基于Ansys Workbench雅阁ISG温度场仿真分析

2013-09-02李新华杨国威李哲然

汽车电器 2013年7期

李新华，杨国威，李哲然

（1.湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068；2.华中科技大学控制科学与工程系）

轻度混合动力汽车集成式起动-发电机ISG（ISG:Integrated Starter Generator）功率和转矩密度高、运行工况多变，特别是工作环境温度高、散热条件差，这些都给电机设计带来了新的挑战，仅按常规电磁设计是不够的，还需要对其进行温度场的仿真分析与设计。

本田汽车公司的雅阁（Accord）混合动力汽车采用中度混合（mild hybrid），即并联混合动力方案，发动机与电动机同轴，传动结构简单，与普通汽车发动机室差别不大。据本田厂方数据，雅阁混合动力汽车在城市路况下，百公里综合油耗仅为8.1L，这对于一台3.0L 6缸发动机来说已经相当不易了。雅阁ISG是一款在业界具有广泛影响的电机。该电机为16极／24槽配合永磁同步电机，采用组合式定子铁心结构，q=0.5分数槽集中绕组，见图1；转子为内置式V形磁钢（接近一字形），每极有3个磁桥，两极之间有V形沟，见图2［1］。

目前电机温升计算方法有3种，即简化公式法［2］、等效热路法［3］和温度场法［4，5］。简化公式方法比较简单，只能计算电机的平均温度，计算结果不太精确；等效热路法计算精度比简化公式法高，但要提高计算精度，需要增加网络节点和热阻数，计算工作量大大增加；温度场法采用现代数值方法来求解热传导方程，将求解区域离散成许多小单元后，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。温度场法是一种快速和准确的数值计算方法，是现代电机温升计算的主流方法。

1 温度场仿真方法

电机内部存在损耗导致电机发热，使其温升增高。电机内部损耗的组成比较复杂，但主要是铜耗和铁耗。本文研究铁耗和铜耗所引起的电机发热。铜耗可按路的方法计算，而铁耗必须用有限元方法来计算。

电机铁耗由定子铁耗和转子铁耗两部分构成。对于同步运行ISG电机，由于转子铁耗较小，从简化ISG温度场仿真的角度出发，可以认为定子铁心内各处铁耗密度相等，即视定子铁心内为均匀磁场，且只考虑定子铁心内的铁耗。

然而由于电机定子铁心各处磁密并不相同，定子铁心各处的铁耗密度也会不一样；另一方面，谐波磁场也会在转子铁心中产生一定铁耗。如果均值铁耗密度代入，进行电机温度场仿真会有一定误差。为了考虑上述问题，可以采用Ansoft二维有限元与Ansys Workbench联合仿真方法分析电机中的温度场，基本步骤如下。

第1步，计算电机给定工况下的内热源，铁耗通过二维有限元动态仿真计算，即根据已知数据建立二维有限元铁耗模型并进行给定工况下ISG的铁耗仿真。

第2步，建立ISG三维温度场有限元模型，将该模型和第1步铁耗仿真结果导入Ansys Workbench软件。

第3步，给定边界条件，在Workbench环境下进行三维有限元温度场仿真。

根据文献［6，7］提供的数据，建立雅阁ISG的1／8二维有限元铁耗模型（图3）并仿真；运用Solidworks软件建立ISG三维温度场模型（图4），并将该模型和第1步给定工况下ISG铁耗仿真结果导入Ansys Workbench软件中，图5为最高转速工况时导入后的铁耗分布。图6a为该工况下铁耗不均匀分布时定子温度场的仿真结果。如果视铁耗为均匀分布，可将内热源计算结果直接施加于ISG三维温度场模型并仿真，仿真结果见图6b。

从图6可以看出，铁耗均匀分布时，定子最高温度出现在定子齿中心，达195℃，且每个齿的温度分布相同，但这只是一种近似算法。铁耗不均匀分布时，定子最高温度出现在定子齿边缘，达197.7℃，且每个齿的温度分布并不相同。显然，铁耗不均匀分布时温度磁场的仿真结果更接近于实际情况，但数据导入比较费时。以上2种方法温度场最高温度计算结果比较接近，定子最高温度误差只有1.4%。

2 温度场仿真结果及分析

按前面所述方法对雅阁ISG不同工况下的温度场进行仿真分析。仿真时，ISG的环境温度设定为70℃，ISG模型与空气对流换热系数取5×10-6W／mm2·℃。表1给出了雅阁ISG不同工况下铜耗的计算结果。

表1 雅阁ISG不同工况下铜耗的计算结果

将不同工况时的铁耗仿真结果直接导入Ansys Workbench软件，然后使用Ansys Workbench对雅阁ISG进行温度场仿真。考虑到最大功率为短时工作制，这里采用暂态温度场仿真，仿真时间取100 s，其它工况采用稳态温度场仿真，仿真时间取1h。额定工作点、最大功率工作点和最高转速工作点3种工况下ISG温度场仿真结果如图7所示。表2给出了ISG内各部件的最高温度及所在的位置。

仿真结果表明，对于额定工况，电枢绕组端部温度最高，定子铁心（齿部）次之，转子磁钢处最低；对于最高转速工况，定子铁心（齿部）温度最高，电枢绕组（槽内导体）次之，转子磁钢处最低；最大功率工况由于工作时间短，电机内各部件的温度都较低。由于铁耗急剧增加，3种工况中最高转速工况电机内各部件的温度最高，特别是磁钢温度接近200℃，应引起高度关注。

表2 ISG内各部件的最高温度及所在的位置

文献［1］公布了雅阁ISG电枢绕组的温升试验结果，见图8。当负载转矩为70Nm时，绕组（端部）最高温度由起始的160℃直线上升；持续一段时间后负载转矩下降至65 Nm左右，此时温度停止上升，维持在160℃左右；再经过一段时间后负载转矩升至75 Nm左右，绕组端部温度再次上升，最后稳定在200℃左右。

为了验证本文温度场仿真方法的正确性，对上述工况雅阁ISG进行了温度场仿真。绕组端部最高温度仿真结果见图9，仿真时没有考虑负载转矩的波动。比较两图可知，绕组端部最高温度曲线略低于试验曲线，但2条曲线基本吻合。由于仿真时只考虑了铁耗和铜耗，而没有计及其它损耗对温度的影响，使得绕组端部最高温度曲线略低于试验曲线。

3 温度对转子的影响

温度上升对ISG的性能以及结构安全性等都会带来一系列影响，下面重点讨论对转子稀土磁钢和磁桥结构安全性的影响。

3.1 温度对磁钢的影响

众所周知，稀土磁钢是一种耐温能力较差的永磁材料。温升的较大上升，不仅导致稀土磁钢磁性能的下降，还可能会造成磁钢的不可逆退磁。图10、图11分别为雅阁ISG额定和最高转速两个工况下转子磁钢的温度场仿真结果。

从图10、图11可以看出，磁钢高温区始终出现在轴向端部，最高温度点在共顶角，因此必须加强对磁钢端面的散热；另一方面，额定工况下磁钢最高温度为146.7℃，如选用耐温150℃的稀土磁钢尚可安全运行，而最高转速工况磁钢最高温度达194.2℃，耐温150°C的稀土磁钢则有失磁风险。

图12为最高转速工况下磁钢最高温度与工作时间关系的温度场仿真曲线。曲线表明，最高转速工况下ISG工作时间小于28 min，磁钢最高温度不超过150℃，选用耐温150℃的稀土磁钢磁钢是安全的，否则会存在失磁风险。

3.2 温度对转子磁桥结构的影响

表2仿真结果表明，ISG转子最高温度一般出现在磁桥处。出现这一现象的原因在于磁桥磁密高，铁耗大。由于转子高速运行，磁桥要承受很大应力，它的结构安全引人关注。为了考察温度对转子磁桥应力的影响，分别在不同温度条件下对雅阁ISG转子进行了应力仿真，图13、图14分别给出了22℃和197℃时的应力仿真结果。

由图13、图14可见，22℃时，雅阁ISG中间磁桥应力为47.2 MPa，热形变为0.00214 mm；197℃时，应力为1181.2MPa，形变为0.04576mm。温度上升了5.5倍，应力和形变分别上升了25.1倍和20倍。图15为雅阁ISG转子磁桥应力和形变随温度变化的关系曲线。可见，随着温度的增加，转子磁桥应力和形变会直线上升，威胁到转子结构的安全。因此，从转子结构安全的角度出发，必须限制最高转速工况下ISG的工作时间，使磁桥应力和形变在允许范围内。