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1、新能源车用永磁同步电机散热分析及散热结构优化1永磁同步电机参数及求解边界条件2电机温度场分析3电机散热优化4结语永磁同步电机具有体积小、功率密度高、效率高、转速高等特点1-21,被广泛应用于新能源汽细区动电机。车用永磁同步电机由于高性能要求，在运转过程中产生的热负载高，而高热负载加剧了电机的温升。过高的温升会使得绕组绝缘失效3,增加电机短路风险。此外高温会降低永磁体的矫顽力，容易使永磁体发生退磁，降低电机的性能及效率。因此，温升作为电机的重要性能指标之一，在电机设计时必须考为避免电机温升过高，需要采用合理的冷却方式。目前，电机的散热方式主要有自然冷却、强迫风;守口液冷4,液冷具有较高的冷却效率
2、，因此车用永磁同步电机多采用液冷的月式。近年来国内外学者在电机散热方面做了大量的研究工作。目前电机的散热分析主要为热网络法和有限元法两种方法。文献5中作者运用热网络法进行电机的温升计算开进行试验对匕察佥证了该方法的可行J性。文献6和7建立了集中参数热网络法对电机的天键部件的温开进行十算。文献【8】采用有限元法对螺旋式水冷永磁同步电机进行分析得到电机各部件的温度分布。文献9利用有限元法开考虑壳体不定子铁芯接触热阻对永磁同步电机分析得到结果，通过试验验证了有限元法的准确性。本文对一台水冷永磁同步电机采用有限元法进行热分析，结合文献资料中的边界条件研究成果，对该电机的整体模型进行有限元数值仿真，得到
3、部件温度分布。最后对该电机的水道结构进行优化，开对优化后的电机模型进行试验验证。本文以一台额定功率70kW的车用水冷永磁同步电机作为研究对象，分析了电机的损耗来源，开基于流体力学不传热理论建立了电机的热模型。在处理仿真模型时对绕组及气隙域进行了等效处理，考虑了铁芯导热系数的各向异性，开使用STAR-CCM+软件仿真获取得到电机在额定工况下的温度分布。通过在轴向水道内壁增加凸起特征对冷却水道结构进行优化，对优化后水道模型进行了仿真分析，仿真结果显示优化后的水道模型具有更好的散热效果。最后，在电机测试台架上对优化水道后的电机进行了温升测试，将测试数据不仿真数据进行对比，对比结果显示绕组温度两者几乎
4、一致，永磁体温度偏差2.95%,这表明了仿真结果的准确性。1 .永磁同步电机参数及求解边界条件1.1 永磁同步电机参数及模型本文研究对象为一台额定功率为70kW、采用强制水冷的永磁同步电机,其主要参数如表1所示。表1电机基本参数额定功kW最高转/(rmin)极对数定子槽数气隙长度mm定子外径70160004480.75220电机模型包含壳体、定转子铁芯、绕组、永磁体，如图1所示为电机3D模型。该电机水道采用的是轴向冷却形式，如图1(b)所示为冷却水道侬。（八）电机整体模型（三）冷却水道模型图1电机3D模型1.2 电机温度场仿真控制方程电机水道内流体流动需要满足连续性方程、动量方程和能量守恒方程
5、，可表示为翁+V(pzz)=O(2)dusp-vu-gra(lr+J8/+div(puT)=div()grad+S(3)式中：P为密度；U为流体速度；口为流体运动粘度；P为压力；f为质量力；T为流体温度；k为流体传热系数；CP为定压比热容；ST为流体粘性耗散项。电机各部件传热过程需满足的传热基本方程可表示为/TV/Tx/TVK(ZK)+丁(入=)十丁(川丁)+3xxy*yzz(4)a=叫屈式中：入x、yx入Z为X、V、Z方向的导热系数;T为温度;为内热源；P为密度；CP为定压比热容。1.3 热源的确定电机在运转过程中，产生的损耗主要包含定转子铁芯损耗、永磁体损耗、绕组铜耗以及运转楣戒损耗。由于
6、机械损耗占电机总损耗的比例很小，故在本文中JT予考虑。铁芯和永磁体损耗是由永磁体的磁场和三相线交流电产生的磁场交变作用下使得铁芯及永磁体产生磁滞损耗和涡流损耗。铜线中通入电流后，由于导体电阻的存在产生的发热引起的损耗称为铜耗。铁芯损耗包含磁滞损耗和涡流损耗，是在永磁体的磁场和三相线交流电产生的磁场交变作用下产生的，其计算公式为Ph=Ch冏V（5）pv=c,A2fy（6）P4+匕（7）式中：Ph为磁滞损耗；Pe为涡流损耗；PFe为铁芯损耗；Ch为磁滞损耗系数；Ce为涡流损耗系数；为磁场交变频率；Bm为磁通密度幅值;V为铁芯体积；为硅钢片厚度。铜耗的产生是由于铜线中通入电流产生的损耗，其计算公式为
7、Pu=ml-R(8)式中：Pcu为铜耗；rn为电流相数；I为通入绕组电流；R为每相绕组平均电阻。电机运行过程中由于绕组发热，其阻值也会随温度升高而增大，在进行损耗计算时需要进行相应修正。绕组阻值不温度的天系式为A=AoU+(-T0)(9)式中：Ro为绕组在TO温度下的电阻；为电阻温度系数，本文取0004o永磁体的损耗相较于铁芯损耗和铜耗而言比较小，但由于其放置在电机内部，散热条件差，较小的损耗也会产生很高的温升。体积为V的永磁体产生的损耗可由下式1。得到Pm=KdV(10)式中：Pm为永磁体损耗；J为永磁体涡流密度；J*为永磁体涡流密度的共辗;。为永磁体电导率。经过计算得到本电机在额定工况下的
8、损耗值，如表2所示。表2电机额定工况损耗值损耗类别定子铁芯损耗/W绕组损耗/W转子铁芯损/W永磁体损耗/W损耗6221258+5.032(T-25)5515.51.4绕组绝缘层等效导热系数电机定子槽内由铜导线以及多种绝缘材料填充，绝缘材料包含导线漆膜、绝缘纸、浸渍漆等。这些绝缘材料分布JT规则，开且厚度较薄，很难进行建模不网格划分。为便于分析计算，本文对绝缘部分按照质量守恒的原则进行等效处理，将各种绝缘材料等效为一层材料。等效绝缘层的导热系数计算公式为A一2,(Q(11)式中：入e为等效导热系数；j为绝缘材料的厚度；入i为绝缘材料的导热系数。1.5 铁芯导热系数定转子铁芯由多片硅钢片叠压而成，
9、硅钢片间在叠压方向上存在间隙和保护材料，因此铁芯的导热系数表现为各项异性，轴向导热系数要比径向小很多。由于硅钢片在径向为完整的整体，因此径向导热系数认为是硅钢片本身的导热系数，而轴向导热系数采用下式Ui进行等效计算、l+,1入轴向=58：=KVK（12）式中：为铁芯长度；2为间隙大小；入1为铁芯导热系数；入2为间隙材料导热系数；K为铁芯叠压系数。1.6 定转子间气隙的等效导热系数电机运转时气隙处空气扰动，气隙的传热方式为对流传热和热传导。仿真时若设置转子转动，气隙随转子转动而扰动，会极大地增加仿真的难度。因此本文假定电机转子静止JT动，气隙等效为静止空气，引入气隙等效导热系数将气隙扰动状态下的
10、传热等效为静止空气的热传导。气隙的等效导热系数根据气隙空气的流动状态进行处理，处理方式按以下公式进行12-13。气隙处的雷诺数为Re=F3卷（13）式中：Re为气隙雷诺数；山为转子铁芯外径；r为定转子气隙大小；n为转速；U为空气的运动黏度。气隙处的临界雷诺数为Re.,=41.2匹（14）Tr式中：ReCr为临界雷诺数；d2为定子铁芯内径。当雷诺数小于临界雷诺数时，气隙空气处于层流状态，气隙的等效导热系数可以认为就是空气的导热系数；当雷诺数大于临界雷诺数时，流动状态为湍流，等效导热系数可表示为/d、ww40.4614ln（33336!-7-1rq=0.0019（y2三4Re力（”）本文仿真工况电
11、机转速为3932r/min,经过计算得到气隙等效导热系数为0.117Wmko2 .电机温度场分析2.1 仿真假定条件及边界条件(1)假定损耗在铁芯、永磁体、绕组上均匀分布，开忽略电机运转过程的机械损耗；(2)假定热量主要由冷却液带走，机壳不空气换热忽略JT计，JT考虑辐射换热的影响；(3)仿真工况条件为电机在70kWs3932r/min条件下稳态运行；(4)冷却液为50%乙二醇溶液，进口流量为81./min,温度为25C,出口设置为压力出口。2.2 部件材料定义各部件的材料参数定义如表3所示。表3电机部件材料参数密度(kgm3)比热容(JkgK)导热率(WmK)壳体2702903237铁芯76
12、504730.378/25绝缘层120017000.16永磁体765045091.0610050.117铜894038629823仿真结果在上述条件下对电机进行温度场仿真，得到仿真结果如图2所示。从图中可以看出电机最高温度为103.33C,最高温度出现在一型永磁体的中间部位。这是因为永磁体置于转子内部，散热条件差，且永磁体不转子铁芯之间涂有一层导热系数低的树脂材料用于固定永磁体，这也降低了热量的传递，造成了该处温度高。从图2（c）中可以看出绕组的温度为97.73C,最高温度出现在中间层的绕组。（8）电机整体温度分布（b）冷却水道温度分布温度/中：温度/宽84.88688.097913094.5
13、1997.73088.23892.01295.78599.559103.33UM三B三HI(C)绕组温度分布(d)永磁体温度分布图2仿真结果3 .电机散热优化水冷电机的热量主要是由冷却水循环带走，因此冷却水道的冷却效果对电机散热效果影响很大。在定转子结构JT发生改变的情况下，可以通过优化水道结构来增强水道散热能力，如路玲等人通过对轴向冷却水套增加散热翅片来增大散热面积及增强流体扰动以优化电机散热9。本文同样对水道结构进行优化来增强电机的散热。3.1 水道优化前述冷却水道在流体转弯处会存在边界层分离，产生流体回流。流体回流加大了流道的流阻也影响水道的散热效果。本文通过在水道内壁上增加内凹曲面来扰
14、动流体，从而改善回流和散热效果。优化后的水道模型如图3所示。（八）优化后水道整体模型（三）局部放大图图3优化后水道模型在前述的边界条件下对水道优化后的电机模型进行仿真得到仿真结果如图4所示，从结果上看，整体温度降低。表4为绕组不永磁体的仿真最高温度对比，从表中可以看出，绕组的最高温度从99.73。(:降到93.78C,降低了5.95。(2,永磁体最高温度从103.33降至99.72,降低了3.61,优化后的水道显著提升了电机的冷却效果。温度江25gJ%普.68()62.36()81.04g,721(B)冷却水道温度分布（八）电机整体温度分布温度/T8032()83.68587.05()90.4
15、1493.779IKM)永磁体温度分布(C)绕组温度分布图4优化后仿真结果表4水道优化前后绕组不永磁体最高温度水道绕组最高温度/体最高温度原始水道99.73103.33优化水道93.7899.723.2 温升试验结果与仿真结果对比对优化水道后的电机在测试台架上进行温升试验以验证仿真结果。通常情况永磁同步电机绕组温升较高，因此需要对绕组温度进行将空。此外，永磁体放置在转子内部且有热退磁的风险，因此永磁体同样需要监控温升。故本试验在绕组和永磁体上布置温度传感器监控其温度变化，绕组上的传感器布置在非出线端的端部，永磁体上的传感器布置在中间部位的侧表面。本试验采用的是西门子测试台架，最大可测量功率为3
16、00kW,最大扭矩为485Nm,最高转速为21000r/min,可进行水冷或者油冷，因此该台架能力完全满足测试需求。如图5所示为电机测试台架。（八）电机试件（b）控制器图5电机台架测试试验试验过程中环境温度为25。（：，冷却条件为81./min,25oCo由于冷却水经过电机控制器后会存在一定的温升，为保证电机入口冷却温度为25C,本试验电机不控制器分别通入冷却水。如图6所示为试验和仿真温升曲线，如表5所示为试验不仿真结果对比。从图6和表5的结果可以看出，绕组温度仿真不试验具有很好的一致性，永磁体仿真不试验存在一定的偏差，仿真结果比试验结果低3.04,偏差为2.95%o总体而言，仿真不试验结果具
17、有很好的一致性，说明仿真结果的可靠性。（八）绕组温升图6试验温升曲线不仿真温升曲线表5试验结果不仿真结果对比项目绕组/永磁体/仿真结果93.7899.72试验结果93.80102.76最后，为验证该电机在实际车辆上的表现，对前述优化后具有凹面水道结构的电机冷却模型制作了电机样件，开将其装入某测试车辆中进行实车测试。测试条件为在W1.TC工况下，循环运行4次。测试获取到定子铁芯温度变化曲线如图7所示。从图7可以看出，该电机在各个循环下温度变化趋势稳定，定子最高温度为70,具有较JT错的工况温升表现。图7W1.TC循环工况下定子温升曲线4 .结语本文针对一台额定功率为70kW的永磁同步电机，采用有限元法对电机额定工况下的温度情况进行分析。分析过程中考虑了铁芯轴向导热系数和径向的JT同，绕组阻值随温度变化而升高及接触热阻的影响，更加准确地得到了电机的温度情况。因水道结构对水冷永磁同步电机的冷却效果具有重要影响，为能进一步提高电机的冷却效果，对该电机进行了水道优化。从仿真结果来看，优化后的水道使电机绕组温升降低了5.95,永磁体的温度降低了3.61C,这充分说明了该优化方法的有效性。此外为验证仿真结果的准确性，对该优化水道后的电机进行了温升试验，试验结果显示仿真结果不测试结果吻合度较高，永磁体误差最大为2.95%,验证了仿真结果的准确性。
