1、迫札与控制应用2014，41(1) 新能源汽车技术E辩A电动车用水套冷却永磁电机损耗及温度胡 萌1， 李海奇1， 李旭光1， 李本强2， 刘长红1(1上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)摘要：作为新能源汽车的核心动力部件，驱动电机的性能和可靠性直接决定整车的品质。基于数学模型，对车用水套冷却永磁电机的损耗和发热问题展开深入研究。分别构建了电机铁耗转子涡流损耗电磁场、冷却水套三维流、热耦合场及电机本体三维温度场数值计算模型，提出了等效的多场耦合处理方法。样机试验验证了模型及方法的可行性，为高功率密度永磁电机的设计和热性能分析提供
2、了技术手段。关键词：永磁电机；水套冷却；涡流损耗；温度场；多场耦合中图分类号：TM 351 文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2014)01-0027-06Losses and Temperature of Permanent Magnet Motor、订thWater-Cooling Jacket for Electric VehicleHU Men91，13 Haiqil，LI Xuguan91，LI Benqian92，U Changhon91(1School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shang
3、hai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2School of Mechanical Engineering，XianJiaotong University，Xian 7 10049，China)Abstract：As a key part of new energy automobile，the performance and the reliability of driving motor determinethe quality of vehicle directlyThe losses and heat transfer of perm
4、anent magnet motor with water-cooling jacket usedin electric vehicle(EV)were discussedNumerical models，including motor iron loss and rotor eddycurrent electromagnetic field，three dimensional(3-D)flow-heat coupled fields for watercooling jacket，and 3-D temperature fieldinside the motor were presented
5、，respectivelyAn effective approcaeh of multi-field coupling calculation wasproposedThe models and the approach were verified by the experiments of prototypeThe work Was helpful for motordesign and thermalanalysis of high power density permanent magnet motorKey words：permanent magnet motor；water-cool
6、ing jacket；eddy-current loss；temperature field；multi-field coupling0 引 言驱动电机是电动汽车的核心部件。为满足车辆复杂的运行工况，电动汽车用电机应具有效率高、起动转矩大、短时过载能力强等特点。另外因受车辆空间限制，设计人员总是试图选择最小的电机体积提供尽可能高的功率输出，即电动车用电机的功率密度普遍偏高引。在功率不变的情况下，体积(散热面积)减小，势必导致散热困难，由此带来的电机过热(尤其是永磁材料被热退磁的危险)，严重影响着电机及车辆的安全运行。因此，电动车用高功率密度永磁电机的发热和冷却问题，是电动车动力系统的关键技术问
7、题之一。永磁电机的温度计算涉及电磁学、传热学、流体力学和空气动力学理论，是具有挑战性的交叉学科前沿课题。在永磁电机发展的初期，工程设计人员大都沿用传统电机的设计方法，借用电励磁电机电磁设计和冷却系统设计经验估算永磁电机的损耗和温升，设计针对性较差。当电机转速提高或者采用新结构方案时，存在很大的安全隐患。例如，电励磁同步电机通常不考虑转子损耗，在永磁电机研究的初期，永磁体的损耗也因此不予考虑。后来的运行经验和进一步的理论分析表明：定子齿谐波在面贴式的永磁体内引起的涡流损耗一27万方数据新能源汽车技术I：MCA 迫札与粒制应玎2014，41(1)未被认真对待，是造成这类电机热失磁的主要原因。对于永
8、磁同步电机，除了应该关注线圈和绝缘温度以外，还应特别关注永磁体的温度口1。因此，本文从电机生热和传热的基础理论出发，结合当前国内外数学建模及求解技术研究的最新进展，以一台水套冷却面贴式30 kW永磁同步电机为例，研究车用水套冷却高功率密度永磁电机损耗和温度计算的一般方法，并从平衡计算规模和计算时间的角度，提出了一种等效的多场耦合方法。1 电磁场一热场一流场计算数学模型11 永磁电机损耗计算磁场数学模型准确的损耗(热源)计算是分析电机温度场的前提。车用永磁电机的损耗主要有：定子绕组铜耗、定子铁心损耗、转子涡流损耗(主要包括永磁体、转子护套涡流损耗)、风摩和机械损耗。对于中小型电机，常规的工程算法
9、已能较准确地计算定子绕组铜耗和机械损耗。定子铁心损耗在电机总损耗中所占比重较大，对于高速电机尤其如此。准确计算电机的铁耗是高速电机需要解决的重要课题。比较常见的铁心损耗计算模型是经典损耗分离模型和椭圆正交模型14 J。目前的电磁场计算商业软件如AnsofiMaxwell、Jmag Designer的铁耗计算模块都是基于椭圆正交模型：利用交变磁化损耗曲线拟合获得涡流损耗及附加损耗系数，然后对每一个单元磁密的时间波形进行谐波分析，进而计算涡流损耗和附加涡流损耗。磁滞损耗在有限元软件里一般通过磁滞环求取，如图1所示，过程如下：(1)通过时步有限元计算记录每个单元的磁通密度时间波形；(2)根据B一日曲
10、线查出对应点的磁场强度日；(3)绘制一个周期内磁滞回线；(4)计算磁滞回线的面积，磁滞回线的面积即是该单元的磁滞损耗。， 仫翟 -线， 。i h一彦 小翟图1磁滞损耗的计算同步电机转子与定子基波磁势同步旋转，通常忽略转子侧旋转部件的涡流损耗。实际上，由于定子开槽、定子磁势的空问和时间谐波的存在，谐波磁场仍会在转子中产生一定的涡流损耗。当电机频率较高、定子磁场谐波含量较大、转子散热条件不好或材料耐热性能较差时，转子涡流损耗必须引起足够的重视，以避免高温引起的永磁体热退磁。目前，国内外对永磁同步电机转子涡流损耗的分析归结起来主要有两种方法：解析法和有限元法。解析法的优势是计算速度快，物理意义明确。
11、计算模型通常是把定子绕组等效为分布于槽开口处的等效电流片“J，然后在推导过程中通常做一定的简化处理，例如忽略槽开口所引起的气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗，或者忽略磁路饱和，认为铁心的磁导率无限大。本文的研究对象是面贴式永磁电机，考虑到转子侧涡流受槽开口影响较大，因此选用有限元法计算转子侧旋转部件的涡流损耗。基本假设：忽略位移电流的影响；忽略电机的端部效应，认为电磁场沿轴向均匀分布，从而将模型简化为二维；材料均匀、各向同性。二维有限元法假设电机的电流密度和矢量磁位只有z轴方向的分量，将垂直于电机轴的平行平面场域力上的电磁场问题表示成边值问题：力：磊0 Iil瓦0A)+面0 Iil万0A)=盯i
12、OA一，。厂。：A：A。 (1)R：石1而0A-H,式中：肛磁导率；A矢量磁位；盯导电材料电导率；E永磁材料矫顽力；，。源电流密度；厂。、疋第一类和第二类边界条件。涡流密度：，。：一盯警 (2)转子旋转部件的涡流损耗：L掣肌吐学州3，式中：|s涡流切面面积；部件的轴向长度。万方数据电札再粒芾J应用2014，41(1) 新能源汽车技术E辩A除了计算模型的正确选取，模型的合理实现也对计算结果的准确性有非常大的影响。作为工程化的理论研究，除了要保证结果的工程精度，还要注重分析的时效。例如通过时步有限元法计算永磁体涡流损耗，必须预估气隙磁场主要的高次谐波，进而估算谐波磁场在转子结构件内的透入深度，必须
13、保证足够的剖分精度方能保证计算的准确性。另一方面，在时变场内，涡流是通过矢量磁位对时间的求导获得，作为离散解，离散时间步长的设置和气隙单元的配合亦对精度产生很大的影响。采用全三维模型、多场并行耦合、极小的空间和时间离散，理论上会产生更准确的计算结果，但就计算水平来说仍然不现实。因此，需要在理想模型和工程模型问寻求计算精度和计算速度的平衡。12水套流场和热场耦合数学模型水套冷却电机由于结构简单、体积小、重量轻、换热效率高等优点而受到汽车设计者的青睐。就其温度场分析，目前的商业软件已能够很方便地导人电机全三维真实的几何模型(包括冷却系统)。理论上，如果热源已知，进行精度足够的空间离散，给定热场、流
14、场边值条件，就能并行耦合求解流、热耦合场。但目前大部分计算机的处理能力，直接求解仍不现实。本文将水套流场与电机温度场进行串行耦合，首先求解水套流场，进而以定子铁心外圆的等效传热模拟水套的冷却作用。一方面充分发挥数值计算较工程算法精确的优势，另一方面，从工程应用的角度，节约计算时间。水套中的冷却水在流动过程中遵循守恒定律，包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。假设冷却水为不可压缩流体，同时忽略浮力和重力对流动形态的影响，则约束方程可写为以下形式。质量守恒方程(连续性方程)：塑+塑+O_E：0 (4)d戈 a戈 az动量守恒方程：必Ot+亟甓巫+必ay+丛笔孚=击(p芸)+刍(p券)+去(
15、肛警)一赛 a az 8x“ax8|y1“av8zaz a掣+掣+等+掣=觥)+瓣)+挑)一考必+掣+必+掣=挑)+绷+挑)一a以pOtOyax az a戈7一a戈， a，、一av， az、7叫az， az能量守恒方程： 等+警+警+警习0 iot瓦OT)+专(势磊0 I桫aOTCCs，(6)a a戈 ay az a戈、 a茗， ay、 av， az、c az， 1 、式中：M以埘速度在戈、y、z方向上的分量； 水沿螺旋水道的温度分布及螺旋水道表面的散热系p压力； 数，将其折算到定子铁心外表面上，可进一步计算出肛黏性系数； 电机本体的温升隋况。电机稳态温度场在直角坐标Cp比热容； 系下，三维稳
16、态热传导微分方程及边界条件为二：蠢鬻管热源。 f击(破芸)+旦Oyt后，等)+去(晚警)=一gsT流体的内热源。 l缸、5以， 7 a)， az、。以， 1单独计算水套流场和温度场时，电机的所有 J塑l ：o热量都加载在水套与铁心的接触表面上。进口边 l们川Sl界条件：在螺旋水道的进口处给定流体速度和压 l矗塑l ：一d(rL)力；出El边界条件：在螺旋水道的出口处给定压 们。I s2力；固定壁面边界条件：对于固定壁面，要将所有 (7)的速度分量都设为零。 式中：卜边界上已知的温度；13 电机本体稳态温度场数学模型 疋边界S：周围介质的温度；通过水套流场和温度场的计算，可以算出冷却 七。而小七
17、：鬈、扎z方向上的导热系数；万方数据新能源汽车技术EMCA 迫札与控制应用2014，41(1)5。、s：绝热边界面、传热边界面；q热源密度；a边界s：上的散热系数；JjS：面法向导热系数。2 试验样机计算结果及讨论为验证数学模型的准确性，用一台设计功率为30 kW的电动车用试验样机进行了负载温升试验。表1为该样机的基本结构参数和试验时的相关数据。表1 30kW样机温升试验数据名称 数据 名称 数据定子外径mm 260 转子内径nlnl 60气隙长度mm 13 槽数 48铁心长度mm 130 磁钢牌号 N35UH极对数4 永磁体宽度ram 60永磁体厚度mm 6 转子铁心 Q235钢定子铁心材料
18、DRSl050 转速rrain 1 100负载电流A 905 冷却水压差MPa 006冷却水流量 289 冷却水出水 123(Lh“) 温度冷却水进水 81 电机输入 9 576温度T： 功率w环境温度T： 71 电机总 1 485电机输出功率w 8 091 损耗w定子绕组52(ptl00)定子铁心 43(Ptl00) 端部端面 距定子内 88(热应永磁体 130(热应变片) 圆O5m侧 变片)定子内径nun 1814 气隙定子由变频器供电，示波器记录的绕组电压和电流波形如图2所示。由图可见，在该工况下，电机的电压和电流波形谐波含量很大，其主要原因是由于电机试验时转速较额定工况低，且使用的变频
19、器输出端无滤波器。由电压和电流的实测波形可计算电动机的输入功率由转矩一转速可测得电机的输出功率，二者相减间接获得电机的总损耗为1 485 w，其中定子绕组铜耗可单独测出为264 W。按照文献6估算的风摩和机械损耗为100 w，根据试验推算的铁耗与转子涡流损耗之和为1 121 w。定子铁心和绕组温度通过Ptl00热电偶测量，永磁体温度通过转子表面粘贴热应变片获得。21 定子铁耗和转子涡流损耗计算结果传统电机的铁心损耗通常只考虑基波磁场在定子铁心中引起的损耗，有限元分析时通常假设定子电流波形是标准正弦型。图3是25 MHz低通滤波后的定子铁损和永磁体涡流损耗计算结果。由图3(a)可看出，该样机电流
20、的谐波成分较大，若只考虑基波电流势必产生较大的误差。为了和试验结果相对比，将采集到的定子电流波形滤去采样噪声后加载在定子绕组上。试验中，示波器采样率为10 MSs，按照采样定理滤去25 MHz以上的谐波，得到的铁耗和涡流损耗1 015 W，与实测差别一945。242016豪12蟠8403 8 140 14 2 14 4 14 6 14 8 15 0 15 2 1 5 4tms(a)定子铁耗【b)涡ijic损耗图3 25 MHz低通滤波后的定子铁耗和永磁体涡流损耗计算结果22水套流场和温度场计算结果样机螺旋水套的三维模型如图4所示。基于数学模型，采用Fluent商业软件计算。计算中将w3liul
21、j!弛lli山耗liiiiii崾铁lii幽均【llh划平iiiiii虬万方数据迫面乙与粒芾J应用201441(1) 新能源汽车技术E嘲谈承套出水口螺旋水道入水U图4样机螺旋水套三维模型电机的全部损耗施加于水套内壁，忽略端盖和水套外壁的自然散热，给定进水口和出水口速度和压力，认为所有热量均通过冷却水带走。图5为样机水套的数值仿真结果。图5(a)为冷却水的速度场，图5(b)为冷却水的沿程温度分布，图5(c)为螺旋流道壁面的散热系数分布，图5(d)为水套内套的温度分布。可看出，受该电机冷却结构限制，在靠近入水口处，存在流速为零的水域(死水区)。由于水流停滞，该区域内冷却介质的温度较高。除此之外，冷却
22、水流的速度、温度及流道表面的散热系数都相对均匀，出水口和人水口温差为44，与实测温升42之间的误差为47696。为简化计算，将水套对电机的冷却作用以定子铁心外圆等效散热面处理，即定子铁心外表面为对流散热面，定子外圆外介质温度为等效的冷却流体温度，等效的散热系数为SlOtiJ a 2 (8)式中：si冷却水道内壁单元面积；Ot；内壁单元的散热系数(通过数值计算方法求解水套流场获得)；Sk定子铁心外圆面积。对于表l的试验工况，仿真计算结果为定子外圆等效对流散热系数1 280 W(m2k)。因为等效散热面直接施加于定子铁心外圆，则等效的冷却流体温度应为水套内壁与铁心外圆接触面的温度(即冷却水温度+水
23、套内壁温升)。由图5(d)可计算该接触面的平均温升为咒，=103。23 电机稳态温升计算结果没有选用定转子温度场分别建模的方法，而流速(mS。) 温度，Kl散l0OOe+00(c)螺旋流道内壁散 (d)水套内套温度场热系数分抽图5样机水套数值仿真结果是构建了整体化的定转子温度场模型。定转子分别建模时，定子内圆和转子外圆的散热条件需要给定。除了要设定表面散热系数外，尚需明确定转子间气隙的平均温度，而该温度在计算前或者试验前是无法准确预知的，影响了数值模拟的准确性和可靠性。构建了如图6所示的电机三维温度场模型：在圆周方向取一个极距，在轴向上取半个电机长，槽内的双层绕组以单层绕组等效，绕组端部以直线
24、形式等效，绕组的导热系数等效方法详见文献7。定子铁心外端圆面满足对流散热条件，其余端面均为绝热面。由于转子转动引起的气隙内气流变化，通过流场方程描述，考虑到电机结构的周期性变化，两个极间气隙端面满足流场周期性条件。永转子图6样机三维温度场模型万方数据新能源汽车技术E脚队 迫札与控制应闭2014，41(1)表2电机各部分的热物性参数部件 (kg要度m二，)黏性系数( 。J热导率W(mk)各向同性各向异性图7为样机试验工况的温度场分布图，可看出电机定子铁心和定子绕组的轴向温度分布较为均匀，但是在气隙内径向温度梯度非常大。这说明气隙的隔热作用十分明显，转子热量很难通过气隙传给定子，进而被冷却水带走。
25、计算温度和实测温度的对比见表3。温度瓜霉3949e+0023 788e+0023 627咖02嚣3466e+002鎏3 305e+002誓3 144e+002图7样机三维温度场计算结果表3温度仿真计算结果与实测温度的比较24温度场计算结果分析(1)定子铁心端面热应变片贴在定子轭部位置，该处计算温度较实测温度高511，这是因为在计算模型中没有考虑铁心端面的自然散热作用。若考虑自然对流散热，铁心温度将降低12 oC，将和实测温度更接近。可以肯定铁心外一32一圆散热系数对水套冷却作用的等效基本准确，定子铁心横向导热系数基本准确。(2)定子铁心内圆平均温度563，永磁体表面1294 oC，可见在13
26、mm长的气隙内温度梯度很大。按照气隙温度线性分布计算，在距离定子内圆O5 mm远的气隙处，温度为844，比实测温度小409，满足工程要求。这说明转子转动引起的气隙流场和传热模型正确。(3)永磁体计算温度和热应变片实测温度基本吻合，由此可以判断转子总损耗基本准确，永磁材料热物性参数正确。3 结 语针对电动汽车用水套冷却永磁电机的发热问题，采用多场耦合的方法建立了温度场计算模型。为解决三维热场流场直接耦合时存在的计算量过大的问题，提出采用定子铁心外圆等效散热面的间接处理方法。通过与样机试验对比，证明了计算模型和等效方法可行，可以用来分析水套冷却电机的损耗和温度。【参考文献】MI C，MASRUR
27、M A，DAVID WIq【ybrid electricvehicles：principles and applications with practicalperspectivesMJohn WileySons，2011郭伟，张承宁车用永磁同步电机的铁耗与瞬态温升分析J电机与控制学报，2009，13(1)：8387李伟力，陈婷婷，曲风波，等高压永磁同步电动机实心转子三维温度场分析J中国电机工程学报，2011，30(18)：55-60HUANG Y K，DONG J N，ZHU J G，et a1Coreloss modeling for permanentmagnet motor based
28、 onflux variation locus and finiteelement methodJIEEE Transactionson Magnetics，2012，48(2)：10231026江善林高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010陈世坤电机设计M北京：机械工业出版社，1990张洪亮永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010收稿日期：2013012l1J1J1J1J1j1234567rLrLrLrLr；万方数据电动车用水套冷却永磁电机损耗及温度作者： 胡萌， 李海奇， 李旭光， 李本强， 刘长红， HU Meng， LI H
29、aiqi， LI Xuguang， LI Benqiang，LIU Changhong作者单位： 胡萌,李海奇,李旭光,刘长红,HU Meng,LI Haiqi,LI Xuguang,LIU Changhong(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海,200240)， 李本强,LI Benqiang(西安交通大学机械工程学院,陕西西安,710049)刊名： 电机与控制应用英文刊名： Electric Machines MASRUR M A;DAVID W Hybrid electric vehicles:principles and applications with practical p
30、erspectives 20112.郭伟;张承宁 车用永磁同步电机的铁耗与瞬态温升分析期刊论文-电机与控制学报 2009(01)3.李伟力;陈婷婷;曲凤波 高压永磁同步电动机实心转子三维温度场分析期刊论文-中国电机工程学报 2011(18)4.HUANG Y K;DONGJ N;ZHU J G Core loss modeling for permanent-magnet motor based on flux variation locus and finite-element method 2012(02)5.江善林 高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算 20106.陈世坤 电机设计 19907.张洪亮 永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究 2010引用本文格式：胡萌.李海奇.李旭光.李本强.刘长红.HU Meng.LI Haiqi.LI Xuguang.LI Benqiang.LIU Changhong 电动车用水套冷却永磁电机损耗及温度期刊论文-电机与控制应用 2014(1)
