 溫度分析及結果

將有限元模型導入到CFD軟件中，檢查網格并選取計算單位，設置好邊界條件、耦合面，參數初始化后，進行迭代求解，系統達到指定精度后，自動結束迭代過程，后處理得到電機的溫度分布如圖5～圖7所示。由圖可見，定子鐵芯和繞組在電機運行過程中將產生損耗轉化為熱量釋放出來，因此這兩部分溫升明顯，殼體溫度變化較小，其中電機最大溫升位于繞組端部。

由圖5可見，由于絕緣層的存在，定子鐵芯和繞組的溫差較大，定子越靠近繞組的部位溫度越高。機殼內壁與定子鐵芯間裝配間隙的存在導致其間也存在一個溫度突變。機殼溫度變化不明顯。

由圖6可見，定子鐵芯溫度從機殼一側，沿徑向溫度逐漸升高。這是由于定子齒部與繞組接觸，冷卻不及時溫升較高。定子軛部與電機殼體接觸，散熱條件好，溫升較低。

由圖7可見，繞組軸向溫度分布呈現兩邊高中間低，且兩端溫升不同。由于繞組兩端僅通過與空氣自然對流換熱，而繞組中部通過與定子之間的熱傳導，又通過定子與冷卻液的強制對流方式散熱，散熱條件較好。且由于繞線方式不同，繞組兩端產熱量不同，溫升不同。

圖5 電機軸向截面溫升分布圖

圖6 定子溫升分布圖

圖7 繞組溫升分布圖

4 實驗比對

搭建如圖8試驗平臺進行電機溫升試驗，采用與電機溫度場仿真相同的邊界條件，對比仿真值與采集點的溫度結果如圖9所示。由圖可見，實驗值略高于仿真值，但總體誤差較小，仿真結果可信。

圖8 電機溫升試驗平臺

圖9 實驗值與仿真值對比圖

5 結論

本文通過對一臺液冷永磁同步電機的有限元分析和實驗研究，得出以下結論。

1）電機運行至溫度場穩定時，繞組端部溫度最高。定子齒部與繞組接觸溫度較高，定子軛部冷卻條件好溫度較低。機殼無明顯溫升。

2）機殼與定子鐵芯間裝配間隙的存在導致其接觸面存在一個溫度突變，實際應用中應盡可能地減小裝配間隙導致的接觸熱阻。