劉金輝，李丹妮，蔡 巍

(海軍潛艇學(xué)院，青島 266199)

0 引 言

與普通工業(yè)電機(jī)相比，電動汽車用驅(qū)動電機(jī)功率密度不斷增加并且體積越來越小，其電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷也在不斷提高[1-3]，而過高的熱負(fù)荷以及電機(jī)安裝位置的狹小、冷卻環(huán)境差等原因常常會造成電機(jī)工作時內(nèi)部溫升過高、電機(jī)燒損等問題。因此，溫度場分布的準(zhǔn)確計算可以大大提高車用永磁驅(qū)動電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。

電機(jī)溫升計算方法主要分為3種：公式法、熱阻網(wǎng)絡(luò)法與有限元法。其中簡化公式法只能初步估算出整體鐵心或整個繞組的溫升值[4]。等效熱網(wǎng)絡(luò)法是將電機(jī)內(nèi)部損耗源等效為熱源，將電機(jī)的各個部件等效為等值熱阻和熱容，把電機(jī)溫度場等效為一個集總熱路網(wǎng)絡(luò)，并利用電路求解理論方法得出熱路網(wǎng)絡(luò)中各個熱阻的溫升值。同濟(jì)大學(xué)的何磊等[5]首先選取了電機(jī)的幾個關(guān)鍵部件作為節(jié)點，建立了一臺水冷永磁驅(qū)動電機(jī)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，然后通過程序計算了電機(jī)在額定運(yùn)行工況下的瞬態(tài)溫升。王曉遠(yuǎn)[6,7]也利用熱阻網(wǎng)絡(luò)法，建立一臺輪轂電機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，計算了電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的溫升分布，并通過有限元法和實驗結(jié)果驗證了熱阻網(wǎng)絡(luò)法的有效性和可行性。

有限元法是目前求解電磁場、溫度場與流體場問題最為常用的方法。其原理是將需要求解的區(qū)域離散為若干個單元，并利用偏微分方程對所有單元進(jìn)行求解。有限元法的優(yōu)勢在于可根據(jù)需求任意劃分網(wǎng)格，應(yīng)用性較強(qiáng)，準(zhǔn)確度較高，并能夠得出電機(jī)內(nèi)部的溫度分布，但大量的網(wǎng)格節(jié)點往往增加了有限元法的計算量，其計算時間同時增加。國內(nèi)劉蕾等[8-10]采用有限元法，以一臺額定功率25 kW車用永磁驅(qū)動電機(jī)為例，建立其三維有限元模型,通過仿真分析計算了電機(jī)額定工況下的溫度場及溫升變化，并對連續(xù)變功率工況下的電機(jī)內(nèi)關(guān)鍵部分溫升進(jìn)行仿真分析。

針對車用內(nèi)置式永磁驅(qū)動電機(jī)工作環(huán)境差、電機(jī)功率密度高而引起易燒損、磁鋼退磁等問題，本文對一臺50 kW車用內(nèi)置式永磁驅(qū)動電機(jī)在不同工況下的溫升進(jìn)行分析計算。首先，分析電機(jī)在不同工況下的損耗值和鐵耗分布；其次，建立了電機(jī)3-D有限元流固耦合仿真模型，分別計算了電機(jī)在額定穩(wěn)態(tài)、峰值瞬態(tài)和高速運(yùn)行時的溫升大小和分布；最后，制造了樣機(jī)，實驗測試了樣機(jī)在額定工況和高速工況下的繞組溫升，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了有限元計算的準(zhǔn)確性。

1 車用永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)與損耗分布

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

目前車用電機(jī)主要采用V型內(nèi)置式永磁體結(jié)構(gòu)，來提高電機(jī)的功率密度和扭矩密度以及減小電機(jī)體積，且其過載能力、調(diào)速性能都遠(yuǎn)高于異步電機(jī)和磁阻電機(jī)。過大的功率密度和較小的散熱面積常常會使電機(jī)溫升過高，電機(jī)易發(fā)生繞組損耗、磁鋼退磁等問題。如圖1所示，內(nèi)置式永磁電機(jī)主要包括定子鐵心、定子繞組、永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心。其中，定轉(zhuǎn)子又分為齒部和軛部2部分。

圖1 車用永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

本文以一臺額定功率為50 kW永磁電機(jī)為例，分析計算電機(jī)的溫升情況，電機(jī)的主要尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要尺寸參數(shù)

1.2 電機(jī)損耗

為了準(zhǔn)確計算電機(jī)的溫度場，首先需要準(zhǔn)確計算電機(jī)內(nèi)部的損耗值。永磁電機(jī)的發(fā)熱源主要為各個零部件的損耗，其損耗主要包括電樞繞組銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵心損耗、機(jī)械損耗和附加損耗4部分。

其中對于多相繞組電機(jī)，電樞繞組銅耗是指各相繞組的電阻銅耗之和，其值和繞組電阻值、電流平方值呈線性關(guān)系。圖2給出了本文電機(jī)銅耗分布Map圖。由圖2可看出，不同于工業(yè)用電機(jī)，由于車用電機(jī)工況較為復(fù)雜，定子繞組電流變化較大，使電機(jī)在不同工況下銅耗差異也較大，因此在計算電機(jī)溫升時，需要根據(jù)實際工況來加載銅耗值。

圖2 車用永磁電機(jī)銅耗分布Map圖

鐵心損耗主要包括3部分：渦流損耗、磁滯損耗和附加損耗。其中渦流損耗為定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁場發(fā)生變化所感應(yīng)電流引起的損耗。磁滯損耗指鐵磁物質(zhì)由交變磁場引起磁滯之間相互碰撞所產(chǎn)生的損耗。由Bertotti鐵耗理論可知：

pFe=ph+pc+pe=khB2f+kcB2f2+keB1.5f1.5

(1)

式中:pFe為定轉(zhuǎn)子鐵心損耗;ph為鐵心內(nèi)磁疇相互摩擦引起的磁滯損耗;pc為鐵心感應(yīng)電動勢引起環(huán)流而產(chǎn)生的渦流損耗;pe為鐵心雜散損耗;B為磁場密度;f為磁場變化頻率;即定子繞組電流頻率；kh為磁滯損耗系數(shù)；kc為渦流損耗系數(shù);ke為附加損耗系數(shù)。

由式(1)可知，鐵心損耗主要受電機(jī)定子繞組電流頻率和磁場強(qiáng)度的影響，而永磁驅(qū)動電機(jī)的定子繞組頻率又和電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其鐵耗越大；磁場強(qiáng)度主要受定子繞組電流值影響，電流越大，鐵心越飽和，電機(jī)鐵耗越大。圖3給出了電機(jī)鐵耗分布Map圖。由圖3可看出，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的提高，電機(jī)鐵耗逐漸增加。

圖3 車用永磁電機(jī)鐵耗分布Map圖

與銅耗均勻分布在繞組不同，由于電機(jī)鐵心中磁密分布并不均勻。因此，電機(jī)鐵心中各個部分的鐵耗分布并不相同，圖4給出了利用有限元法所計算的電機(jī)在額定工況下鐵耗分布。由圖4可看出，由于定子齒部較窄，磁密較為飽和，定子鐵耗主要集中在齒部，轉(zhuǎn)子鐵耗主要集中在其表面。因此，在電機(jī)溫升時需要對定子齒軛部、轉(zhuǎn)子齒軛部進(jìn)行區(qū)分。

圖4 電機(jī)在額定工況下的鐵耗分布

2 有限元法計算電機(jī)溫升

本文對電機(jī)損耗大小與分布進(jìn)行了分析，可知車用驅(qū)動電機(jī)在不同工況下時損耗均不相同。因此，在計算車用驅(qū)動電機(jī)溫升時，需要對各個工況分別進(jìn)行計算。因此，本節(jié)將對車用驅(qū)動電機(jī)在額定穩(wěn)態(tài)工況、峰值瞬態(tài)工況和高速運(yùn)行工況下的溫升進(jìn)行計算。圖5給出了電機(jī)的有限元及其剖分模型。表2給出了電機(jī)在不同工況下的各部件損耗值和運(yùn)行時間。

圖5 車用永磁電機(jī)3-D有限元及剖分模型

電機(jī)參數(shù)及損耗額定工況峰值工況高速轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)3 0002 40010 000轉(zhuǎn)矩Te/(N·m)16040048功率P/kW50.2100.550.2定子電流is/A16040091.2熱負(fù)荷Q/(A·cm-1·mm-2)5 73735 8561 864銅耗pCu/W1 2487 800405定子齒部鐵耗psc/W6385463 379定子軛部鐵耗pse/W484444346轉(zhuǎn)子齒部損耗pre/W12488.8278機(jī)械損耗pme/W100641 111總損耗∑p/W2 5948 9435 519運(yùn)行時間t/s7 20060 3 600

2.1 電機(jī)在額定穩(wěn)態(tài)工況下的溫升

電機(jī)額定工況對應(yīng)電動汽車長時間均速運(yùn)行狀態(tài)。因此，需要計算在此工況下的穩(wěn)態(tài)溫升進(jìn)行計算。圖6給出了電機(jī)在額定工況下工作2 h的溫升曲線。由圖6可知，當(dāng)電機(jī)長時間運(yùn)行在額定工況并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，由于繞組銅耗大、發(fā)熱量嚴(yán)重。因此，繞組溫升最高。而由于水冷電機(jī)主要依靠水道散熱，隨著與機(jī)殼水道距離的減小，定子齒部、定子軛部、機(jī)殼溫升逐漸減小。圖7給出了電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的定轉(zhuǎn)子溫升分布。由圖7發(fā)現(xiàn)，定子中繞組中心溫升最高，轉(zhuǎn)子中其軸向中心表面溫升最高。

圖6 電機(jī)在額定工況下溫升曲線

(a)定子溫升

(b)轉(zhuǎn)子溫升

2.2 電機(jī)在峰值瞬態(tài)工況下的溫升

電機(jī)峰值工況對應(yīng)電動汽車短時爬坡、加速等工況，此時電機(jī)扭矩和電流較大。因此，電機(jī)銅耗較高。圖8給出了電機(jī)在峰值工況下工作1 min時的溫度變化曲線。由圖8可知，此時繞組溫升較高，磁鋼、轉(zhuǎn)子表面溫升較低，這主要是由于此時電機(jī)損耗主要為電樞繞組銅耗，因此電樞繞組在短時間內(nèi)溫升較快，從而將熱量傳遞給與之相鄰的定子鐵心，使之溫度也逐漸升高；轉(zhuǎn)子鐵耗、磁鋼渦流損耗等均較小且時間較短，因此其溫度并沒有明顯變化。

圖8 電機(jī)在峰值工況下工作1 h后穩(wěn)態(tài)溫升曲線

2.3 電機(jī)在高速運(yùn)行工況下的溫升

由前文和表2可知，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速工況時，電機(jī)鐵耗急速增加，此時電機(jī)損耗主要為定轉(zhuǎn)子鐵耗。圖9和圖10分別給出了電機(jī)在高速工況下工作1 h的溫升曲線和溫升分布。由圖9可知，當(dāng)電機(jī)長時間運(yùn)行在高速工況時，由于定轉(zhuǎn)子鐵耗大、銅耗較小，且盡管轉(zhuǎn)子鐵耗相對定子鐵耗較小，但轉(zhuǎn)子主要依靠于與機(jī)殼內(nèi)部的空氣對流散熱，散熱較慢，因此此時轉(zhuǎn)子表面和磁鋼溫度溫升最高。定子結(jié)構(gòu)中繞組散熱條件較差以及定子齒部鐵耗最大，因此定子繞組和定子齒軛部溫升也較高，隨著與機(jī)殼水道距離的減小，定子齒部、定子軛部、機(jī)殼溫升逐漸減小。運(yùn)行1 h后磁鋼溫度為136 ℃，此時有退磁風(fēng)險，因此需要實時觀察電機(jī)在高速運(yùn)行時的磁鋼溫度。

圖9 電機(jī)在高速工況下工作1 h的溫升曲線

(a)定子溫升

(b)轉(zhuǎn)子溫升

3 樣機(jī)制作與實驗分析

為了驗證有限元仿真的準(zhǔn)確性以及研究車用永磁電機(jī)的溫升特性，按照前述設(shè)計制造了樣機(jī)并在不同工況下對電機(jī)進(jìn)行溫升實驗，圖11為樣機(jī)實物圖，其中電機(jī)采用水冷冷卻方式，水速為10 L/min，冷卻液、環(huán)境溫度和電機(jī)初始溫度均為20 ℃，電機(jī)測溫元件為Pt100，主要監(jiān)測電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子磁鋼溫度。

圖11 樣機(jī)和實驗平臺

圖12給出了電機(jī)在額定工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行2 h時，其定子繞組和磁鋼的實測與仿真對比曲線。由圖12可知，在額定工況穩(wěn)態(tài)溫升測試中，利用有限元法所計算的溫升值與溫升趨勢基本與實測一致，誤差在5%以內(nèi)，驗證了有限元法計算電機(jī)溫升的準(zhǔn)確性。實測溫度比仿真溫度略低，這是由于利用有限元法計算的電機(jī)損耗與實際損耗之間也有一定的誤差。

圖12 電機(jī)在額定工況下的實測與仿真溫升對比

4 結(jié) 語

本文以一臺50 kW車用永磁電機(jī)作為研究對象，介紹了內(nèi)置式永磁電機(jī)在不同工況下的損耗分布和大小，并通過有限元仿真模型對電機(jī)在不同工況下的溫升進(jìn)行仿真計算，并分析了電機(jī)溫升分布情況。通過樣機(jī)實驗，驗證了有限元法計算電機(jī)溫升的準(zhǔn)確性。本文得到了以下結(jié)論：

1) 與傳統(tǒng)工業(yè)用電機(jī)不同，由于車用驅(qū)動電機(jī)工況的復(fù)雜性，電機(jī)銅耗、鐵耗變化較大，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高時，電機(jī)鐵耗增加；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩提高時，電機(jī)銅耗和鐵耗均增加，且鐵耗主要集中于定子齒部。

2) 當(dāng)電機(jī)長時間運(yùn)行在額定穩(wěn)態(tài)時，電機(jī)繞組溫升最高；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行短時運(yùn)行在峰值瞬態(tài)時，由于電機(jī)銅耗較大，轉(zhuǎn)子鐵耗、磁鋼渦流損耗等均較小且時間較短，則此時繞組溫升最高，磁鋼、轉(zhuǎn)子表面溫度沒有明顯變化。

3) 當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速工況時，由于定轉(zhuǎn)子鐵耗大、銅耗較小，轉(zhuǎn)子散熱效果較差，則此時轉(zhuǎn)子表面和磁鋼溫度溫升最高，即當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速工況時磁鋼退磁風(fēng)險較大。

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