王思遠(yuǎn)　于海生　湯天寶　孟思宇　夏令君

摘 要：隨著新能源汽車的發(fā)展，用戶對(duì)汽車加速性能的要求增加，車用電機(jī)的功率不斷增大。功率的增大帶來(lái)了電機(jī)發(fā)熱量的增加，增加的熱量會(huì)造成磁鋼溫度升高，引起不可逆的磁鋼退磁。電機(jī)的熱仿真分析可以計(jì)算出電機(jī)關(guān)鍵部件在不同工況下的溫度，作為電機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。文章用Star-CCM+軟件對(duì)一款新能源汽車用軸向磁通高密度電機(jī)做了熱仿真分析。

關(guān)鍵詞：CFD 新能源汽車 電機(jī) 熱仿真

1 引言

隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，汽車消費(fèi)者對(duì)汽車的加速性能要求越來(lái)越高。車用電機(jī)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，功率越來(lái)越高，發(fā)熱量也越來(lái)越大。而電機(jī)溫度過高會(huì)導(dǎo)致磁鋼產(chǎn)生不可逆的退磁，減少絕緣漆的壽命。為了防止電機(jī)出現(xiàn)過熱的問題，主流的電機(jī)設(shè)計(jì)企業(yè)將以電機(jī)熱仿真得到的溫度場(chǎng)結(jié)果作為電機(jī)熱設(shè)計(jì)依據(jù)，并在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)熱仿真的結(jié)果，進(jìn)行多輪次的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

電機(jī)按照磁通方向的不同可以分為軸向磁通電機(jī)和徑向磁通電機(jī)。其中，軸向磁通電機(jī)的磁通方向?yàn)殡姍C(jī)軸的軸向，目前都是永磁同步電機(jī)，有體積小、噪音低、功率密度高、散熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，順應(yīng)了未來(lái)電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

多應(yīng)用于電梯、商用車公交車、工程機(jī)械、增程器、軍工車輛及航空航天等。對(duì)于采用分布式驅(qū)動(dòng)的乘用車，軸向磁通電機(jī)也有非常廣闊的應(yīng)用前景。

文章研究了一種帶有單定子、雙轉(zhuǎn)子的高功率密度軸向磁通電機(jī)。用Siemens公司的Star-CCM+軟件對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行了熱流固耦合仿真分析，得到其多種工況下的溫度場(chǎng)，作為電機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

Star-CCM+軟件是一款應(yīng)用非常廣泛的CFD仿真軟件，以其出眾的用戶界面、網(wǎng)格生成、前后處理能力和優(yōu)秀的多物理場(chǎng)耦合、多相流、對(duì)流換熱等功能，使其在電機(jī)領(lǐng)域擁有大量的用戶。

2 CFD仿真

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics），簡(jiǎn)稱CFD，是用有限差分，有限體積，格子玻爾茲曼等計(jì)算方法，通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算求解流體問題，得到流體方程的解。計(jì)算流體力學(xué)與試驗(yàn)流體力學(xué)相結(jié)合，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的輔助手段，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)和驗(yàn)證。

文章的電機(jī)熱仿真使用Star-CCM+軟件，使用CFD方法?？刂品匠虨镹avier-Stokes方程。由連續(xù)方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程組成。

連續(xù)方程：

（1）

動(dòng)量守恒方程：

（2）

能量守恒方程：

（3）

式（1）、（2）、（3）中，t為時(shí)間，V為體積，a為面積向量，ρ為密度，v是速度，S為源項(xiàng)，p為壓力，T為粘性應(yīng)力張量，fb是體積力的合力，E為總能量，H為總焓，q為熱流密度。

3 仿真模型

文章采用Star-CCM+仿真軸向磁通電機(jī)溫度場(chǎng)。首先在設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行幾何處理。隨后在Star-CCM+中生成多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格，最后在Star-CCM+中進(jìn)行后處理。

文章所仿真的軸向磁通電機(jī)采用單個(gè)定子在中間、兩個(gè)轉(zhuǎn)子在定子兩側(cè)的設(shè)計(jì)方式。圖1為文章所仿真的軸向磁通電機(jī)的CFD仿真模型，其中圖1（a）為定子部分的仿真模型，定子部分由環(huán)形冷卻流道的冷卻液冷卻。圖1（b）為轉(zhuǎn)子部分的仿真模型，轉(zhuǎn)子采用空氣冷卻。

網(wǎng)格用Star-CCM+軟件的網(wǎng)格生成工具生成，采用多面體加棱柱形邊界層網(wǎng)格，所有區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)為1379萬(wàn)。冷卻液入口設(shè)置為為Massflow Inlet，冷卻液出口設(shè)置為Pressure Outlet。湍流模型采用k-w SST模型，轉(zhuǎn)子氣隙部分采用MRF模型來(lái)模擬氣體的旋轉(zhuǎn)加速度。在磁鋼、鐵芯和繞組中設(shè)置相應(yīng)的銅損和鐵損作為內(nèi)熱源。

冷卻液入口水溫設(shè)置為85℃，流量為8L/min。冷卻液進(jìn)入流道以后，繞著圓環(huán)狀的定子磁鋼一周，然后從出口流出，帶走熱量。電機(jī)初始溫度85℃。選擇了轉(zhuǎn)速分別為5000RPM和12000RPM的2種典型的持續(xù)運(yùn)行工況進(jìn)行仿真。

為了改善網(wǎng)格質(zhì)量，提升計(jì)算速度，對(duì)所仿真的電機(jī)幾何模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，去掉了不必要的倒角和小特征。圖2是簡(jiǎn)化后的部分模型。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 工況1? 154Nm@5000RPM

由圖3（a）的轉(zhuǎn)子磁鋼溫度場(chǎng)可以看出，轉(zhuǎn)子磁鋼的最高溫度92.0℃低于磁鋼材料的耐受溫度180℃。由圖3（b）的定子繞組溫度場(chǎng)可以看出，定子的繞組溫度為113.2℃，低于繞組的銅材料的許可溫度180℃。轉(zhuǎn)子磁鋼和定子繞組均能滿足電機(jī)持續(xù)工作的溫度要求。

定子的鐵芯和繞組由環(huán)形的冷卻液流道冷卻，冷卻液在從冷卻液入口處鐵芯到冷卻液出口處鐵芯的流動(dòng)過程中溫度逐漸升高，冷卻效果變差，定子鐵芯體的溫度也由冷卻液入口處到冷卻液出口處逐漸升高，最高溫度出現(xiàn)在冷卻液出口附近的鐵芯處。冷卻液進(jìn)出口溫升5.7℃。

轉(zhuǎn)子由高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻，轉(zhuǎn)子磁鋼表面的熱量由高相對(duì)速度的低溫空氣帶走。環(huán)形分布的多個(gè)磁鋼體的最高溫度較為接近，單個(gè)磁鋼的最高溫度區(qū)域在磁鋼幾何中心位置。

從圖4可以看出，定轉(zhuǎn)子中間的氣隙的旋轉(zhuǎn)采用Star-CCM+中的MRF模型模擬，氣隙處的流體由離心力的作用，從中間向四周流動(dòng)，速度也增加。在流動(dòng)過程中，氣隙中空氣的溫度從中間處的85℃增加到115℃。氣隙中的空氣的熱量來(lái)源主要有三部分，分別是轉(zhuǎn)子對(duì)流傳熱、定子對(duì)流傳熱和風(fēng)摩損耗。

4.2 工況2? 90Nm@12000RPM

由圖5可以看出，轉(zhuǎn)子磁鋼溫度156.0℃低于磁鋼材料的耐受溫度180℃，定子的繞組溫度為122.3℃，低于繞組的銅材料的許可溫度180℃，滿足電機(jī)持續(xù)工作的使用要求。

從圖6可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，風(fēng)摩損耗比case 1工況大大增加，氣隙外圓出口處的溫度從85℃增大到141.3℃。

5 結(jié)論

文章用Star-CCM+軟件對(duì)一種高功率密度軸向磁通電機(jī)做了熱仿真，證實(shí)了所用的電機(jī)溫度場(chǎng)CFD仿真方法的可行性，得到的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果可以為電機(jī)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

軸向磁通電機(jī)轉(zhuǎn)子的僅靠空氣冷卻，是設(shè)計(jì)中的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，在高轉(zhuǎn)速工況下，軸向磁通電機(jī)的氣隙風(fēng)摩損失較大，易造成電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼過熱，磁鋼如果過熱超過許可溫度，會(huì)造成磁鋼退磁。

由于定子外側(cè)包有環(huán)形冷卻流道，定子的冷卻效果要好于轉(zhuǎn)子，定子鐵芯的最高溫度在冷卻液出口附近，轉(zhuǎn)子的各個(gè)磁鋼的最高溫度較為接近。

參考文獻(xiàn)：

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