P2混合動(dòng)力汽車(chē)用永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)分析

王淑旺，劉馬林，朱標(biāo)龍，王戰(zhàn)春，江 曼

(1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥 230009;2.安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司,合肥 230031)

?

P2混合動(dòng)力汽車(chē)用永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)分析

王淑旺1，劉馬林1，朱標(biāo)龍1，王戰(zhàn)春2，江 曼1

(1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥 230009;2.安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司,合肥 230031)

P2混合動(dòng)力汽車(chē)用永磁同步電機(jī)工作環(huán)境惡劣，散熱環(huán)境不佳，發(fā)熱嚴(yán)重，對(duì)其溫度場(chǎng)研究具有重要的意義?；陔姶艌?chǎng)理論，計(jì)算了電機(jī)溫升來(lái)源，建立了綜合考慮傳熱和換熱的電機(jī)求解域模型，利用Fluent軟件求解電機(jī)在對(duì)應(yīng)條件下的溫度場(chǎng)。為了驗(yàn)證電機(jī)溫度場(chǎng)求解的準(zhǔn)確性，通過(guò)流體及熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

混合動(dòng)力汽車(chē)；永磁同步電機(jī)；溫度場(chǎng)；實(shí)驗(yàn)

0 引 言

混合動(dòng)力汽車(chē)集中了傳統(tǒng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，降低了傳統(tǒng)汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性不足的問(wèn)題，同時(shí)解決了純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航量不足的問(wèn)題。在P2混合動(dòng)力汽車(chē)中，P2方案是在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱之間增加電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車(chē)中的重要部件，能夠在汽車(chē)加速起動(dòng)過(guò)程中獨(dú)立工作，彌補(bǔ)內(nèi)燃機(jī)扭矩不足的缺點(diǎn)，降低油耗；同時(shí)可以通過(guò)對(duì)汽車(chē)制動(dòng)能量回收實(shí)現(xiàn)節(jié)能。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)和控制器，電機(jī)因P2方案空間布置緊張，其體積較小，散熱不佳，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的高溫亦會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，導(dǎo)致電機(jī)在工作過(guò)程中溫度較高，因此需要對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。

本文所述電機(jī)，因電池容量有限，電機(jī)主要工作在起步加速和燃油不足的短途行程條件下，所以電機(jī)工作的最長(zhǎng)時(shí)間不超過(guò)30 min，在其工作時(shí)間內(nèi)，電機(jī)快速提升功率，直至到達(dá)額定功率后保持不變，以提供恒定扭矩。根據(jù)電機(jī)的工作條件，本文合理建立了電機(jī)的求解模型，基于流固耦合基本理論，利用Fluent軟件仿真求解電機(jī)在額定工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和電機(jī)工作30 min內(nèi)繞組和永磁體的溫升變化曲線，并分析了30 min時(shí)電機(jī)求解模型溫度場(chǎng)的可靠性，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電機(jī)溫度場(chǎng)求解的準(zhǔn)確性。

1 電機(jī)熱性能參數(shù)的確定

1.1 電機(jī)的基本數(shù)據(jù)

本文以一臺(tái)10 kW的混合動(dòng)力汽車(chē)用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解。其中電機(jī)的基本參數(shù)：額定功率10 kW，額定轉(zhuǎn)速1 250 r/min，定子外徑275 mm，定子槽數(shù)24，氣隙長(zhǎng)度0.9 mm，轉(zhuǎn)子外徑206 mm，轉(zhuǎn)子級(jí)數(shù)8對(duì)極，線圈形式為集中式繞組。

電機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積相對(duì)較小，散熱環(huán)境較差，其主要的熱交換方式如圖1所示，包括電機(jī)內(nèi)部的傳熱，電機(jī)殼體、定轉(zhuǎn)子端面和轉(zhuǎn)子支架的對(duì)流換熱等組成。

圖1 電機(jī)內(nèi)熱交換

1.2 熱源的計(jì)算

電機(jī)溫升的主要原因是由于電機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的各種損耗[1]，主要包括定轉(zhuǎn)子鐵心損耗、銅損耗和永磁體渦流損耗等。對(duì)電機(jī)各部分損耗的準(zhǔn)確計(jì)算是電機(jī)溫度場(chǎng)求解的必要條件，電機(jī)的鐵心損耗和永磁體損耗均與磁密密切相關(guān)，圖2反映了電機(jī)在額定工況下工作時(shí)的磁密分布，一定程度地反映出電機(jī)內(nèi)各部分的損耗密度。

圖2 磁密分布

經(jīng)Ansoft Maxwell求解計(jì)算后，可得到電機(jī)內(nèi)各部分的鐵耗值和永磁體渦流損耗值。電機(jī)繞組銅耗可根據(jù)傳統(tǒng)計(jì)算方法得到。各損耗值如表1所示，繞組銅耗較大，轉(zhuǎn)子鐵耗和永磁體渦流損耗值較小。

表1 額定工況下電機(jī)內(nèi)各部分損耗值

1.3 溫度場(chǎng)求解域模型

為了能夠有效地求解電機(jī)的溫度場(chǎng)，需對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化過(guò)程中假定以下條件：

(1)電機(jī)沿周向均勻分布，這里取電機(jī)的1/4模塊為研究對(duì)象；

(2)去掉電機(jī)上倒角、凸臺(tái)、孔等細(xì)小特征；

(3)電機(jī)定子槽內(nèi)等效為兩層導(dǎo)熱載體，分別為繞組導(dǎo)熱載體和絕緣層導(dǎo)熱載體；

(4)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為2段，通過(guò)3.5°斜極組成，因此轉(zhuǎn)子內(nèi)結(jié)構(gòu)和永磁體結(jié)構(gòu)細(xì)小特征較多。這里將永磁體結(jié)構(gòu)按體積不變的原則，由直線型等效成圓弧型。

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，得到電機(jī)求解域模型如圖3所示。

圖3 電機(jī)的求解域模型

1.4 三維傳熱方程與控制方程

基于傳熱學(xué)基本理論可知，在求解電機(jī)溫度場(chǎng)過(guò)程中，電機(jī)的三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)滿(mǎn)足的導(dǎo)熱方程和邊界條件[2]可表示：

式中:λx,λy,λz為電機(jī)內(nèi)各介質(zhì)x,y,z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T為物體的溫度;qv為熱源密度；s1,s2為物體邊界；Tf為流體溫度；α為流體與物體壁面間的表面對(duì)流換熱系數(shù)。

電機(jī)冷卻主要通過(guò)冷卻液的循環(huán)流動(dòng)帶走電機(jī)內(nèi)部的大部分熱量。當(dāng)冷卻液為不可壓縮流體且流動(dòng)穩(wěn)定時(shí)，滿(mǎn)足的三維控制方程[3]可表示：

式中:u,v,w為速度分量；ρ為流體密度;φ為通用變量；K為擴(kuò)展系數(shù)；S為源項(xiàng)。

1.5 傳熱系數(shù)及換熱系數(shù)的等效和計(jì)算

在電機(jī)溫度場(chǎng)求解過(guò)程中，為了保證求解結(jié)果的準(zhǔn)確，需對(duì)電機(jī)內(nèi)傳熱系數(shù)和換熱系數(shù)進(jìn)行合理等效和計(jì)算：

(1)電機(jī)內(nèi)殼體和定子之間因公差配合及裝配因素，不能夠完全接觸。這里，將定子和殼體之間的裝配間隙等效成一層薄空氣層[4]；

(2)電機(jī)內(nèi)各零部件的端面散熱系數(shù)的計(jì)算參考文獻(xiàn)[5]進(jìn)行處理；

(3)電機(jī)溫度場(chǎng)仿真過(guò)程中，若以轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行仿真，仿真難度將大大增加。這里，假定轉(zhuǎn)子是靜止的，定轉(zhuǎn)子之間的氣隙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，氣隙等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算參考文獻(xiàn)[6]進(jìn)行處理。

2 電機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算

2.1 邊界條件的確定

基于電機(jī)的求解域模型和工作條件，設(shè)定電機(jī)溫度場(chǎng)仿真過(guò)程中的邊界條件如下：

(1)冷卻水入口為速度入口邊界條件，冷卻液流量為6L/min，溫度為70°C；

(2)冷卻液出口為壓力出口邊界條件；

(3)仿真過(guò)程中，電機(jī)內(nèi)流體與固體的接觸面均設(shè)為無(wú)滑移邊界；

(4)仿真過(guò)程中，電機(jī)瞬態(tài)溫升的最大時(shí)長(zhǎng)為30min，且仿真過(guò)程中假定電機(jī)一直工作在額定工況，不考慮電機(jī)快速提升至額定功率的過(guò)程。

2.2 電機(jī)溫度場(chǎng)求解分析

根據(jù)電機(jī)的求解域模型，在Fluent軟件中設(shè)置相應(yīng)的熱源及邊界條件，便可求解電機(jī)的溫度場(chǎng)。電機(jī)在額定工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如圖4所示，圖中電機(jī)的最高溫度為169.94°C，最大溫升為99.94°C，溫升較高。因此，若電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在額定工況條件下，且因工作要求變化時(shí)，電機(jī)的最大溫度和溫升較高，可能影響電機(jī)的工作效率和可靠性。

圖4 額定工況下電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

繞組和永磁體的溫升變化是電機(jī)工作過(guò)程中的重要參考指標(biāo)，電機(jī)溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算可以為電機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中提供參考，進(jìn)而防止繞組溫升過(guò)高導(dǎo)致的繞組絕緣損壞和永磁體溫升過(guò)高導(dǎo)致永磁體的不可逆退磁。本文在研究電機(jī)溫度場(chǎng)的過(guò)程中，預(yù)先設(shè)定電機(jī)的工作仿真時(shí)間為30min。圖5即為電機(jī)工作在額定工況條件下30min內(nèi)繞組和永磁體的溫升變化曲線。由圖5可知，電機(jī)工作到30min內(nèi)，電機(jī)內(nèi)繞組和永磁體的溫升曲線斜率由快變慢。最終繞組溫度達(dá)到148.93°C，永磁體溫度達(dá)到86.12°C。

圖5 30 min內(nèi)繞組和永磁體溫升曲線

圖6為電機(jī)工作到30min時(shí)的溫度場(chǎng)。電機(jī)求解域模型的溫度分布較為規(guī)則，其中溫度最高處集中在繞組部分，最高溫度為148.93°C，溫升為78.93°C。定子最高溫度為91.42°C，轉(zhuǎn)子最高溫度為86.84°C，永磁體最高溫度為86.68°C，定轉(zhuǎn)子和永磁體溫度相對(duì)較低。圖7為電機(jī)工作到30min

圖6 30 min時(shí)電機(jī)溫度場(chǎng)

時(shí)的截面溫度分布，從圖7中可以看出，電機(jī)徑向溫度梯度分布。

圖7 30 min時(shí)電機(jī)截面溫度分布

通過(guò)對(duì)電機(jī)工作在30min內(nèi)的溫度場(chǎng)計(jì)算得出，仿真過(guò)程中電機(jī)的最高溫度為148.93°C，溫升為78.93°C。仿真結(jié)果顯示，電機(jī)在30min時(shí)間內(nèi)工作是安全可靠的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電機(jī)溫度場(chǎng)仿真求解的準(zhǔn)確性，需對(duì)實(shí)體電機(jī)進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)。流體與熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，圖8(a)即為實(shí)驗(yàn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)部分，能夠?yàn)殡姍C(jī)的運(yùn)行提供條件，圖8(b)為恒溫箱部分，恒溫箱能夠?yàn)殡姍C(jī)提供冷卻液的準(zhǔn)確輸入。本文所述電機(jī)銅耗值較大，繞組處產(chǎn)生的溫升較高，且繞組處的溫度方便測(cè)出，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將溫度傳感器埋設(shè)在繞組端部，以監(jiān)測(cè)電機(jī)工作過(guò)程中繞組端部溫升的變化。

(a)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分(b)恒溫箱

圖8 流體與熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)試過(guò)后，便可對(duì)實(shí)驗(yàn)電機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)先設(shè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min，以保證混合動(dòng)力汽車(chē)用電機(jī)的實(shí)際工作條件。當(dāng)電機(jī)工作到30 min時(shí)，停止對(duì)電機(jī)的輸入，便可得到電機(jī)繞組的溫升曲線。圖9為電機(jī)繞組端部溫升仿真值和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比。電機(jī)在工作到30 min時(shí)，仿真結(jié)果溫度值為148.93°C，實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度值為143.5°C，溫差為5.43°C，溫度誤差為3.8%，溫升誤差為7.4%，誤差均較小且在合理范圍內(nèi)，因此仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖9 繞組端部溫度仿真值和實(shí)驗(yàn)值得比較

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)一臺(tái)額定功率為10kW的P2混合動(dòng)力汽車(chē)用永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)的研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了求解模型、熱源計(jì)算和相應(yīng)等效參數(shù)的準(zhǔn)確性；

(2)電機(jī)在工作到30 min時(shí)，繞組溫度作為電機(jī)內(nèi)溫升最高部分，其仿真值結(jié)果為149.93°C，實(shí)驗(yàn)值為143.5°C，溫度誤差為3.8%，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性，可以為本文中電機(jī)設(shè)計(jì)提供重要的指導(dǎo)意義；

(3)本文通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)用電機(jī)溫度場(chǎng)的研究，可以為其類(lèi)似電機(jī)的溫度場(chǎng)研究提供一定的參考價(jià)值。

[1] 沈建新，李鵬，郝鶴，等.高速永磁無(wú)刷電機(jī)電磁損耗的研究概況[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013,33(3)：62-74.

[2] 丁樹(shù)業(yè)，孫兆瓊，徐殿國(guó)，等.3 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳熱特性數(shù)值研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012,32(3)：137-143.

[3] 丁樹(shù)業(yè)，葛云中，徐殿國(guó)，等.1.5 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)流體場(chǎng)分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012,32(21)：93-98.

[4] 靳廷船，李偉力，李守法.感應(yīng)電機(jī)定子溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2006,10(5)：492-497.

[5] 邰永，劉趙淼.感應(yīng)電機(jī)全域三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010,30(30)：114-120.

[6] 胡田，唐任遠(yuǎn)，李巖，等. 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維溫度場(chǎng)計(jì)算及分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013,28(3)：122-126.

Analysis on Temperature Field of Permanent Magnet Synchronous Motor in P2 Hybrid Electric Vehicle

WANGSu-wang1,LIUMa-lin1,ZHUBiao-long1,WANGZhan-chun2,JIANGMan1

(1.Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.JEE Automation Equipment Co.,Ltd.,Hefei 230031,China)

Permanent magnet synchronous motor (PMSM) in P2 hybrid electric vehicle (HEV) works in harsh conditions. In addition, it has poor cooling effect and heat serious. Therefore, the motor temperature field research has important significance. In this paper, the motor temperature rise source was calculated by electromagnetic field theory. Meanwhile, a solution domain model of motor considering motor heat transfer and heat exchanger was established, and then the motor temperature field in corresponding conditions was solved using Fluent software. In order to verify the accuracy of motor temperature field solution, the simulation results and experimental results were compared and analyzed by fluid and thermal experimental platform, which verified the accuracy of the simulation.

HEV; PMSM; temperature field; experiment

2015-09-07

安徽省科技攻關(guān)重大項(xiàng)目(1501021004)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)04-0033-04

王淑旺(1978-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)技術(shù)。