基于多物理場耦合的車用永磁同步電機三維溫度場分析

馬少麗 程普 劉慧敏

摘 要：以德普達31KW的車用永磁同步電機為研究對象，首先利用ANSYS Maxwell進行了電機定子圓周的二維電磁場分析，計算出電機的各項損耗作為熱源，然后利用ANSYS Workbench 中的Flunt計算額定工況下電機的三維溫度場分布，最后通過試驗驗證了仿真結果的正確性。

關鍵詞：多物理場耦合;ANSYS;永磁同步電機;溫度場

0 引言

永磁同步電機因其具有結構簡單、可靠性強、能量密度高等優點，成為電動汽車驅動系統的重點發展方向之一。在電機運行的各項參數中，電機系統的熱量管理水平決定了系統的功率密度和安全可靠運行的能力，車用高功率密度的永磁電機的發熱及冷卻問題是電動車關鍵技術問題之一。因此，確定PMSM的溫度分布是非常重要的。

采用流固耦合法，因為不同的計算區域應用通用的控制方程，所以可以回避電機中冷卻液和液冷接觸面之間散熱系數難以確定的問題，使計算結果更接近實際工況。本文采用多物理場耦合的方法，首先應用ANSYS Maxwell分析電機內的電磁場分布，并計算出電機的銅耗、鐵耗、渦流損耗等各項損耗作為溫度場計算的熱源，再利用Flunt計算電機在額定工況下的三維穩態溫度場分布，并搭建試驗平臺對仿真結果進行驗證。

1 電機參數及模型

1.1 電機的基本參數及3D模型

本文以德普達31KW，36槽8極的永磁同步電機為例進行仿真計算，建立電機包含外殼、水道、定子鐵心、繞組等主要部件的3D模型（見圖1）。

1.2 電機電磁場的數學模型

選取定子圓周為計算區域，采用矢量磁位AZ為未知量，AZ所滿足的邊值問題如下式所示：

1.3 電機溫度場的數學模型

基于流固耦合法對電機的三維溫度場進行數值計算，三維導熱問題的微分方程及其邊界條件為：

2 仿真結果分析

2.1 電磁場分析

利用有限元軟件 ANSYS? Maxwell建立剖面圓周2D有限元模型，通過分析求解，得到其磁場分布圖、齒槽轉矩、銅耗、鐵耗等結果，作為溫度場計算的熱源進行加載。在鐵耗曲線報告圖上，由軟件內置的求平均值的函數avg，計算出電機鐵損為337.01W。同樣的方法，可求得電機銅耗、磁鋼渦流損耗的平均值分別為1180W和76W。圖2和圖3分別給出了電機額定工況下的磁通密度云圖和鐵耗曲線報告。

2.2 溫度場分析

在計算了熱源，給出了電機各部分材料的導熱系數，對計算域邊界指定了邊界條件和定義了流體屬性的情況下，可加載求解電機內的溫度場分布。

電機在冷卻水流速為0.4m/s，初始溫度為25 ℃的條件下，工作在 31 kW、3600 r / min 的額定工況并達到穩態，經計算得到電機內溫度場分布，圖4、圖5分別為定子鐵心、繞組溫度分布圖。

由仿真溫度云圖可以看到，電機穩態運行時，定子繞組的溫度最高并且最高溫度出現在繞組端部，這是由于電機內最大的損耗來源是銅耗。其次，電機內的鐵耗也比較大，所以定子鐵心溫度也較高。不過定子鐵心軛部距離水道較近，所以定子鐵心齒部的溫度高于軛部。電機內的最高溫度在允許的溫升范圍之內，所以電機可以可靠運行。

為了驗證基于多物理場耦合法仿真計算電機溫度場分布的正確性，本文對樣機搭建了溫升測試平臺，圖6為測試臺架。分別在電機機座外側、定子鐵心及繞組端部的內側放置熱電偶，在水道的入口、出口處放置測溫計測量水溫。通過試驗，電機內各部分溫升的實際值與計算值誤差在5%以內，驗證了多物理場耦合法計算電機溫升的有效性和準確性。

3 結論

以一臺 31KW的車用水冷PMSM為例，首先采用ANSYS Maxwell計算了電機內整個定子圓周上的二維電磁場分布，由此確定的損耗結果作為溫度場計算的熱源;在此基礎上，采用Flunt計算了電機的三維溫度場。最后通過試驗驗證了基于多物理場耦合的電機三維溫度場的數學模型以及計算方法的正確性。

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