王淑旺，劉馬林，朱標龍，王戰(zhàn)春，江 曼

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

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P2混合動力汽車用永磁同步電機溫度場分析

王淑旺1，劉馬林1，朱標龍1，王戰(zhàn)春2，江 曼1

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

P2混合動力汽車用永磁同步電機工作環(huán)境惡劣，散熱環(huán)境不佳，發(fā)熱嚴重，對其溫度場研究具有重要的意義?；陔姶艌隼碚?，計算了電機溫升來源，建立了綜合考慮傳熱和換熱的電機求解域模型，利用Fluent軟件求解電機在對應條件下的溫度場。為了驗證電機溫度場求解的準確性，通過流體及熱實驗平臺進行了實驗研究，通過對仿真結果和實驗結果進行比較分析，驗證了仿真的準確性。

混合動力汽車；永磁同步電機；溫度場；實驗

0 引 言

混合動力汽車集中了傳統(tǒng)汽車和純電動汽車的優(yōu)點，降低了傳統(tǒng)汽車燃油經(jīng)濟性不足的問題，同時解決了純電動汽車續(xù)航量不足的問題。在P2混合動力汽車中，P2方案是在發(fā)動機和變速箱之間增加電驅動系統(tǒng)，電驅動系統(tǒng)作為混合動力汽車中的重要部件，能夠在汽車加速起動過程中獨立工作，彌補內(nèi)燃機扭矩不足的缺點，降低油耗；同時可以通過對汽車制動能量回收實現(xiàn)節(jié)能。電驅動系統(tǒng)主要包括電機和控制器，電機因P2方案空間布置緊張，其體積較小，散熱不佳，且發(fā)動機工作產(chǎn)生的高溫亦會對其產(chǎn)生影響，導致電機在工作過程中溫度較高，因此需要對其溫度場進行研究。

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

1 電機熱性能參數(shù)的確定

1.1 電機的基本數(shù)據(jù)

本文以一臺10 kW的混合動力汽車用永磁同步電機為研究對象，對其溫度場進行數(shù)值求解。其中電機的基本參數(shù)：額定功率10 kW，額定轉速1 250 r/min，定子外徑275 mm，定子槽數(shù)24，氣隙長度0.9 mm，轉子外徑206 mm，轉子級數(shù)8對極，線圈形式為集中式繞組。

電機結構較為復雜，體積相對較小，散熱環(huán)境較差，其主要的熱交換方式如圖1所示，包括電機內(nèi)部的傳熱，電機殼體、定轉子端面和轉子支架的對流換熱等組成。

圖1 電機內(nèi)熱交換

1.2 熱源的計算

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

圖2 磁密分布

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

表1 額定工況下電機內(nèi)各部分損耗值

1.3 溫度場求解域模型

為了能夠有效地求解電機的溫度場，需對電機模型進行簡化，簡化過程中假定以下條件：

(1)電機沿周向均勻分布，這里取電機的1/4模塊為研究對象；

(2)去掉電機上倒角、凸臺、孔等細小特征；

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

(4)轉子結構分為2段，通過3.5°斜極組成，因此轉子內(nèi)結構和永磁體結構細小特征較多。這里將永磁體結構按體積不變的原則，由直線型等效成圓弧型。

經(jīng)過簡化后，得到電機求解域模型如圖3所示。

圖3 電機的求解域模型

1.4 三維傳熱方程與控制方程

基于傳熱學基本理論可知，在求解電機溫度場過程中，電機的三維穩(wěn)態(tài)溫度場滿足的導熱方程和邊界條件[2]可表示：

式中:λx,λy,λz為電機內(nèi)各介質x,y,z方向的導熱系數(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流換熱系數(shù)。

電機冷卻主要通過冷卻液的循環(huán)流動帶走電機內(nèi)部的大部分熱量。當冷卻液為不可壓縮流體且流動穩(wěn)定時，滿足的三維控制方程[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為擴展系數(shù)；S為源項。

1.5 傳熱系數(shù)及換熱系數(shù)的等效和計算

在電機溫度場求解過程中，為了保證求解結果的準確，需對電機內(nèi)傳熱系數(shù)和換熱系數(shù)進行合理等效和計算：

(1)電機內(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)電機內(nèi)各零部件的端面散熱系數(shù)的計算參考文獻[5]進行處理；

(3)電機溫度場仿真過程中，若以轉子連續(xù)轉動進行仿真，仿真難度將大大增加。這里，假定轉子是靜止的，定轉子之間的氣隙相對運動，氣隙等效導熱系數(shù)的計算參考文獻[6]進行處理。

2 電機溫度場的計算

2.1 邊界條件的確定

基于電機的求解域模型和工作條件，設定電機溫度場仿真過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)仿真過程中，電機內(nèi)流體與固體的接觸面均設為無滑移邊界；

(4)仿真過程中，電機瞬態(tài)溫升的最大時長為30min，且仿真過程中假定電機一直工作在額定工況，不考慮電機快速提升至額定功率的過程。

2.2 電機溫度場求解分析

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

圖4 額定工況下電機穩(wěn)態(tài)溫度場

繞組和永磁體的溫升變化是電機工作過程中的重要參考指標，電機溫度場的仿真計算可以為電機在實際工作過程中提供參考，進而防止繞組溫升過高導致的繞組絕緣損壞和永磁體溫升過高導致永磁體的不可逆退磁。本文在研究電機溫度場的過程中，預先設定電機的工作仿真時間為30min。圖5即為電機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，電機工作到30min內(nèi)，電機內(nèi)繞組和永磁體的溫升曲線斜率由快變慢。最終繞組溫度達到148.93°C，永磁體溫度達到86.12°C。

圖5 30 min內(nèi)繞組和永磁體溫升曲線

圖6為電機工作到30min時的溫度場。電機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，轉子最高溫度為86.84°C，永磁體最高溫度為86.68°C，定轉子和永磁體溫度相對較低。圖7為電機工作到30min

圖6 30 min時電機溫度場

時的截面溫度分布，從圖7中可以看出，電機徑向溫度梯度分布。

圖7 30 min時電機截面溫度分布

通過對電機工作在30min內(nèi)的溫度場計算得出，仿真過程中電機的最高溫度為148.93°C，溫升為78.93°C。仿真結果顯示，電機在30min時間內(nèi)工作是安全可靠的。

3 實驗驗證

為了驗證電機溫度場仿真求解的準確性，需對實體電機進行溫升實驗。流體與熱實驗平臺如圖8所示，圖8(a)即為實驗電機和驅動部分，能夠為電機的運行提供條件，圖8(b)為恒溫箱部分，恒溫箱能夠為電機提供冷卻液的準確輸入。本文所述電機銅耗值較大，繞組處產(chǎn)生的溫升較高，且繞組處的溫度方便測出，因此實驗過程中將溫度傳感器埋設在繞組端部，以監(jiān)測電機工作過程中繞組端部溫升的變化。

(a)電機及驅動部分(b)恒溫箱

圖8 流體與熱實驗平臺

在對實驗設備進行檢測和調試過后，便可對實驗電機進行溫升試驗。實驗過程中，預先設定實驗時間為30 min，以保證混合動力汽車用電機的實際工作條件。當電機工作到30 min時，停止對電機的輸入，便可得到電機繞組的溫升曲線。圖9為電機繞組端部溫升仿真值和實驗值的對比。電機在工作到30 min時，仿真結果溫度值為148.93°C，實驗結果溫度值為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)，因此仿真結果準確可靠。

圖9 繞組端部溫度仿真值和實驗值得比較

4 結 論

本文通過對一臺額定功率為10kW的P2混合動力汽車用永磁同步電機溫度場的研究，得出以下結論：

(1)通過對電機溫度場的仿真結果和實驗結果的對比，驗證了求解模型、熱源計算和相應等效參數(shù)的準確性；

(2)電機在工作到30 min時，繞組溫度作為電機內(nèi)溫升最高部分，其仿真值結果為149.93°C，實驗值為143.5°C，溫度誤差為3.8%，驗證了仿真的準確性，可以為本文中電機設計提供重要的指導意義；

(3)本文通過對混合動力汽車用電機溫度場的研究，可以為其類似電機的溫度場研究提供一定的參考價值。

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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

安徽省科技攻關重大項目(1501021004)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)04-0033-04

王淑旺(1978-)，男，博士，教授，碩士生導師，研究方向為新能源汽車技術。