馬長軍，高 劍，劉 波，張文娟，蓋江濤

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基于ANSYS的永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)熱建模與仿真

馬長軍1，高 劍2，劉 波2，張文娟3，蓋江濤1

（1. 中國北方車輛研究所，北京100062；2. 湖南大學(xué)，湖南長沙410082；3. 長沙學(xué)院，湖南410002）

永磁同步電動(dòng)機(jī)以其高效、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)在車輛電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì)。高功率密度意味著電機(jī)具有高電磁負(fù)荷和高溫升的特性，加之車輛散熱條件惡劣，因此電機(jī)的熱分析與計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以某特種車輛驅(qū)動(dòng)用350 kW永磁電機(jī)為例，對(duì)該電機(jī)進(jìn)行熱建模與仿真分析，模擬出電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況，得出電機(jī)溫度分布云圖等，為電機(jī)的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

永磁同步電機(jī) 熱模型 仿真

0 引言

近年來電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)在車輛傳動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，要求具有效率高、調(diào)速范圍寬、過載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)以其高效、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)在車輛電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì)。為了達(dá)到車輛電傳動(dòng)功率密度的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁負(fù)荷往往設(shè)計(jì)的很高，而且電機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度較高、通風(fēng)散熱效果差、冷卻介質(zhì)溫度高，因此準(zhǔn)確的電機(jī)熱分析與計(jì)算是高功率密度電驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1-2]。傳統(tǒng)的基于等效熱阻的電機(jī)溫升計(jì)算方法雖然過程簡單、效率高，但難以滿足電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)高度耦合的永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫升準(zhǔn)確計(jì)算的要求。本文以350 kW永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)為對(duì)象，利用ANSYS軟件進(jìn)行電機(jī)損耗分析、三維熱建模與溫升的仿真，為高功率密度電機(jī)溫升分析與計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

1 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與損耗分析

1.1電磁設(shè)計(jì)

根據(jù)性能及尺寸要求，永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要性能和電磁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

1.2損耗分析與計(jì)算

1.2.1損耗計(jì)算原理

電機(jī)發(fā)熱的根本原因是電機(jī)的各種損耗，它們構(gòu)成了電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算的熱源，電機(jī)的損耗主要可以分為：鐵耗、銅耗、永磁體渦流損耗和機(jī)械損耗[3-4]。

表1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要性能指標(biāo)

1）鐵耗計(jì)算

經(jīng)典的鐵耗計(jì)算模型為意大利學(xué)者Bertotti提出的鐵耗分離模型，該損耗為正弦交變磁場(chǎng)下單位重量硅鋼片產(chǎn)生的損耗：

式中，p為磁滯損耗，p為經(jīng)典渦流損耗，p為異常渦流損耗，B為磁密幅值，為頻率，K為磁滯損耗系數(shù)，K為經(jīng)典渦流損耗系數(shù)，K為異常損耗系數(shù)，為1.2~1.5之間的常數(shù)。KK、K都與材料有關(guān)。由于目前損耗曲線是通過標(biāo)準(zhǔn)正弦磁密測(cè)試得到的，各損耗系數(shù)只適用于標(biāo)準(zhǔn)正弦磁化，而永磁電機(jī)磁密含有大量諧波，為了精確求解，將磁密進(jìn)行傅里葉分解，分別計(jì)算各次諧波的鐵耗，然后相加。單位重量的鐵心損耗采用以下計(jì)算公式：

式中，f、B分別為第次諧波磁密的頻率和幅值。

2）永磁體渦流損耗計(jì)算

永磁體的電導(dǎo)率較大，它不像定子、轉(zhuǎn)子鐵芯那樣由硅鋼片疊壓而成，表現(xiàn)為大塊導(dǎo)體，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，容易形成較大的渦流，產(chǎn)生渦流損耗，雖然在數(shù)值上其損耗較小，但是不能忽略，需要加以考慮。本文通過對(duì)定子電流諧波分析，提取出其高次諧波電流，利用有限元模型進(jìn)行轉(zhuǎn)子鐵心損耗和永磁體渦流損耗仿真得到其損耗值。

3）銅耗計(jì)算

對(duì)于相電機(jī)而言，基本銅耗可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算

由上式可知電機(jī)繞組阻值的獲得是準(zhǔn)確計(jì)算銅耗的關(guān)鍵。對(duì)于具有高電密的電機(jī)，電機(jī)工作過程中銅耗較大，繞組的溫升較快。溫度對(duì)繞組電阻值的影響可由下式表示：

集膚效應(yīng)對(duì)電機(jī)定子電阻的影響是在進(jìn)行銅耗計(jì)算時(shí)必須考慮的問題。電磁場(chǎng)在導(dǎo)電媒介中是按指數(shù)規(guī)律衰減的，通常定義電磁波進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)場(chǎng)量衰減到表面值的1/（即36.8%）時(shí)的深度為透入深度，或稱為集膚深度：

可以看出，集膚深度和頻率的平方根成反比。集膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效截面減小，不同諧波頻率下，導(dǎo)體阻抗不同，頻率越高，導(dǎo)體的阻抗越大?？紤]集膚效應(yīng)的繞組電阻計(jì)算公式為：

所以于永磁同步電機(jī)，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高及電流高次諧波含量較大時(shí)，集膚效應(yīng)的影響不容忽視，尤其對(duì)高功率密度電機(jī)，銅繞組內(nèi)流過的電流較大，較小的繞組阻值計(jì)算誤差都可能帶來較大的銅損耗計(jì)算偏差。因此對(duì)集膚效應(yīng)的正確考慮很大地影響了對(duì)銅損耗計(jì)算乃至溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確度。

4）機(jī)械損耗

機(jī)械損耗主要為軸承損耗和轉(zhuǎn)子風(fēng)摩擦損耗。這些損耗在大多數(shù)情況下，均難以準(zhǔn)確計(jì)算，一般工廠采用簡單的經(jīng)驗(yàn)公式或根據(jù)已造電機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定[5]。

1.2.2損耗分布

利用上述方法，對(duì)350 kW永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定點(diǎn)損耗進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表3。

表3 永磁電機(jī)損耗分布（單位：kW）

2 永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)幾何建模

2.1建模基本思路

ANSYS Fluent 是全球流行的商用有限元分析軟件，該軟件是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)以及熱傳導(dǎo)的計(jì)算機(jī)程序。本文首先用前處理軟件ICEM建立幾何模型及生成網(wǎng)格；再由 Fluent 進(jìn)行求解；求解之后進(jìn)行后處理，讀取出所需要的圖像，如溫度、速度、壓力、流體流動(dòng)軌跡等。建?；舅悸啡鐖D1所示。

圖1 熱建?；舅悸?/p>

2.2電機(jī)幾何建模

本文設(shè)計(jì)的350 kW永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要由電機(jī)本體和外水冷機(jī)座構(gòu)成，電機(jī)的機(jī)殼上分別開有與壓力泵連接的進(jìn)水口和出水口，定子鐵心的外圓與機(jī)殼之間形成用于冷卻定子鐵心的螺旋形通道，作為冷卻水的通道。根據(jù)電磁設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，電機(jī)本體主要部件和水冷機(jī)座建模如下：

1）電機(jī)定子鐵心和繞組模型，如圖2所示。

（a）定子鐵心

（b）定子繞組

2）電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心建模，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子幾何模型

3）水冷機(jī)座建模，如圖4所示。

（a）內(nèi)套模型

（b）外套模型

（c）水道模型

圖5 空氣域模型

4）空氣域建模，如圖5所示。在電機(jī)內(nèi)套和端蓋包圍的圓柱空間內(nèi)，除了定子和轉(zhuǎn)子外，還存在空氣?？諝獾臒釋?dǎo)率較低，在定轉(zhuǎn)子氣隙中溫度梯度特別大，直接影響轉(zhuǎn)子熱量向外的傳遞，故需要建立空氣域的幾何模型。

2.3模型網(wǎng)格劃分

本文采用有限體積法對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行剖分，即將實(shí)體空間離散化，形成一個(gè)個(gè)離散的網(wǎng)格。利用它們相互粘連的關(guān)系，可以對(duì)他們由點(diǎn)及線、由線及面、由面到體的方式迭代計(jì)算。這些點(diǎn)線面分別叫做節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格線、界面，在一個(gè)復(fù)雜形體中他們的數(shù)量極大。電機(jī)各模型網(wǎng)格大小設(shè)置如表4所示。

3 溫度場(chǎng)仿真與分析

3.1基本數(shù)據(jù)設(shè)置

為了方便有限元計(jì)算和 ANSYS 溫度場(chǎng)的分析，永磁同步電動(dòng)機(jī)求解域的有以下基本假設(shè)：

① 在穩(wěn)態(tài)中不考慮瞬態(tài)溫度影響；

② 忽略端部繞組的發(fā)熱產(chǎn)生傳導(dǎo)的影響，同時(shí)將整個(gè)整體機(jī)殼和氣隙作為散熱源；

③ 忽略軸部的熱量散失和槽內(nèi)氣隙的影響；

④ 由于軸向無風(fēng)冷系統(tǒng)，將氣隙溫度傳播方式處理為熱傳導(dǎo)。

電機(jī)各部件傳熱煤質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置見表5[6]。

表4 模型網(wǎng)格數(shù)

表5 材料導(dǎo)熱系數(shù)確定

根據(jù)1.2.2計(jì)算的損耗值，電機(jī)各種部件損耗的熱生成率如下表6所示（為了簡化，風(fēng)摩耗并入定子鐵耗、機(jī)械耗并入轉(zhuǎn)子鐵耗）：

表6 電機(jī)各部件熱生成率

根據(jù)技術(shù)要求，冷卻水流量為60 L/min，水道截面積約為285 mm2，由此計(jì)算的冷卻水流速約為3.5 m/s，入水口水溫設(shè)置為85℃。

3.2仿真結(jié)果及分析

1）定子鐵心溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6所示，定子鐵心最高溫度為156.3℃，最低溫度為92.26℃，扣除環(huán)境溫度85℃，定子鐵心溫升最高為71.3K。

2）定子繞組溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖7所示，定子繞組最高溫度為172.3℃，在繞組端部位置；最低溫度為136.7℃，扣除環(huán)境溫度85℃，定子繞組溫升最高為87.3K。

3）轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖8所示，轉(zhuǎn)子最高溫度為162.5℃，；最低溫度為149.3℃，扣除環(huán)境溫度85℃，轉(zhuǎn)子溫升最高為77.5K。

圖6 定子鐵心溫度分布

圖7 定子繞組溫度分布

圖8 定子繞組溫度分布

4）永磁體溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9所示，永磁體最高溫度為162.2℃，最低溫度為153.2℃，扣除環(huán)境溫度85℃，永磁體溫升最高為77.2K。

圖9 永磁體溫度分布

圖10 水道溫度分布

5）水道溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖10所示，水道入水口溫度為85℃，出水口溫度為90.3℃。

6）空氣域溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖11所示，空氣域最高溫度為172.3℃，最低溫度為90.2℃。

圖11 水道溫度分布

從上面的仿真結(jié)果可以看出，在環(huán)境溫度（冷卻水）為85℃的情況下，定子繞組的最高溫度為172.3℃，與C級(jí)絕緣的極限溫度220℃仍有近50℃的裕量；永磁體最高溫度為162.2℃，而釤鈷材料的工作溫度可達(dá)250℃，因此不存在不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

溫度分析與計(jì)算是高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，本項(xiàng)目以驅(qū)動(dòng)用350kW永磁同步電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，借助ANSYS軟件，對(duì)其損耗分析、熱建模及溫度場(chǎng)仿真進(jìn)行了研究，突破了變流器控制下永磁電機(jī)損耗分析、三維熱建模、邊界條件設(shè)置、溫度場(chǎng)仿真等關(guān)鍵技術(shù)，所得到的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)起到了重要的支撐作用，也為類似水冷電機(jī)的溫度場(chǎng)分析提供了途徑。

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Thermal Modeling and Simulation of Permanent Magnet Driving Motor Based on ANSYS

Ma Changjun1, Gao Jian2, Liu Bo2, Zhang Wenjuan3, Gai Jiangtao1

(1. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100062, China; 2. Hunan University, Changsha, 410082, Hunan, China; 3. Changsha University, Changsha 410002, Hunan, China )

TP311

A

1003-4862（2016）10-0009-05

2016-07-06

國家自然科學(xué)基金（No.51407065）

馬長軍(1982-)，男，副研究員。研究方向：永磁電力傳動(dòng)技術(shù)。