电动汽车用永磁电机温升及冷却的研究

陈丽香，付佳玉,张 超,孙 宁

(沈阳工业大学 国家稀土永磁电机工程技术研究中心，沈阳 110870)

0 引 言

电动汽车的驱动电机多为永磁电机，其具有效率高、起动转矩大、短时过载能力强等特点，且有较高的功率密度[1-2]。另外，汽车用永磁同步电机由于其特殊的运行环境，如频繁地启动、停车、加速、减速等，会产生大量损耗，并且汽车上电机的安装空间较小，散热条件较差，很可能导致电机温升过高[3]，不仅会降低永磁体的性能，还会威胁到汽车运行的安全可靠性。因此，如何有效地降低电机温升，保障电机的运行可靠性是电动汽车发展必须解决的问题。因此，研究永磁同步电机的温升和冷却性能对电动汽车的安全性和可靠性研究具有重要意义。

常用的电机冷却方式有风冷、水冷以及混合冷却等方式[4]，根据电机的结构、温升、用途的不同，选用的冷却方式也不同。电动汽车用永磁同步电机大都采用水冷方式对电机进行冷却[5]，通过在机壳内开槽布置冷却水道，使冷却水从注水口流入，在机壳内循环后从出水口流出，带走电机产生的热量。合理的电机冷却系统设计，可以在尽量减小电机尺寸的前提下，有效降低各部件的温升，并且冷却系统本身具有较低的能耗，有利于电机功率密度的提高和轻量化的要求[6]。并且较好的冷却系统设计应该兼顾温度场和流体场的要求，在满足整体温升要求的同时，还要使冷却液体具有较好的流动特性和较低的流动阻力[7]。

本文对一台额定功率104kW的电动汽车用永磁同步电机设计了不同的水冷结构，对不同水冷结构下的温度场、流体场进行对比分析，并对水道结构参数进行设计和优化，通过电机温升实验验证了仿真模型的正确性。

1 流固耦合数学模型

根据传热学原理，对于各向同性介质，水冷系统内的热交换可用三维稳态导热微分方程表示[8]：

(1)

式中，λ为求解域内各种介质的导热系数；T为固体待求温度；q为热源密度；α为对流散热系数；Tf为附近流体的温度；s1、s2分别为求解域中的绝热面、散热面。

质量守恒、动量守恒和能量守恒定律为流体流动的三大基本物理定律，电机冷却水的流动要遵循这些定律，因此，将其作为建立流体运动基本方程组的依据[9]。因为水流速度较小，冷却水可看作不可压缩流体，则约束方程可写为以下形式：

质量守恒方程：

(2)

动量守恒方程：

(3)

能量守恒方程：

(4)

2 电机的参数及物理模型

104kW，1250r/min的永磁电机参数如表1所示，为方便计算，选取电机圆周1/6为求解区域，并对电机的绕组和绝缘材料进行了等效处理。求解域模型如图1所示。

表1 104kW高速永磁电机基本参数

图1 电机计算域等效模型

图2(a)、图2(b)分别为轴向Z形水路和螺旋水路的三维模型， Z形水路的结构比较复杂，水道内转弯较多，水流在Z形水路中不断变换方向从而产生较大的阻力，在水路的多处尖角水流速度很低[10]；螺旋水道从电机一侧进水，另一侧出水，容易造成定子两端温度差，但由于水流沿着一个方向螺旋前进，水道对水流的阻力较小，冷却水的流动比较平缓，相比Z形水路，螺旋型流速分布相对均匀些，温度场分布相对较好[11]。

图2 水冷系统三维模型

3 不同水冷结构的散热特性研究

为验证不同水冷结构的冷却效果，分别建立两种水冷结构的流固耦合模型，采用相同的机壳尺寸，水流截面面积相同，为440mm2，水路高度11mm，进出口直径为24mm，进口面积为452.16mm2。

应用CFD流固耦合计算电机在冷却水温300K、冷却水流速0.4m/s时的流体场和温度场分布。水道入口均给定为速度入口边界条件，设定冷却水的速度和温度。水道出口处设置为压力出口边界条件，压力设定为标准大气压。电机额定工况下各部分损耗值如表2所示，电机定子铁心、转子铁心、绕组和永磁体均为热源，加载平均损耗密度[12]。分别比较两种方案下的绕组、定转子铁心的温升以及永磁体和轴承的温度。各部分的温度分布如图3～图7所示。

表2 电机额定工况下各部分损耗值

图3 绕组温度分布云图

图4 定子铁心温度分布云图

图5 转子铁心温度分布云图

图6 永磁体温度分布云图

图7 轴承温度分布云图

由图3可知，两种水冷结构对温升的影响相差不大，整体温度分布基本沿轴向中心对称。因为转子离机壳和水道较远且气隙的导热能力较差，所以转子区域温升较高，最高温度分别为108.47℃和108.73℃。通过端腔空气的对流散热能够带走转子铁心两端和永磁体端部的热量，所以转子铁心和永磁体的温度呈中间高、两端低的分布。定子由于与机壳紧密接触，散热条件好，故定子区域温升较低。绕组的中间部分由于和定子铁心接触，散热效果较好，且上层绕组的温度低于下层绕组，绕组端部通过端腔空气对流散热，所以温升较中间部分高。

表3为各部件平均温升和最高温度的比较，由表3 可知，Z形水路各部分温升略低于螺旋水路，对于定子铁心和绕组，两种水路下温升的差别较为明显，其中绕组平均温升分别为47.33K与49.64K，定子铁心平均温升分别为27.61K与30.76K。永磁体和轴承由于离机壳和冷却水较远，温度均较高。所以应改变水道的参数和冷却水的流动特性，对冷系统进新行优化，进一步降低电机的温升。

表3 不同水路各部件的温升/温度值

4 影响电机温升的相关因素

4.1 水道数量对电机温升的影响

水道数量与电机散热效率密切相关，电机水道数越多，被冷却水流覆盖的机壳面积也就越大，冷却系统的散热效果越好。通过改变水道数量，可以得到电机各部件温升的变化趋势，从而为电机选定适合的水道数。图8为电机的定转子铁心、绕组、永磁体在不同水道数量下的平均温升值。从图8中可以看出，随着水道数量增加，电机各部件的温升均在降低，但下降的幅度越来越小，水道数为12 时各部分温升趋于平缓，由于水道数增多，水路流阻会越来越大，故最终确定水道数为12。

图8 各部件平均温升与水道数变化关系

4.2 水道宽度对电机温升的影响

冷却水和机壳通过热传导带走电机产生的热量，所以水道的容积越大、可容纳的冷却水也就越多，电机的热量散发的越快，冷却效果越好。在水道数量确定的前提下，可以适当增加水道的截面积。由于机壳径向尺寸的限制，水道高度固定为11mm，此时可以增加水道宽度以提高冷却效果。分别选择30mm、35mm、40mm、45mm四种水道宽度，得到电机各部件相应的温升分布，如图9所示。从图9中可以看出适当增加水道宽度，能够有效地降低电机的温升，当水道宽度大于40mm时，各部分温升趋于平缓，所以确定水路的宽度为40mm。

图9 各部件平均温升与水道宽度变化关系

4.2 水道宽度对电机温升的影响

除了水道数量和水道宽度之外，冷却水的流速也是影响电机温升的重要因素。在确定了水道数量为12、截面尺寸为11mm×40 mm，并保证其他条件不变的情况下，分别设定了4L/min、8L/min、10L/min、12L/min、16L/min的入口水速，通过计算得到相应的温升值。图10为不同水速下电机绕组、永磁体、定转子铁心的平均温升值。从图10中可知，电机的温升随着水速的增加而降低，当水速增大到12L/min时，各部件温升变化趋于平缓。出于对系统能耗和冷却效果的综合考虑，电机实际工作中应选择合适的水速。

图10 各部件平均温升与水速变化关系

5 电机温升试验

本文基于一台104kW，1250r/min的电动汽车用永磁电机，设计冷却结构并进行温升试验，样机温升实验平台如图11所示。为了更加直观的反应耦合计算的准确性，分别在电机的入水口、出水口、绕组端部、机壳表面、端盖设立了多个检测点，利用红外线温度测试仪进行了各部位温度的检测。试验测得的电机温升与计算值的比较如表4所示，从表4可以看出，电机稳定后各个监测点温升的计算结果与实验结果的误差很小，能够较好地吻合。

图11 温升实验平台

表4 各监测点温升的试验值与计算值

6 结 论

针对电动汽车用水冷永磁电机的发热问题，采用流固耦合的方法，建立了Z形水路与螺旋水路的温度场计算模型。通过对电机绕组、定转子铁心温升以及永磁体、轴承的温度比较后，最终采取轴向Z形结构作为电机的水冷结构。通过改变冷却水路的水道数量、水道宽度和冷却水流速，对电机的冷却结构进行优化。计算结果显示，水道数量为12、

水道宽度为40mm的Z形水路结构冷却效果较好。最后，将设计好的冷却系统应用到样机中进行试验，通过与样机试验对比，其误差在3.1%-8.8%之间，满足工程设计要求，证明了所设计的水冷结构能够有效降低电机温升。另外，通过电机温度场的计算和电机的温升试验可以看出，该电机在不同冷却结构下的温升均较低，说明了电机的功率密度较低，后续可以通过缩小电机的尺寸提高功率密度。