新能源汽車軸向磁通電機熱仿真

王思遠　于海生　湯天寶　孟思宇　夏令君

摘 要：隨著新能源汽車的發展，用戶對汽車加速性能的要求增加，車用電機的功率不斷增大。功率的增大帶來了電機發熱量的增加，增加的熱量會造成磁鋼溫度升高，引起不可逆的磁鋼退磁。電機的熱仿真分析可以計算出電機關鍵部件在不同工況下的溫度，作為電機設計的依據。文章用Star-CCM+軟件對一款新能源汽車用軸向磁通高密度電機做了熱仿真分析。

關鍵詞：CFD 新能源汽車 電機 熱仿真

1 引言

隨著新能源汽車技術的快速發展，汽車消費者對汽車的加速性能要求越來越高。車用電機的結構越來越緊湊，功率越來越高，發熱量也越來越大。而電機溫度過高會導致磁鋼產生不可逆的退磁，減少絕緣漆的壽命。為了防止電機出現過熱的問題，主流的電機設計企業將以電機熱仿真得到的溫度場結果作為電機熱設計依據，并在設計過程中，根據熱仿真的結果，進行多輪次的設計優化。

電機按照磁通方向的不同可以分為軸向磁通電機和徑向磁通電機。其中，軸向磁通電機的磁通方向為電機軸的軸向，目前都是永磁同步電機，有體積小、噪音低、功率密度高、散熱性能良好等優點，順應了未來電動汽車技術的發展趨勢。

多應用于電梯、商用車公交車、工程機械、增程器、軍工車輛及航空航天等。對于采用分布式驅動的乘用車，軸向磁通電機也有非常廣闊的應用前景。

文章研究了一種帶有單定子、雙轉子的高功率密度軸向磁通電機。用Siemens公司的Star-CCM+軟件對這種電機進行了熱流固耦合仿真分析，得到其多種工況下的溫度場，作為電機設計的依據。

Star-CCM+軟件是一款應用非常廣泛的CFD仿真軟件，以其出眾的用戶界面、網格生成、前后處理能力和優秀的多物理場耦合、多相流、對流換熱等功能，使其在電機領域擁有大量的用戶。

2 CFD仿真

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics），簡稱CFD，是用有限差分，有限體積，格子玻爾茲曼等計算方法，通過計算機的計算求解流體問題，得到流體方程的解。計算流體力學與試驗流體力學相結合，作為產品設計的輔助手段，為產品設計提供依據和驗證。

文章的電機熱仿真使用Star-CCM+軟件，使用CFD方法?？刂品匠虨镹avier-Stokes方程。由連續方程，動量守恒方程，能量守恒方程組成。

連續方程：

（1）

動量守恒方程：

（2）

能量守恒方程：

（3）

式（1）、（2）、（3）中，t為時間，V為體積，a為面積向量，ρ為密度，v是速度，S為源項，p為壓力，T為粘性應力張量，fb是體積力的合力，E為總能量，H為總焓，q為熱流密度。

3 仿真模型

文章采用Star-CCM+仿真軸向磁通電機溫度場。首先在設計軟件中進行幾何處理。隨后在Star-CCM+中生成多面體網格和邊界層網格，最后在Star-CCM+中進行后處理。

文章所仿真的軸向磁通電機采用單個定子在中間、兩個轉子在定子兩側的設計方式。圖1為文章所仿真的軸向磁通電機的CFD仿真模型，其中圖1（a）為定子部分的仿真模型，定子部分由環形冷卻流道的冷卻液冷卻。圖1（b）為轉子部分的仿真模型，轉子采用空氣冷卻。

網格用Star-CCM+軟件的網格生成工具生成，采用多面體加棱柱形邊界層網格，所有區域的網格總數為1379萬。冷卻液入口設置為為Massflow Inlet，冷卻液出口設置為Pressure Outlet。湍流模型采用k-w SST模型，轉子氣隙部分采用MRF模型來模擬氣體的旋轉加速度。在磁鋼、鐵芯和繞組中設置相應的銅損和鐵損作為內熱源。

冷卻液入口水溫設置為85℃，流量為8L/min。冷卻液進入流道以后，繞著圓環狀的定子磁鋼一周，然后從出口流出，帶走熱量。電機初始溫度85℃。選擇了轉速分別為5000RPM和12000RPM的2種典型的持續運行工況進行仿真。

為了改善網格質量，提升計算速度，對所仿真的電機幾何模型進行了必要的簡化，去掉了不必要的倒角和小特征。圖2是簡化后的部分模型。

4 計算結果

4.1 工況1? 154Nm@5000RPM

由圖3（a）的轉子磁鋼溫度場可以看出，轉子磁鋼的最高溫度92.0℃低于磁鋼材料的耐受溫度180℃。由圖3（b）的定子繞組溫度場可以看出，定子的繞組溫度為113.2℃，低于繞組的銅材料的許可溫度180℃。轉子磁鋼和定子繞組均能滿足電機持續工作的溫度要求。

定子的鐵芯和繞組由環形的冷卻液流道冷卻，冷卻液在從冷卻液入口處鐵芯到冷卻液出口處鐵芯的流動過程中溫度逐漸升高，冷卻效果變差，定子鐵芯體的溫度也由冷卻液入口處到冷卻液出口處逐漸升高，最高溫度出現在冷卻液出口附近的鐵芯處。冷卻液進出口溫升5.7℃。

轉子由高速旋轉引起的空氣強迫對流冷卻，轉子磁鋼表面的熱量由高相對速度的低溫空氣帶走。環形分布的多個磁鋼體的最高溫度較為接近，單個磁鋼的最高溫度區域在磁鋼幾何中心位置。

從圖4可以看出，定轉子中間的氣隙的旋轉采用Star-CCM+中的MRF模型模擬，氣隙處的流體由離心力的作用，從中間向四周流動，速度也增加。在流動過程中，氣隙中空氣的溫度從中間處的85℃增加到115℃。氣隙中的空氣的熱量來源主要有三部分，分別是轉子對流傳熱、定子對流傳熱和風摩損耗。

4.2 工況2? 90Nm@12000RPM

由圖5可以看出，轉子磁鋼溫度156.0℃低于磁鋼材料的耐受溫度180℃，定子的繞組溫度為122.3℃，低于繞組的銅材料的許可溫度180℃，滿足電機持續工作的使用要求。

從圖6可以看出，隨著轉速的增大，風摩損耗比case 1工況大大增加，氣隙外圓出口處的溫度從85℃增大到141.3℃。

5 結論

文章用Star-CCM+軟件對一種高功率密度軸向磁通電機做了熱仿真，證實了所用的電機溫度場CFD仿真方法的可行性，得到的溫度場仿真結果可以為電機設計提供設計參考。

軸向磁通電機轉子的僅靠空氣冷卻，是設計中的一個風險點，在高轉速工況下，軸向磁通電機的氣隙風摩損失較大，易造成電機轉子磁鋼過熱，磁鋼如果過熱超過許可溫度，會造成磁鋼退磁。

由于定子外側包有環形冷卻流道，定子的冷卻效果要好于轉子，定子鐵芯的最高溫度在冷卻液出口附近，轉子的各個磁鋼的最高溫度較為接近。

參考文獻：

[1]斯洛博丹 N 烏克賽維克.電機[M].北京：機械工業出版社 2015.

[2]Stephen D Umans.電機學[M].北京：電子工業出版社，2014.