基于灌封材料的永磁同步电动机热管理策略研究

李 想，郭志平

(内蒙古工业大学 机械工程学院，呼和浩特 010051)

0 引 言

永磁同步电机以其高效率、高响应速度、低振动噪声和高转矩密度等优势而被广泛应用于电动汽车领域[1-2]。与传统的工业电动机相比，应用于电动汽车的永磁同步电动机正面临着工作条件的频繁变化、有限的安装空间和恶劣的工作环境[3]。而这些因素都将导致电动机温度显著升高，从而使永磁体(PM)消磁并降低电动机效率[4]。因此，有必要为永磁同步电动机提供有效的冷却系统，以减少温升，确保运行稳定性和使用寿命。

通常电动机的冷却方法可分为两类：空气冷却和液体冷却。Jang等[5]研究了鳍片对开关磁阻电动机的散热性能的影响，结果表明在自然对流条件下使用鳍片时，定子和转子的冷却性能分别提高了26.1%和16.4%。Li等[6]对带有离心叶轮的PM电动机的空气冷却进行了热分析，结果表明电枢表面存在较高的速度梯度。Kral等[7]使用CFD分析了全封闭水冷式感应电机，在模拟时间和精度之间显示出良好的折衷。此外，由于与热源直接接触，使用油作为冷却介质比水可以实现更好的冷却效果。另外，大功率电动机通常采用油浴[8]和喷油[9]。但是对于空气冷却法而言，只能满足低功率电机的冷却需求，而液体冷却法往往存在成本高、布置困难等问题。

近年来，在电子部件中已使用了导热率低，价格低廉的有机硅凝胶灌封技术[10]。它可以在室温下以液态封装，这意味着考虑到端部绕组的不规则形状，它可以与端部绕组保持良好的接触。鉴于此，本文将灌封的有机硅凝胶封装在PMSM的端部绕组与外壳之间的间隙中，以此作为增强的热管理策略。系统研究了添加灌封材料的PMSM(P-M)和原始PMSM(O-M)的温升性能。建立了PMSM的3维模型，并进行了CFD分析，以获得整个电动机的详细温度分布和温升性能。在不同的工作条件下，冷却性能的显著提高证明了P-M在复杂的不断变化的工作条件下具有广阔的应用前景。

1 灌封硅凝胶PMSM模型构建

1.1 PMSM配置

选择液体冷却PMSM来研究灌封硅凝胶在不同工作条件下的适应性。系统地测试了O-M和P-M在不同工作条件下的温升性能。如图1所示为简化的液冷P-M的剖视图，该结构主要由带有轴向水道的主圆柱状铝合金外壳、定子、转子、灌封的有机硅凝胶以及多个绕组等组成。在端部绕组和壳体之间的间隙中加入导热率为2 W/(m·K)的灌封硅树脂明胶。表1和表2分别给出了PMSM和灌封硅凝胶化的详细信息。

图1 简化的液冷P-M模型的剖视图

表1 原型电机的详细参数

表2 灌封硅凝胶的材料性能

1.2 测试环境

如图2所示，对PMSM的温升性能进行了测试。图2中将电动机放在工作台上，通过使用控制器将直流电源柜中的直流电压转换为交流电源，从而为电动机提供了交流电。其中，控制台用于调节扭矩和速度，恒温水箱提供冷水循环回路以冷却电动机，同时采用流量计监测水流。如图1所示，将三个PT-1000型铂电阻温度计嵌入端部绕组中以记录绕组温度，局部温度计沿圆周方向以120°的间隔分布，如图1中红色虚线所示。当温度计的温度波动在15分钟内小于1℃或在绝缘材料烧毁的情况下温度达到135℃时，测试停止。以1 s的间隔进行温度测量，但为了体现温度变化趋势，以不同的时间间隔绘制温度上升曲线。即为了比较额定功率，在前10分钟以1分钟为间隔绘制温度，因为在此期间温度急剧上升，然后在10-20分钟以2分钟为间隔，其余每5分钟绘制一次测试时间。对于峰值负载条件，考虑到测试时间短，以10 s的间隔绘制温度。在不同的工作条件下测试了O-M的温升性能后，将灌封材料封装在端部绕组和外壳之间的间隙中，以形成P-M。随后在相同的工作条件下测试P-M的相应性能，以确保测试的一致性。表3列出了详细的工作条件，包括典型的转速、扭矩、水温和水流量。

图2 实验装置的示意图

表3 测试条件的详细信息

1.3 建模与仿真

在模型构建中，首先使用Solidworks建立被测电机的三维模型，其次通过磁分析计算出铜损和铁损的必要热源，然后使用Fluent进行CFD分析以获得电机在不同工作条件下的温度分布和温升性能。PMSM的传热过程在理论上受节能法则的约束：

(1)

式中，ρ为材料密度，Cp为恒压下的比热容，k为导热系数，q为光源中的生热速率，T为温度。直角坐标系中的热传导的非平稳偏微分方程：

(2)

式中，kx、ky和kz分别为沿x、y和z方向的热导率。在分析中，考虑到PMSM中的热量产生非常复杂，模型的尺寸与实际电动机相同，因此调用了一些简化模型的简化方法：

(1)绕组和定子等效于均匀的加热元件。

(2)仅模拟PMSM出口附近的四分之一。

(3)采用等效导热系数来简化转子附近的气流。

(4)PMSM内部的散热被忽略。

通过使用有限元方法，PMSM的模型被划分为多个子元素，其中O-M模型具有895676个节点和2891093个元素，P-M模型具有1474239个节点和4340007个元素。温度场的有限方程：

(3)

式中，C、K和L分别代表热容量矩阵、热传导矩阵和温度负载矩阵。矩阵的元素为

(4)

PMSM热模型的初始传导定义为

T(x,y,x,0)=T0

(5)

式中，T0为PMSM温度的初始值，模拟的边界条件规定如下：

(1)将水温和流量设定为实际情况，详细信息如表3所示。(2)电机的初始温度为45℃。(3)定子与壳体之间的气隙为0.037 mm，热导率为0.026 W/(m·K)。(4)槽绝缘的厚度设定为0.31 mm，热导率为0.18W/(m·K)。

实验中使用基于压力的求解器模拟了PMSM的温升性能，并使用CFD-POST软件可视化了所有温度和速度场。

1.4 不确定度分析

实验测得PT-1000温度计的温度测量不确定度为±0.45℃。冷却水的温度不确定度分别为±1℃，水流的相对不确定度为±1%。测得的电压和电流的不确定度分别为±1.5%和±1%，因此根据标准分析方法[11]，施加到电动机上的功率的不确定度为±1.8%。

2 实验结果与分析

2.1 水流比较

如图3所示为在相同的扭矩(101 Nm)、转速(5000 r/min)和水温(55℃)，不同流量下O-M和P-M的温升曲线。实验中所有测试均未达到保护温度，因此当温度计的温度波动低于1℃持续15分钟时，测试将停止。如图3所示，对于O-M和P-M，流量从9 L/min到15 L/min的变化对稳态温度没有明显的影响。例如，在9 L/min、12 L/min和15 L/min的水流量下，P-M的稳定温度分别为85.8℃，85.6℃和85.1℃。这表明P-M与O-M具有很好的水流适应性。由此可以看出，当水的传热能力高于散发到机壳的热量时，水流量的增加几乎对稳定温度没有影响。

图3 不同流量、相同扭矩、转速和水温下O-M和P-M的温升曲线

与O-M相比，P-M的稳态温度要低得多，O-M在不同的水流量下最大温度差达到约20℃。例如，P-M的稳定温度在15 L/min时为85.1℃，比O-M(104.9℃)的稳定温度低约18.9%。这种改进主要归因于端部绕组和外壳之间的灌封硅凝胶，从而大大降低了绕组和外壳之间的热阻。如式(6)的热阻，如果热流保持一致且热阻较低，则温度差会降低：

(6)

式中，Φ和R分别代表热流和热阻，则温度差ΔT为

ΔT=Tw-Tc

(7)

式中,Tw和Tc分别代表绕组和壳体的稳定温度。

图4 外壳温度和冷却水流线分布

对于O-M，热量主要通过定子和壳体之间的界面进行传递，在CFD-POST中计算出的传热功率为1259.06 W。对于P-M，热量也可以通过灌封的硅凝胶消散，对于封装的硅凝胶，计算出的传热功率为173.27 W，在定子和外壳之间的界面处为1088.61 W。在此基础上，由于总热量基本相同，因此P-M的温度差异较小。图4为外壳温度和冷却水流线分布，其中图4(a)、图4(b)分别为O-M和P-M的外壳温度分布情况，图4(c)为冷却水流线分布。计算的体积平均温度分别为58.5℃和58.6℃。尽管平均温度相似，但观察到外壳的温度分布略有不同，其原因是灌封的硅凝胶改变了流向外壳的热流分布。考虑到水通道中存在湍流，局部高温区域出现在相应区域中如图4(c)所示。如图4(b)所示，通过灌封的硅凝胶改善了流向套管的热量，因此减少了局部高温和低温区域的面积，这也进一步表明灌封的硅凝胶不仅可以有效地降低绕组温度，而且可以使壳体的温度分布更加均匀。

2.2 水温比较

图5显示了在扭矩(127 Nm)、转速(4000 r/min)和水流量(12 L/min)下，水温对O-M和P-M的升温性能的影响。对于每个水温，P-M的稳态温度要比O-M的低很多，这在应用较低的水温时更为明显。具体来说，当水温为45℃时，最高温度降低了27.3℃，而当水温为55℃时，稳定温度下降了约22℃。需要注意的是，当水温为65℃时，O-M在约15分钟内达到135℃，而P-M在110.7℃的测试温度下可以稳定运行。绕组温度的显著下降显然是由于封装的硅凝胶的封装所致。因此如前所述，P-M的稳定绕组温度比O-M低得多。

图5 在相同转矩/转速和水流量的不同水温下，O-M和P-M的温升曲线

从图6可以看出，灌封的硅凝胶不仅降低了端部绕组的温度，而且还改变了绕组的温度分布。如图6(a)对于O-M，绕组的最低温度位于绕组的中间部分，直接通过槽纸与定子接触。另外，图6(b)中P-M的最低温度区域已移至端部绕组的外边缘，这是因为在端部绕组中产生的热量可以通过灌封的硅凝胶快速传递到外壳。如前所述，最低温度区域位置的变化也可以证明一部分热量通过封装的硅凝胶散发。

图6 绕组温度分布

除此之外，P-M在每种水流量和水温下均显示出明显的温度性能改善，这意味着可以降低应用于P-M的泵的功率以降低电池消耗。此外，即使在较高的冷却水温度下，P-M仍可以正常工作，这意味着可能不需要额外的冷却装置，从而可以降低生产成本并提高系统效率。

2.3 工作条件比较

2.3.1 额定功率

如图7所示，在相同的冷却条件、不同扭矩和转速下P-M和O-M的温升性能。在测试的四个额定功率中，P-M的稳定绕组温度低于O-M。在转速为4000r/min的情况下，稳态温度下降21.9℃时，情况更加明显。冷却效果随着转速的增加而降低，如图8所示的绿线，这是由PMSM的损耗变化和内部热交换引起的。图8中，在4000r/min转速下的铜损远高于在其他转速下的铜损，并且机械损耗增加，而其他损失则随转速的增加而几乎保持恒定。如图9所示，其中图9(a)和图9(b)分别为4000r/min和7700r/min下P-M和O-M的温度分布，图9(c)为7700r/min下P-M温度分布，对比三个图像可以看出电机内部的最高温度区域从端部绕组变为转子。此外，电动机内部空气的等效导热系数将随着转速的增加而增加，端部绕组中的大量热量可以通过周围的空气释放，因此降低了灌封硅凝胶的冷却效果。当转速为7700r/min的P-M中的最高温度移至转子并达到139.6℃，这比转速为4000r/min时的71.5℃约高95.2%。转子温度升高会影响P-M的磁性能，即当转子温度从70℃升高至140℃时，固有矫顽力将从19.56 kOe降低至11.05 kOe，最大能量乘积将从34.02 MGOe下降到28.40 MGOe，而这也将导致不可逆转的损失。灌封硅凝胶的冷却效果在高转速下会降低，这表明灌封材料可能对于其最高温度区域位于转子和P-M中的高速PMSM效果不明显。

图7 在相同的水温、水流量、不同扭矩和转速下O-M和P-M的温升曲线

图8 冷却效果与损耗分布之间的关系

图9 不同转速下电机内部温度分布

此外，如图7所示P-M和O-M在最低转速为4000 r/min时都具有最高的稳态温度，并且稳态温度随着转速升高先降低后升高。这种趋势主要由相电流的变化决定，这是影响铜损并决定绕组稳定温度的主要因素。如图8所示，在4000 r/min的转速下，铜损为1040.07 W，比其他三个条件高出约58.7%，因此该额定功率具有最大的稳定温度。

2.3.2 峰值负载条件

如图10所示，显示了在峰值负载条件下P-M和O-M的测试和模拟温度上升曲线。尽管模拟与测试之间存在误差，但它准确地预测了与实验测试相同的稳定运行时间。仿真和测试数据之间的巨大差异逐渐减小，最终随着时间收敛到相同的值。模拟数据和测试数据之间的温升率差异主要是由于初始条件和边界条件的误差，例如将电动机的初始温度设置为均匀分布在45℃，但是实际上在进行实验测试时，电动机内部存在温度差异。

图10 峰值负载条件下O-M和P-M的温升曲线

在峰值负载条件下，输出转矩接近PMSM的极限，并且相电流远高于额定条件。因此，峰值负载条件下的PMSM仅需几分钟即可达到保护温度。如图10所示，通过封装硅凝胶，可以将峰值负载条件下的稳定运行时间延长两倍。电动机运行约84 s后，O-M达到135℃，而P-M在165 s内可以稳定运行，延长的时间可以有效地保护电动机免受高温的损害。具体来说，如果电机必须在振动条件下运行约80 s，则O-M几乎会达到临界温度，甚至超过临界温度。在相同条件下，P-M的温度约为90.6℃，几乎不会影响电机寿命。如前所述，P-M稳定运行时间的增长可归因于灌封的硅凝胶，它可以迅速散发端绕组中产生的热量，并避免形成局部高温。

3 结 语

本文将灌封材料封装在端部绕组和外壳之间的间隙中，以提高整个水通道的利用率。该设计为PMSM提供了一种简便且经济高效的热管理解决方案。测试了O-M和P-M在不同的冷却和工作条件下的温升性能。结果表明，与O-M相比，在所有测试条件下P-M的温升性能都有很大提高。本文得出的主要结论包括：

(1)在扭矩：101 Nm，转速：5000r/min的工作条件下，水流在一定范围内的变化对O-M和P-M的稳态温度有轻微的影响。在每个测试水流下，P-M的稳态温度比O-M低约20℃。 P-M优异的温升性能

主要归因于通过灌封硅明胶直接连接端部绕组和外壳。

(2)P-M在较低的水温下具有更好的冷却效果，在45℃的水温下、扭矩为127 Nm、转速为4000r/min时，最高温度下降为27.3℃。灌封的硅凝胶还通过将一部分热量从端部绕组直接传递到壳体来改变绕组和壳体的温度分布。

(3)在峰值负载条件下，P-M可以有效地将稳定运行时间从84 s延长到165 s，所获得的三维瞬态热模型可以准确预测电动机在峰值负载条件下的稳定运行时间。