不同工况电动汽车轮毂电机磁场温度场分析＊

2018-10-22张帅秦利燕杨列宸

汽车实用技术 2018年19期

张帅，秦利燕，杨列宸

（厦门理工学院研究生院车辆工程专业，福建厦门 361021）

前言

轮毂电机的设计要根据实际车辆的行驶工况，在汽车高速、爬坡工况下需要电机有较高的功率密度和较大的转矩，提高电机的使用性能的同时会增加电机的各种损耗同时会使电机温升过高，所以要对电机温度场及电机冷却进行研究，保证电机高性能运行。

国内外研究学者对轮毂电机温度场进行了有益的探索。文献[1]利用有限元的方法计算电机温度场，但是没有考虑到铁损耗的影响，误差较大。文献[9]Darabi对通过对对电机施加两条冷却通道来对电机进行冷却降温，温度场分析结果较良好。文献[11]对损耗模型进行建立，分析了不同频率电压对温度的影响，但是没有对电机瞬态进行仿真。以上研究是对电机间接冷却方式的研究，而没有联系汽车具体的行驶工况来研究轮毂电机的温度场。

以往的对电机温度场的研究大都采用公式计算热源的方式，仿真结果不准确，本文对电机温度场的研究采用磁热耦合的方法，将电机损耗直接耦合到温度场中，仿真结果较为准确，而且本文采用三维模型，仿真与实验相结合的方法，使其更有参考价值。

1 磁场温度场模型建立

1.1 创建电磁场有限元模型

本文以一台25KW的外转子永磁同步轮毂电机为例，根据提供的电机数据，利用Maxwell软件进行仿真与建模，对不同的工况下电机设置仿真的边界条件、进行有限元网格划分、添加不同的激励源、设置仿真的求解选项，电机的参数如下表所示：

表2 车辆数据

1.2 各损耗的计算

对轮毂电机铁损耗的研究：本文采用 Bertotti铁耗的分离模型，即：

式中：PV为单位质量总的铁损耗；Ph为单位质量磁滞损耗；PC为单位质量的涡流损耗；Pe为额外损耗；Kh为磁滞损耗的系数；Kc为涡流损耗的系数；Ke为杂散损耗系数；f为供电的频率；

对电机铜损耗的研究：电机内的铜损耗来源主要是绕组生热，决定铜损耗的原因主要是负载电流的大小，本文所研究的轮毂电机为三相同步轮毂电机，假设电机里的电流是均匀分布的，所以最后的铜损耗公式如下：

式中：Pcu为铜损损耗；m为电机的相数；I为每相平均电流；R为电阻值；

对永磁体涡流损耗的研究：由于定子的槽的影响绕组线圈中电流激起的谐波和永磁体本身的电导率较高，所以在电机在高速工况下运转时就会产生涡流损耗，同样会引起温升。所以在永磁体中其磁场可表示如下：

由此可得出永磁体的总的涡流损耗可表示如下式子：

式中：σ为电导率；Js为电流的密度。

1.3 建立温度场数学模型

根据传热性和能量守恒定律，在电机温度场仿真中，只考虑热传递和热对流的影响，而不考虑热辐射的影响，建立温度场的数学模型：

图1 电机模型

图2 电机内部网格划分

2 磁场与温度场仿真

2.1 电机内部磁场的仿真

车辆在空载过程中运行，通入的电流源为 0，对电机施以恒定转速让其运行，根据车辆设计要求，在额定转速为450r/min，下，对电机设置狄利克莱边界条件，根据电机运行的转速、频率设置电机运行的仿真时间0.02s，仿真步长为0.00008s，之后对电机进行瞬态磁场仿真，通过 Maxwell得到电机运行后的各损耗图如下所示；车辆负载情况下，选择电机在一定转速900r/min时候，根据永磁同步电机的运行原则，设置相应的电压源进行仿真，磁场仿真时间为0.08s，仿真步长为0.0004s，对电机进行瞬态磁场仿真，得到电机损耗图。

图3 空载下各损耗

图4 负载下铜损耗

图5 负载下的铁损耗涡流损耗分布

根据损耗图可以看出，在空载工况下，由于电机通入的电流为0，故电机运行时后的绕组损耗为0，根据损耗图，电机运行在 10ms各损耗后基本达到了稳定，由于磁密度的原因，电机的铁损耗比涡流损耗要高许多，涡流损耗在一开始急剧上升，主要原因是电机运行内部有较大的交变磁场；而在负载工况下，由于通入了电流，因此电机的铜损耗不再为0，由于电枢电流的影响，铁损耗也相应增大，由于永磁体自身磁场和绕组电流产生的磁场产生交变，因此涡流损耗波动较大。

2.2 温度场表面散热系数的确定

表面散热系数一般很难确定，它跟诸多因素有关联，比如流体温度、速度等，为了研究散热系数，很多学者及厂家总结了一些经验公式来对其进行求解，但实际应用还需要对其根据实际情况进行修改。

（1）转子外表面散热系数

对外转子轮毂电机而言，其外部边界与外界空气进行热交换，其外表面的散热系数可由下式求得：

在上述式子中：a为转子外表面散热系数；r为电机转速；RR为转子外径。

（2）定转子间气隙导热系数

为了简化计算的过程，可以采用等效对流散热系数来代替定转子气隙的散热系数，假设气隙间的空气是静止的，来仿真电机内流动的空气，达到相同的结果。具体公式如下所示：

在上述式子中：Vδ为平均空气流动速度。

2.3 空载工况下温度场分析

在空载工况下，将电机磁场中的损耗藕合到Workbench中，仿真时间100min电机在额定转速空载下的温度场分布温度最高处在电机定子部位与气隙的接触部位，温度最高达到了 49.013℃，少量的转子产生的损耗和永磁体涡流损耗向内部传递，和转子热量向外部传递导致定子和气隙部位的交界处温度最高，温度最低出现在转子外端部，这是由于电机转子处于外部与外部空气接触较多，所以温度比较低，温度为40.62℃，电机整体温度由内到外是逐渐降低的，这是因为电机越靠近外部与空气接触散热性越好，热交换越好，由于电机是空载运行，所以对电机通入的电流源为0，因此绕组部位无铜损耗，发热源因主要是定子产热将热量传递给了绕组，由图可知空载下电机的涡流损耗值很小，所以永磁体部位的温升主要靠外部的转子和内部的定子传热导致。

图6 电机各部位温升云图

2.4 负载工况下温度场分析

图7 电机各部位温度云图

负载下将电机的磁场损耗结果耦合到Workbench中，设置边界条件和划分网格，设置仿真时间为100min，整体上负载工况下的电机温度比空载下的温度有了明显的提高，最高温度和最低温度之间的差距也变大，由于负载通入电流，所以绕组的温度变得很高，最高温度也发生在绕组部位，温度达到了107.08℃，绕组和定子接触的部位温度也比较高，这证明绕组的温度很大一部分也传递给了定子齿部，绕组的散热需要通过自身之外还需要通过永磁体，定子、气隙、转子才能散发到外面，所以散热环境较差，又因为绕组绝缘层的导热性能较差，因此温度要高于其他部位的温度，温度最低部位仍然在转子部位，最低温度为74.139℃。