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。功率的增大帶來了電機(jī)發(fā)熱量的增加，增加的熱量會造成磁鋼溫度升高，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)者對汽車的加速性能要求越來越高。車用電機(jī)的結(jié)構(gòu)越來越緊湊，功率越來越高，發(fā)熱量也越來越大。而電機(jī)溫度過高會導(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)了未來電動汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢。

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。對于采用分布式驅(qū)動的乘用車，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，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)秀的多物理場耦合、多相流、對流換熱等功能，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，動量守恒方程，能量守恒方程組成。

連續(xù)方程：

（1）

動量守恒方程：

（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。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。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，對所仿真的電機(jī)幾何模型進(jìn)行了必要的簡化，去掉了不必要的倒角和小特征。圖2是簡化后的部分模型。

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)迫對流冷卻，轉(zhuǎn)子磁鋼表面的熱量由高相對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，速度也增加。在流動過程中，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源主要有三部分，分別是轉(zhuǎn)子對流傳熱、定子對流傳熱和風(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CFD仿真方法的可行性，得到的溫度場仿真結(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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