摘要：本文给出一种实际工程应用的电动汽车驱动电机并联型冷却水路结构，相对于传统螺旋形水套，降低流阻效果显著。然后利用热网络法，研究电机装配间隙及槽内浸漆程度对温度场的影响。接下来建立电机整机三维有限元模型，研究整个电机温度分布情况。最后通过实验对两种仿真方法进行验证。
关键词： 永磁同步电机 并联型水路 LPTN 有限元法
Cooling structure design and temperature field analysis
of electric vehicle driving motor
Wang Jian1 Wang Yunpeng1 Li Wu1
(1.SAIC Motor Technical Center，Shanghai，201804)
Abstract: In this paper, a parallel cooling water circuit structure used in EV’s driving motor is presented. Compared with the traditional spiral water jacket, the effect of reducing flow resistance is remarkable. Then the thermal network method is used to study the influence of the motor assembly gap and the degree of paint dipping on the temperature field. Next, the three-dimensional finite element model is established to study the temperature distribution of the whole motor. Finally, two simulation methods are verified by experiments.
Keywords: PMSM Parallel cooling water circuit LPTN Finite element method
0 引言
目前国际上新能源汽车发展如火如荼，电动汽车驱动电机研究越来越受到人们的普遍关注，永磁同步电机更是其中翘楚。越来越高的功率密度和转矩密度需求，使得永磁同步电机热场研究成为了电机设计和校验的重要一环[1]。本文结合实际工程，对一款电动汽车用永磁同步电机流体场和温度场进行耦合研究，并通过实验证明了工程研究方法的准确性，具体内容包括以下几个方面：
1）结合流体动力学理论，对比分析并联型水路相对于传统水路结构的优势；
2）研究热网络法计算电机温度场准确性的影响因素；
3）三维有限元法计算电机温度场准确性研究。
1 并联型水路
本节旨在研究并联型水路结构相对于传统水路结构（周向螺旋形）在车用电机上的优势，主要从水路流阻方面考虑。
1.1 流体动力学及热场数学模型
对于一般不可压缩粘性流体稳态问题，伯努利方程在解决实际工程问题中有及其重要的作用[2]，并且应用广泛，其方程为：
式(2)中：T为物体边界面温度；qv求解域内各热源总和；λr、λφ、λz分别为材料沿r、φ以及z方向的导热系数；S为流体与固体材料交界面；Tf为流体温度；α为表面散热系数。
1.2 仿真模型
传统机壳水冷常用周向螺旋型和轴向“Z”字型水路，轴向“Z”字型水路由于弯折角多，局部压降大，通常在实际工程中多采用的周向螺旋型水路。周向螺旋型水路进出水口分布在电机两侧，位置不方便进行调节，在目前电机-控制器-减速器集成的系统中，有一定的劣势。基于螺旋型水路，本文给出一种并联型水路结构，进出水口位置便于调节，并且降低水路的流阻。水路结构图如图1-1所示，分别为螺旋型水路和并联型水路。
2 LPTN法研究电机温度场
在前期电机开发阶段，电机电磁性能的设计通常需要快速的对电机热负荷进行评估，集中参数热网络法（Lumped Parameter Thermal Network ,LPTN）便应运而生[4]。LPTN对比于简单热路法，热节点比较丰富，可以获取同一部件不同位置温升状况；对比于三维有限元法，LPTN计算速度快，并且对电机模型参数化控制程度更高。
以一台峰值功率为60kW，最高转速12000rpm的永磁同步电机为研究对象，采用并联型水路结构，利用热网络法研究经验参数在快速计算电机温度场中的重要性。目标电机的基本参数(损耗数据是电机工作在4500rpm工况)，如表2-1所示，电机转速较低，机械损耗暂时不考虑。
2.1 热网络模型参数等效
首先，为方便热网络模型的建立，电机部件的几何形状必须尽量规则，便于热阻、热容等参数的计算，形状简化的原则是保证热传递路径上热参数不变。其次，为方便热参数计算，对于电机关键位置进行等效意义重大。
2.1.1 绕组等效
在电机温度场研究计算过程中，电机槽内温升及绕组温度分布规律是关注的重点。电机槽内温度较高，加速电机槽内绝缘老化，降低电机寿命和可靠性；另一方面，槽内绝缘的分布对电机温度场分布也有很大影响。
槽内绝缘和绕组分布规律复杂，通常在计算过程中都需要做等效处理。本文中采用常见的绕组和绝缘分层等效方法，等效示意图如图2-1所示。
式中：δi为第i层厚度；λi为第i层物体导热系数。
2.1.2 气隙等效
在建立电机热网络模型过程中，常常将旋转气隙的对流散热等效成为固体热传导。电机不同工作工况下，转子带动气隙旋转运动的状态不同，工程上通常采用雷诺数来判断流体运动状态。在电机中，气隙临界雷诺数用公式(4)计算：
式中：C为热容；ρ为物体密度；V为物体体积；cp为物体比热容；Rt为热传导热阻；δ为热传导传递长度；λ为材料热导率；S为热传导或热对流传递面积；Rc为热对流热阻；h为对流散热系数。
2.3 LPTN计算结果
按照前文等效之后的电机模型，计算电机各部件的热阻和热容，在各热节点进行损耗加载，得到电机热网络模型如图所示，电机各部件用颜色进行了标识。
在此工况下，利用热网络模型计算的电机温度分布如图2-3所示，电机最高温度为153.5℃，出现在绕组端部位置；由于电机转速较低，电机转子损耗较小，转子系统最高温度为107.6℃，定子铁芯最高温度出现在定子齿，最高温度为105.2℃。
2.4 电机温度场影响因素分析
在电机实际加工过程中，由于加工工艺和模具存在一定的偏差，可能会导致电机热性能的下降，从而影响电机输出性能，本小节针对以下两种电机加工安装常出现的问题进行讨论。
2.4.1 机壳-定子间隙
通常机壳和定子铁芯之间通过热套安装，并且两者之间存在一定的过盈量，但在实际加工过程中，并不一定能够保证定子铁芯外圆和机壳内圆的加工精度，微小的偏差量会导致电机内较大的温差。
利用热网络法，研究机壳-定子间隙对电机内温度影响，图2-4表明，电机温度随着机壳-定子间隙呈线性增加，绕组温度变化较大。
2.4.2 槽内浸渍程度
电机在下线完成后，需要用浸渍漆对槽内绕组进行浸渍，目的是为了填充槽内间隙，增强绕组热传导能力。但是，槽内浸渍通常达不到完全浸渍的要求，对电机槽内温度造成一定影响。
假设槽内完全浸渍称其浸渍程度为100%，则电机部件温度随槽内浸渍称度变化关系如图2-5所示，浸渍程度好坏对绕组温度影响较大，随着浸渍程度的提高，对绕组温度影响越来越小。
3 三维有限元法研究电机温度场
三维有限元法目前是计算电机温度场最常用的方法，相对于LPTN法，其准确性更多的依赖于三维模型的准确性以及网格剖分质量的好坏。三维有限元法可以直观的观测电机内温度的变化梯度，计算不规则形状部件的温度，但是三维有限元法通常需要占用大量的计算内存和时间[5]。
3.1 求解模型
针对本文目标电机，结合第二节分析结果，基于以下假设建立电机求解三维模型：
1）机壳和定子之间没有接触间隙；
2）电机槽内浸渍完全，不存在空气；
3）忽略机壳上散热筋对散热影响；
4）忽略槽内、定子齿部等小特征圆角和轴上键槽对散热影响。
电机三维有限元求解模型如图3-1所示，对电机轴承进行了简化处理。电机整机剖分截面图如图3-2所示，整机采用六棱柱体网格进行剖分，对气隙及槽内绝缘纸采用薄层剖分，对绕组和流体场进行局部加密处理，整机网格质量较好，且在不影响计算精度的基础上，尽量减少了网格数量。
3.2 边界条件
本次仿真是采用流-固耦合的方法进行，仿真边界条件主要包括损耗加载，流体场边界条件设置，材料属性设置，流-固耦合面及固-固接触面设置和绝热面设置。
1）仿真损耗以Total Source形式进行加载，热源在电机发热部件上均匀分布；
2）流体场设置质量流量入口和压力出口，入口流量为8L/min，冷却液入口温度为65℃；
3）材料属性设置中重点关注定转子铁芯材料热导率的各向异性；
4）流-固耦合面和固-固接触面均设置成能量方程传递面，无接触面均为绝热面。
3.3 计算结果分析
基于以上仿真设置，采用并联型水路结构电机温度场仿真结果如图3-3所示，电机最高温度出现在绕组端部，最高温度为159℃，电机转子最高温度为101℃，定子铁芯最高温度在定子齿部，最高温度为102℃。
3.4 实验验证
在电机绕组端部、定子铁芯及转子上安装温度传感器，绕组端部传感器直接绑扎在端部导线上，定子铁芯上传感器贴在靠近定子齿位置，转子上通过开槽，通过空心轴将传感器接线引出，但转子上温度传感器只能在电机停止转动后，读取温度值。
设置冷却水温为65℃，入水流量为8L/min，控制电机运行在前述仿真工况，待电机温度基本达到稳态时，测量电机各部件温度，整理如图3-4所示，对比于LPTN法，有限元法更为接近实际测量值，电机损耗误差与实验误差是造成此结果的主要因素。
4 结论
1）从流体流阻角度来看，文中给出的并联型水路流阻小于传统螺旋形水路，在冷却泵选型上面可以作为基本参考依据。
2）LPTN法计算电机温度场较为方便快捷，其计算精度可满足前期电机设计阶段需求；LPTN法基于的经验热参数较多，通过实验进行对比确认，对系列电机温度场计算帮助较大；LPTN法可以比较方便的对电机局部过热点进行分析，在电机加工制造过程有一定的指导意义。
3）三维有限元法计算精度较高，与实验数据较为吻合，其对求解模型和网格质量要求较高，可与LPTN法结合，指导电机设计。
参考文献:
[1]彭海涛, 何志伟, 余海阔. 电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J]. 微电机, 2010, (06): 78-81.
[2]于萍. 工程流体力学[M]. 北京：科学出版社，2008：84-85.
[3]Xyptras J.; Hatziathanassiou V. Thermal analysis of an electrical machine taking into account the iron losses and the deep-bar effect[C]. IEEE Trans. Energy. Convers. 1999, 14, 996-1003.
[4]Simpson N, Wrobel R, Mellor P H. Estimation of Equivalent Thermal Parameters of Impregnated Electrical Windings[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(6): 2505-2515.
[5]程树康, 李翠萍, 柴凤. 不同冷却结构的微型电动车用感应电机三维稳态温度场分析[J]. 中国电机工程学报, 2012, (30): 82-90.
论文作者:王健,王云鹏,李武
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/22
标签：电机论文; 水路论文; 绕组论文; 定子论文; 温度论文; 永磁论文; 模型论文; 《电力设备》2018年第14期论文;