車用永磁同步電機磁熱耦合分析

權(quán)晨龍, 馮國勝, 郝長生， 張 偉, 張艷明

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北電機股份有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

傳統(tǒng)的汽車產(chǎn)業(yè)在向綠色環(huán)保方面轉(zhuǎn)變，電動汽車成為汽車工業(yè)的研發(fā)焦點，現(xiàn)在全世界大部分的汽車生產(chǎn)廠家都在研究新能源汽車。與此同時，國內(nèi)對電動汽車的需求與日俱增，相關(guān)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。研究和開發(fā)高性能永磁電機對我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化非常有益，事實上永磁同步電機已成為新一代電動汽車的最佳選擇[1]。電動汽車對永磁同步電機的外形尺寸、功率、振動噪聲等有特殊的要求，車用電機工作環(huán)境惡劣，當溫升嚴重時會導(dǎo)致線圈絕緣層損壞使其失去絕緣的作用，導(dǎo)致永磁體磁通密度的降低，甚至出現(xiàn)永久性退磁現(xiàn)象；定轉(zhuǎn)子受熱膨脹，電機結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生改變，電機運行精度下降，這些不良的后果都會影響電機的性能，降低電機的可靠性[2]。因而對電機進行磁熱耦合分析很有必要，在電機制造前能夠幫助設(shè)計人員評估電機設(shè)計的合理性，避免不必要的損失。

文獻[2]以表貼式外轉(zhuǎn)子為研究對象，采用穩(wěn)態(tài)溫度場和空氣對流散熱，研究了永磁同步電機溫度場。文獻[3]以高速爪極式電機為研究對象，根據(jù)有限元分析對其進行電機的熱分析。文獻[4]提出一種熱網(wǎng)絡(luò)法研究電機溫度場的方法，對輪轂電機樣機進行了分析。上述研究方法中，沒考慮到當下永磁同步電機采用最多的水冷的冷卻方式。采用雙向耦合計算結(jié)果精確，但計算量成倍增長，計算效率低，研發(fā)周期長，在實際應(yīng)用中有很多的局限。

研究的電機采用水冷的冷卻方式，首先在電磁仿真軟件Maxwell 2D中建立了電機的電磁有限元模型[5-6]，并對電機進行電磁場的分析，仿真計算得到電機的損耗，將損耗以熱源的方式耦合到Fluent軟件三維模型的相應(yīng)位置，采用三維模型能夠得到更真實的電機溫度場分布，單向耦合能更有效地得到電機的溫度場分布情況，節(jié)省計算機資源。

1 電機熱性能參數(shù)的確定

1.1 電機基本參數(shù)

以一臺40 kW永磁同步電機為研究對象，該電機的基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機的基本參數(shù)

Maxwell 2D計算得到的額定工況下永磁同步電機的磁密云圖和磁感線分布圖如圖1和圖2所示。

圖1 電機的磁密云圖

圖2 電機的磁感線分布圖

1.2 熱源計算

永磁同步電機的電磁損耗主要包括定轉(zhuǎn)子鐵芯損耗、銅耗和永磁體渦流損耗，電磁損耗是輪轂電機的主要熱源，其中永磁同步電機永磁體中的渦流損耗相對于定子中的銅耗和定轉(zhuǎn)子鐵芯中的鐵芯損耗而言較小，一般在多數(shù)情況下可以忽略它對電機溫升的影響。但當電機高速運轉(zhuǎn)時，永磁體感應(yīng)產(chǎn)生渦流損耗，造成永磁體溫升，影響永磁體的性能，嚴重會引起退磁和去磁的現(xiàn)象。通過電磁分析軟件，額定工況下得電機定子鐵損的損耗分布，能夠得出定子鐵芯的損耗在齒頂位置最高，如圖3所示。

圖3 額定工況下定子損耗分布云圖

通過電磁分析軟件得電機定子鐵損、繞組銅損和永磁體渦流損耗，繞組損耗所占的比例為31.9%，數(shù)值如表2所示。

表2 電機熱源損耗 W

2 電機模型簡化

2.1 定子繞組簡化

在永磁同步電機熱分析中，繞組和繞組表面絕緣層很難建立精確的有限元模型，故而將繞組等效為一整塊導(dǎo)體，將絕緣層按體積等效為包裹在導(dǎo)體外側(cè)的包圍層，并和導(dǎo)體、定子槽緊密配合。如圖4所示。

圖4 定子繞組簡化模型

根據(jù)傳熱學(xué)定理[7]，由以下公式計算等效導(dǎo)體和絕緣層的物性參數(shù)。

(1)

ds=d1+d2+d3

(2)

(3)

(4)

式中，d1為定子槽絕緣材料的厚度；d2為定子與定子絕緣材料之間的氣隙厚度；d3為定子繞組的絕緣漆厚度；ρ1、ρ2、ρ3分別為對應(yīng)的絕緣體密度；c1、c2、c3分別為相應(yīng)的絕緣體比熱容；v1、v2、v3分別為相應(yīng)的絕緣體體積。計算得等效絕緣層的厚度和物性參數(shù)如表3所示。

表3 定子繞組等效物性參數(shù)

2.2 定子鐵芯的簡化

定子鐵芯是由多層硅鋼片經(jīng)過疊壓而成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?？梢詫㈣F芯疊片等效成具有軸向、徑向和切向不同導(dǎo)熱性能的結(jié)合體[8]，簡化模型如圖5所示。

圖5 定子鐵芯簡化模型

定子鐵芯各方向的導(dǎo)熱系數(shù)可由下列公式得到

(5)

(6)

(7)

式中，λ1、λ2、λ3分別為電機鐵芯疊片在軸向、徑向和切向上的導(dǎo)熱系數(shù)；δFe、δin分別為硅鋼片和絕緣層的厚度；λFe、λin分別為硅鋼片和絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；KFe為硅鋼片的疊壓系數(shù)，其值為 0.97。計算得到的定子鐵芯簡化模型參數(shù)如表4所示。

表4 定子鐵芯等效模型參數(shù)

在溫度場中將不必要的部件進行了省略簡化，假設(shè)各部件之間緊密接觸，簡化后的模型如圖6所示。

圖6 簡化模型圖

3 電機流場仿真

電機的磁熱耦合有2種，單向耦合和雙向耦合。所謂單向耦合是指數(shù)據(jù)從第一個求解器傳遞到第二個求解器，不會逆向傳遞，優(yōu)點是節(jié)省計算機資源，計算速度快，效率高。雙向耦合是指數(shù)據(jù)會雙向傳遞，第一個求解器的數(shù)據(jù)傳遞到第二個求解器，同時第二個求解器的數(shù)據(jù)也會反過來影響第一個求解器，這樣相互影響直到最后滿足收斂條件。雙向耦合的計算結(jié)果精確，但計算量成倍增長，計算效率低。因此，本設(shè)計采用單向耦合。

3.1 電機熱源的添加

電機的熱源有3種，定子繞組的銅耗、定子的鐵芯損耗和永磁體的損耗，通過體熱源的方式添加，將繞組的銅損、定子鐵芯和永磁體的損耗添加到相應(yīng)的三維體模型上,公式如下

(8)

式中，Q為生熱率；Wq為電機的損耗；V為電機各部分的體積。

由Maxwell 2D電磁仿真分析，得到電機定子繞組的損耗、定子鐵芯的損耗和永磁體的損耗，通過Fluent計算等效繞組和定子的體積，所得定子繞組的生熱率、定子鐵芯的生熱率和永磁體的生熱率如表5所示。

表5 電機定子繞組、定子鐵芯和永磁體生熱率

3.2 電機機殼表面散熱

根據(jù)傳熱學(xué)，導(dǎo)熱的微分方程為[9]

(9)

式中，λx、λy、λz分別為x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù);qv為熱源體密度值;ρ為材料密度;cp為材料比熱容。

常用的3種熱邊界條件為

T|S1=Tc(x,y,z)

(10)

(11)

(12)

式中，Tc(x,y,z)為邊界S1的溫度;q0(x,y,z)為邊界S2的熱流密度;α3為邊界S3的散熱系數(shù);Tf3為S3周圍的流體溫度。

電機機殼表面的散熱系數(shù)為[10]

(13)

式中，α為機殼表面的散熱系數(shù);k為考慮氣流吹拂效率的計算系數(shù)，本文取0.477;α0為在平靜環(huán)境中空氣流動的散熱系數(shù)，機殼表面材料為鋁合金時，其值可取為14.2 W/(m2·K)；v為發(fā)熱體周圍空氣的流動速度，取值為16 m/s。求得機殼表面散熱系數(shù)為41.4。

3.3 定子繞組端部和轉(zhuǎn)子端部散熱系數(shù)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，αw為定子繞組表面的散熱系數(shù)；Rew為端部氣流雷諾數(shù)；Nuw為繞組端部努塞爾數(shù)；dw為端部等效直徑；n為電機轉(zhuǎn)速；γ為空氣動力粘度系數(shù)；λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；D1為定子外徑；D2為轉(zhuǎn)子外徑；Di1為定子內(nèi)徑[11]。

轉(zhuǎn)子端部散熱系數(shù)的公式為[12]

(18)

式中，αr為轉(zhuǎn)子端部散熱系數(shù)；vt為轉(zhuǎn)子的周向旋轉(zhuǎn)速度。求得轉(zhuǎn)子端部的散熱系數(shù)為26。

3.4 冷卻水路對流傳熱系數(shù)

本設(shè)計建立的為螺旋水道，在機殼內(nèi)部建立的螺旋水道，在機座的底部有2個對角的入水口和出水口，如圖7所示。

圖7 電機螺旋水道

在建立電機水冷模型時假設(shè)：

(1)水流從冷卻口垂直進入管道，且均勻分布；

(2)冷卻管道內(nèi)的水流為定常流；

(3)認為冷卻管道內(nèi)的水流為不可壓縮流體；

(4)忽略管壁對水流摩擦造成的損失，認為水流在管道流動過程中不再產(chǎn)生熱量；

(5)忽略重力的影響。

對流傳熱系數(shù)[13]為

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

式中，α為水路的對流傳熱系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)，為95.81；ρ為水的密度，為1 000 kg/m3;v為水的流速，為1.25 m/s；Re為雷諾數(shù)，為12 367.9；Prx為普朗特數(shù)，為5.521 67；d為當量直徑，為0.008 m；λ為水的導(dǎo)熱系數(shù),為0.620 66；Cp為水的比熱容，數(shù)值為4 200 J/(kg·℃)；l為水路的長度,為500 mm；μr為水在平均溫度時的動力黏度，為0.000 81；μw為水在w溫度時的動力黏度，為0.000 49。求得水路的對流傳熱系數(shù)為7 433.18。

4 流體場溫度的仿真

將簡化好的三維模型導(dǎo)入Fluent，進行網(wǎng)格剖分并將電機的鐵損和繞組的銅損等效為熱源添加到模型相應(yīng)的位置，所得電機溫度的整體分布如圖8所示，機殼Z軸方向的剖面圖如圖9所示。

圖8 電機溫度的整體分布圖

圖9 機殼Z軸方向剖面圖

從圖8可以看出，電機溫度最高的部位是電機的繞組部分，最高溫度為97.2 ℃，其次為定子，因為熱源來源于繞組和定子鐵損，因而這2個位置的溫度相對較高，從定子向外接觸機殼，通過冷卻水循環(huán)，將熱量帶走，越靠近機殼溫度越低，最低溫度在機殼位置,為45.6 ℃。

在定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙存在有空氣，在轉(zhuǎn)子以3 500 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時,熱會從定子傳遞到氣隙，進而傳遞到轉(zhuǎn)子和永磁體，溫度有80 ℃左右，不會造成釹鐵硼材料永磁體的失磁。因為轉(zhuǎn)子內(nèi)部是個相對密封的空間,容易造成溫度聚集，但因為發(fā)熱源主要集中在定子和繞組部分，故轉(zhuǎn)子部分溫度相對定子部分較低，和繞組部分溫度相差10 ℃左右，在3 500 r/min額定工況下電機溫度滿足正常使用。

5 結(jié)論

通過磁熱耦合的分析方法，對一臺物流車用永磁同步電機的電磁損耗和流體溫度進行了研究得到以下結(jié)論：

(1)該永磁同步電機的主要熱源是定子鐵芯損耗和定子繞組銅損，繞組損耗所占比例為31.9%，定子鐵芯的損耗最高的位置在齒頂。

(2)在流體溫度場仿真時能夠?qū)⒍ㄗ永@組等效為導(dǎo)體加絕緣層的方式，硅鋼疊片也能夠等效成一個整體，提高等效模型計算的關(guān)鍵是提高模型尺寸簡化和導(dǎo)熱系數(shù)的確定。

(3)從流體溫度場分析可知，該電機定子繞組部分溫度最高，采用水冷卻方式使得電機整體溫度大大降低，完全適應(yīng)該工況下電機運行的溫度環(huán)境。該仿真為永磁同步電機設(shè)計提供了重要依據(jù)，節(jié)省了電機開發(fā)的周期。