王維振　王迎波　陳國濤　姜建豐　賀曉

摘 要：永磁同步電機(jī)已成為商用車首選動力來源，其大功率、高效率、高功率密度的發(fā)展趨勢以及整車上狹小的安裝空間和惡劣的運(yùn)行環(huán)境，給電機(jī)散熱尤其是繞組端部散熱帶來了很大的挑戰(zhàn)。文章基于一款商用車用扁線電機(jī)，建立了熱仿真模型，研究了不同工況下繞組端部灌封對電機(jī)溫升特性的影響，試驗結(jié)果表明仿真模型精度較高，電機(jī)灌封對于降低穩(wěn)態(tài)工況溫升速率效果顯著，有助于延長電機(jī)穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行時間；可以快速將瞬態(tài)工況聚集的熱量傳遞出去，防止溫度快速攀升帶來的絕緣材料老化風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī) 灌封 溫升 穩(wěn)態(tài)工況 瞬態(tài)工況

1 前言

永磁同步電機(jī)作為商用車應(yīng)用最為廣泛的整車動力來源，不斷向著輕量化，小型化，集成化和高功率密度的方向發(fā)展，然而電機(jī)在整車上尤其是商用車上的運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，給電機(jī)的散熱和防護(hù)帶來了更高的要求[1-2]。過高的電機(jī)運(yùn)行溫度會導(dǎo)致永磁體退磁，絕緣材料老化失效等致命問題，對電機(jī)的性能以及可靠耐久性造成較大影響，甚至嚴(yán)重影響整車運(yùn)行安全[3-4]。

為了解決電機(jī)運(yùn)行過程中散熱問題，確保電機(jī)長時間高負(fù)載運(yùn)行，需要及時將電機(jī)產(chǎn)生的熱量傳遞出去。通常電機(jī)的冷卻方式可以根據(jù)冷卻介質(zhì)分為空氣冷卻和液體冷卻，液體冷卻又分為水冷和油冷兩類，電動汽車用永磁同步電機(jī)通常采用液體冷卻的方式[5]。電機(jī)殼體鑄有液體流道可以通過傳導(dǎo)的方式直接帶走與殼體直接接觸部分電機(jī)定子產(chǎn)生的熱量，電機(jī)繞組端部由于與殼體無直接接觸，散熱較為困難。為解決電機(jī)繞組端部散熱問題，通常采用端部噴油冷卻或者有機(jī)硅凝膠灌封方式，電機(jī)油冷技術(shù)需要增加噴油泵，相比水冷電機(jī)對殼體改動較大，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，對電機(jī)系統(tǒng)的可靠性也提出了更高的要求[6]。本文基于一款商用車用扁線電機(jī)，采用仿真與試驗結(jié)合的方式，研究了不同工況下電機(jī)各部件的溫升情況，并分析了電機(jī)灌封對電機(jī)溫升的影響。

2 電機(jī)仿真模型建立

本文選用的永磁同步電機(jī)其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體參數(shù)如表1所示。該電機(jī)是一款商用車用扁線電機(jī)，集成在整車驅(qū)動橋之上，冷卻方式為水冷，設(shè)計冷卻流量為16L/min，其峰值功率達(dá)到120kW，峰值扭矩360Nm。

電機(jī)外形與結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，細(xì)節(jié)特征較多，為減少計算量，提高網(wǎng)格劃分精度，需要對電機(jī)模型進(jìn)行簡化：刪除幾何模型中螺栓、固線夾、吊環(huán)、油封等對傳熱影響較小的零件；將發(fā)卡型繞組簡化為長方體；在保證精度無太大損失的基礎(chǔ)上，計算過程中將轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時與定轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)空氣的對流換熱過程簡化等效為施加在轉(zhuǎn)子表面的對流換熱邊界，同時忽略熱輻射以及空氣自然對流，認(rèn)為冷卻液等各類材料的物性參數(shù)不隨溫度和壓力變化[7]。簡化后的電機(jī)模型如圖2所示。

3 電機(jī)溫度場模型與熱源計算

電機(jī)溫升的計算方法通常采用等效熱路法和數(shù)值計算法，等效熱路法假設(shè)銅線和鐵芯是等溫體，計算結(jié)果也是平均溫升，因此等效電路法更適合電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫升的計算；數(shù)值計算法是基于能量守恒定律與傅里葉定律建立電機(jī)溫度場數(shù)學(xué)模型如式1所示，各部分熱量變化是與時間有關(guān)的微分形式，數(shù)值計算量較大，通常借用計算機(jī)的幫助，通過有限元法求解電機(jī)溫升[8-9]。

（1）

式中，λ為x，y，z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，各向同性；T為溫度；qv為單位時間單位體積介質(zhì)發(fā)熱量；cp為比熱容；ρ為密度。

電機(jī)溫度場模型中，電機(jī)各部分產(chǎn)熱量是溫升計算必要條件，電機(jī)熱源包括銅損，鐵損，永磁體渦流損耗和機(jī)械損耗。

繞組銅耗是因為電流流過繞組，銅導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的損耗，其計算公式見式2：

（2）

式中，Ia，/Ib，/Ic為三相電流；Ra，/Rb，/Rc為三相電阻；δ為扁線電機(jī)集膚效應(yīng)影響系數(shù)，該系數(shù)與導(dǎo)線電導(dǎo)率，磁導(dǎo)率以及電流頻率角速度相關(guān)。

電機(jī)鐵損可以分為定子鐵損和轉(zhuǎn)子鐵損，是變化的磁場在硅鋼材料上產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗，具體計算公式見式3[10]：

（3）

式中，kh/ke/kex分別為鐵芯磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)以及附加損耗系數(shù)；B為定子/轉(zhuǎn)子鐵芯磁密幅值；f為定子/轉(zhuǎn)子鐵芯實際磁通頻率。

永磁體渦流損耗是由于電機(jī)高頻電流諧波在永磁體內(nèi)部產(chǎn)生渦流引起的損耗，渦流損耗計算公式見式4。渦流損耗與氣隙磁密的變化率有直接關(guān)系，雖然渦流損耗在電機(jī)總損耗中占比不大，但高轉(zhuǎn)速時電機(jī)渦流損耗不可忽視。

（4）

式中，ρ為分別為鐵芯磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)以及附加損耗系數(shù)；B為定子/轉(zhuǎn)子鐵芯磁密幅值；S為渦流回路面積。

機(jī)械損耗主要包括風(fēng)摩擦損耗和軸承摩擦損耗，轉(zhuǎn)速越高，機(jī)械損耗大，計算公式見式5[11]：

（5）

式中，Cr-轉(zhuǎn)子表面粗糙度；Cf為空氣摩擦系數(shù)；ρ為空氣密度；ω為轉(zhuǎn)子角速度；r-轉(zhuǎn)子半徑；l為氣隙軸向長度。

對不同工況下各熱源產(chǎn)熱量進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表2所示，忽略低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子鐵耗以及永磁體的渦流損耗。

4 不同工況下溫升仿真結(jié)果

4.1 工況1溫升情況

圖3為不灌封電機(jī)在工況1條件下持續(xù)1h得到的溫度分布云圖，從圖3和表3可以看出，該持續(xù)工況下最高溫度161.34℃出現(xiàn)在繞組端部中間位置，繞組最低溫度為81.59℃，溫度分布差異較大。繞組中部導(dǎo)線相對電流密度較低且殼體水套帶走了大部分熱量；繞組端部導(dǎo)線密度大，電流產(chǎn)熱較多，同時該工況轉(zhuǎn)速較低，空氣對流散熱差；從仿真結(jié)果看，定子溫度分布與繞組類似，永磁體溫度最低。該工況下，繞組絕緣皮老化失效的風(fēng)險增加，永磁體退磁風(fēng)險相對較小。

圖4和表4是灌封電機(jī)在工況1條件下運(yùn)轉(zhuǎn)1h的仿真結(jié)果，電機(jī)灌封后，該工況下最高溫度仍然出現(xiàn)在繞組端部，最高溫度為121℃，相比不灌封電機(jī)溫度降低40℃，灌封膠填充了導(dǎo)線之間的空隙，大大減小了熱阻，增強(qiáng)了傳導(dǎo)散熱的能力。

在入水溫度為65℃，水流量16L/min的情況下，對兩款電機(jī)溫升情況進(jìn)行了對比測試，從表5測試結(jié)果看，不灌封電機(jī)在65min內(nèi)從63.9℃上升至161.1℃，溫升97.2℃，最終達(dá)到熱平衡；灌封電機(jī)在62min內(nèi)從67℃上升至118℃，溫升51℃，達(dá)到熱平衡。測試結(jié)果與仿真結(jié)果誤差在3%以內(nèi)，仿真精度較高，通過試驗驗證了灌封效果的有效性。

4.2 工況2溫升情況

工況2為瞬時工況，仿真運(yùn)行60s后的溫升結(jié)果如圖5和表6所示，繞組最高溫度為145℃，最高溫度出現(xiàn)位置與工況1相同，但平均溫度相比工況1更高。從定子溫度分布云圖看，定子溫度最高131℃，平均溫度較高，溫度梯度明顯。工況2轉(zhuǎn)速低，電流大，短時發(fā)熱無法及時傳遞導(dǎo)致熱量在繞組端部和定子內(nèi)圈聚集，致使溫度偏高。

從圖6和表7灌封電機(jī)的溫度分布云圖上看，繞組、定子最高溫度與不灌封電機(jī)差異不大，表8試驗結(jié)果也證實了這一點，但從實際試驗結(jié)果看，試驗停止后不灌封電機(jī)溫度繼續(xù)上升了30.2℃，觸發(fā)了電機(jī)的溫度保護(hù)，而灌封電機(jī)溫度僅上升了7.8℃。實際應(yīng)用過程中，一旦溫度短時上升過高引起電機(jī)降額或停機(jī)，灌封電機(jī)可快速將短時積累的熱量傳遞出去，防止溫度進(jìn)一步上升引起電機(jī)不可逆的損壞，提高電機(jī)可靠性。

4.3 工況3電機(jī)溫升情況

工況3為最高轉(zhuǎn)速下峰值扭矩工況，與工況2同為瞬時工況，圖 7與表9為不灌封電機(jī)運(yùn)行10s的溫度分布情況，從仿真結(jié)果看，不灌封電機(jī)溫度分布趨勢與工況2相同，但最高溫度相對較低，這是因為高轉(zhuǎn)速電機(jī)受到電壓限制，輸出峰值扭矩所需電流較小，因此發(fā)熱量較工況偏低。由于轉(zhuǎn)速增加，磁場變化率增大，導(dǎo)致永磁體渦流損耗增加，因此工況3相比工況2永磁體溫度升高。

從圖8和表10灌封電機(jī)的溫升情況來看，繞組溫度相比不灌封電機(jī)下降較多，為120℃，但定子溫度變化不大。同工況2，電機(jī)實際試驗過程中，從表11可以看出，不灌封電機(jī)溫度在停止試驗后會繼續(xù)攀升25℃左右，由于工況3發(fā)熱量相對較小，攀升幅度也小于工況2。

5 結(jié)論

本文基于一款商用車用扁線電機(jī)建立了仿真模型，分別試制了一款不灌封電機(jī)和灌封電機(jī)，采用仿真與試驗的方法，研究了不同工況下兩款電機(jī)的溫升情況，得出以下結(jié)論：

通過刪除對傳熱影響較小的零部件等簡化三維模型的方式，得到的熱仿真模型精度較高，通過試驗對比，仿真精度在3%左右；同時可以證實由理論計算得到的熱損耗較為精確。

對比不灌封和灌封電機(jī)在三種工況下的溫升情況可以發(fā)現(xiàn)，通過對電機(jī)繞組端部進(jìn)行灌封可以有效減緩穩(wěn)態(tài)工況的溫升速率，由于瞬態(tài)工況短時間內(nèi)熱量迅速聚集，散熱速度較慢，因此電機(jī)灌封對電機(jī)瞬態(tài)工況溫升速率影響不大。

瞬態(tài)工況試驗過程中，停止試驗后，不灌封電機(jī)溫度會繼續(xù)迅速攀升，而灌封電機(jī)的溫升速度大大減緩，電機(jī)灌封有效降低了電機(jī)因溫度過高而停機(jī)后，溫度繼續(xù)升高導(dǎo)致的絕緣材料加速老化失效的風(fēng)險，有助于提高電機(jī)的可靠性。

商用車因載荷大，道路復(fù)雜，電機(jī)處于瞬態(tài)峰值扭矩工況的時間相對較長，因此電機(jī)灌封帶來的性價比相對更高，有益于提高整車可靠性和安全性，因而電機(jī)灌封技術(shù)更適合在商用車用永磁同步電機(jī)上推廣。

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