馬少麗 程普 劉慧敏

摘 要：以德普達(dá)31KW的車用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，首先利用ANSYS Maxwell進(jìn)行了電機(jī)定子圓周的二維電磁場分析，計(jì)算出電機(jī)的各項(xiàng)損耗作為熱源，然后利用ANSYS Workbench 中的Flunt計(jì)算額定工況下電機(jī)的三維溫度場分布，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

關(guān)鍵詞：多物理場耦合;ANSYS;永磁同步電機(jī);溫度場

0 引言

永磁同步電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強(qiáng)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。在電機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)中，電機(jī)系統(tǒng)的熱量管理水平?jīng)Q定了系統(tǒng)的功率密度和安全可靠運(yùn)行的能力，車用高功率密度的永磁電機(jī)的發(fā)熱及冷卻問題是電動(dòng)車關(guān)鍵技術(shù)問題之一。因此，確定PMSM的溫度分布是非常重要的。

采用流固耦合法，因?yàn)椴煌挠?jì)算區(qū)域應(yīng)用通用的控制方程，所以可以回避電機(jī)中冷卻液和液冷接觸面之間散熱系數(shù)難以確定的問題，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際工況。本文采用多物理場耦合的方法，首先應(yīng)用ANSYS Maxwell分析電機(jī)內(nèi)的電磁場分布，并計(jì)算出電機(jī)的銅耗、鐵耗、渦流損耗等各項(xiàng)損耗作為溫度場計(jì)算的熱源，再利用Flunt計(jì)算電機(jī)在額定工況下的三維穩(wěn)態(tài)溫度場分布，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 電機(jī)參數(shù)及模型

1.1 電機(jī)的基本參數(shù)及3D模型

本文以德普達(dá)31KW，36槽8極的永磁同步電機(jī)為例進(jìn)行仿真計(jì)算，建立電機(jī)包含外殼、水道、定子鐵心、繞組等主要部件的3D模型（見圖1）。

1.2 電機(jī)電磁場的數(shù)學(xué)模型

選取定子圓周為計(jì)算區(qū)域，采用矢量磁位AZ為未知量，AZ所滿足的邊值問題如下式所示：

1.3 電機(jī)溫度場的數(shù)學(xué)模型

基于流固耦合法對(duì)電機(jī)的三維溫度場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，三維導(dǎo)熱問題的微分方程及其邊界條件為：

2 仿真結(jié)果分析

2.1 電磁場分析

利用有限元軟件 ANSYS? Maxwell建立剖面圓周2D有限元模型，通過分析求解，得到其磁場分布圖、齒槽轉(zhuǎn)矩、銅耗、鐵耗等結(jié)果，作為溫度場計(jì)算的熱源進(jìn)行加載。在鐵耗曲線報(bào)告圖上，由軟件內(nèi)置的求平均值的函數(shù)avg，計(jì)算出電機(jī)鐵損為337.01W。同樣的方法，可求得電機(jī)銅耗、磁鋼渦流損耗的平均值分別為1180W和76W。圖2和圖3分別給出了電機(jī)額定工況下的磁通密度云圖和鐵耗曲線報(bào)告。

2.2 溫度場分析

在計(jì)算了熱源，給出了電機(jī)各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)計(jì)算域邊界指定了邊界條件和定義了流體屬性的情況下，可加載求解電機(jī)內(nèi)的溫度場分布。

電機(jī)在冷卻水流速為0.4m/s，初始溫度為25 ℃的條件下，工作在 31 kW、3600 r / min 的額定工況并達(dá)到穩(wěn)態(tài)，經(jīng)計(jì)算得到電機(jī)內(nèi)溫度場分布，圖4、圖5分別為定子鐵心、繞組溫度分布圖。

由仿真溫度云圖可以看到，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子繞組的溫度最高并且最高溫度出現(xiàn)在繞組端部，這是由于電機(jī)內(nèi)最大的損耗來源是銅耗。其次，電機(jī)內(nèi)的鐵耗也比較大，所以定子鐵心溫度也較高。不過定子鐵心軛部距離水道較近，所以定子鐵心齒部的溫度高于軛部。電機(jī)內(nèi)的最高溫度在允許的溫升范圍之內(nèi)，所以電機(jī)可以可靠運(yùn)行。

為了驗(yàn)證基于多物理場耦合法仿真計(jì)算電機(jī)溫度場分布的正確性，本文對(duì)樣機(jī)搭建了溫升測試平臺(tái)，圖6為測試臺(tái)架。分別在電機(jī)機(jī)座外側(cè)、定子鐵心及繞組端部的內(nèi)側(cè)放置熱電偶，在水道的入口、出口處放置測溫計(jì)測量水溫。通過試驗(yàn)，電機(jī)內(nèi)各部分溫升的實(shí)際值與計(jì)算值誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了多物理場耦合法計(jì)算電機(jī)溫升的有效性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

以一臺(tái) 31KW的車用水冷PMSM為例，首先采用ANSYS Maxwell計(jì)算了電機(jī)內(nèi)整個(gè)定子圓周上的二維電磁場分布，由此確定的損耗結(jié)果作為溫度場計(jì)算的熱源;在此基礎(chǔ)上，采用Flunt計(jì)算了電機(jī)的三維溫度場。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了基于多物理場耦合的電機(jī)三維溫度場的數(shù)學(xué)模型以及計(jì)算方法的正確性。

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