基于多物理场耦合的车用永磁同步电机三维温度场分析

马少丽 程普 刘慧敏

摘 要：以德普达31KW的车用永磁同步电机为研究对象，首先利用ANSYS Maxwell进行了电机定子圆周的二维电磁场分析，计算出电机的各项损耗作为热源，然后利用ANSYS Workbench 中的Flunt计算额定工况下电机的三维温度场分布，最后通过试验验证了仿真结果的正確性。

关键词：多物理场耦合;ANSYS;永磁同步电机;温度场

0 引言

永磁同步电机因其具有结构简单、可靠性强、能量密度高等优点，成为电动汽车驱动系统的重点发展方向之一。在电机运行的各项参数中，电机系统的热量管理水平决定了系统的功率密度和安全可靠运行的能力，车用高功率密度的永磁电机的发热及冷却问题是电动车关键技术问题之一。因此，确定PMSM的温度分布是非常重要的。

采用流固耦合法，因为不同的计算区域应用通用的控制方程，所以可以回避电机中冷却液和液冷接触面之间散热系数难以确定的问题，使计算结果更接近实际工况。本文采用多物理场耦合的方法，首先应用ANSYS Maxwell分析电机内的电磁场分布，并计算出电机的铜耗、铁耗、涡流损耗等各项损耗作为温度场计算的热源，再利用Flunt计算电机在额定工况下的三维稳态温度场分布，并搭建试验平台对仿真结果进行验证。

1 电机参数及模型

1.1 电机的基本参数及3D模型

本文以德普达31KW，36槽8极的永磁同步电机为例进行仿真计算，建立电机包含外壳、水道、定子铁心、绕组等主要部件的3D模型（见图1）。

1.2 电机电磁场的数学模型

选取定子圆周为计算区域，采用矢量磁位AZ为未知量，AZ所满足的边值问题如下式所示：

1.3 电机温度场的数学模型

基于流固耦合法对电机的三维温度场进行数值计算，三维导热问题的微分方程及其边界条件为：

2 仿真结果分析

2.1 电磁场分析

利用有限元软件 ANSYS  Maxwell建立剖面圆周2D有限元模型，通过分析求解，得到其磁场分布图、齿槽转矩、铜耗、铁耗等结果，作为温度场计算的热源进行加载。在铁耗曲线报告图上，由软件内置的求平均值的函数avg，计算出电机铁损为337.01W。同样的方法，可求得电机铜耗、磁钢涡流损耗的平均值分别为1180W和76W。图2和图3分别给出了电机额定工况下的磁通密度云图和铁耗曲线报告。

2.2 温度场分析

在计算了热源，给出了电机各部分材料的导热系数，对计算域边界指定了边界条件和定义了流体属性的情况下，可加载求解电机内的温度场分布。

电机在冷却水流速为0.4m/s，初始温度为25 ℃的条件下，工作在 31 kW、3600 r / min 的额定工况并达到稳态，经计算得到电机内温度场分布，图4、图5分别为定子铁心、绕组温度分布图。

由仿真温度云图可以看到，电机稳态运行时，定子绕组的温度最高并且最高温度出现在绕组端部，这是由于电机内最大的损耗来源是铜耗。其次，电机内的铁耗也比较大，所以定子铁心温度也较高。不过定子铁心轭部距离水道较近，所以定子铁心齿部的温度高于轭部。电机内的最高温度在允许的温升范围之内，所以电机可以可靠运行。

为了验证基于多物理场耦合法仿真计算电机温度场分布的正确性，本文对样机搭建了温升测试平台，图6为测试台架。分别在电机机座外侧、定子铁心及绕组端部的内侧放置热电偶，在水道的入口、出口处放置测温计测量水温。通过试验，电机内各部分温升的实际值与计算值误差在5%以内，验证了多物理场耦合法计算电机温升的有效性和准确性。

3 结论

以一台 31KW的车用水冷PMSM为例，首先采用ANSYS Maxwell计算了电机内整个定子圆周上的二维电磁场分布，由此确定的损耗结果作为温度场计算的热源;在此基础上，采用Flunt计算了电机的三维温度场。最后通过试验验证了基于多物理场耦合的电机三维温度场的数学模型以及计算方法的正确性。

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