永磁同步电机温度场分析与水道结构优化
PCB盘式永磁同步电机螺旋形绕组优化
在理论分析中，本次演示以PCB绕组为基础，建立了盘式PMSM的三维温度场 模型。考虑到电机内部的热源分布、散热系数、材料热导率等因素，采用有限元 方法对电机内部的温度场进行了详细分析。此外，本次演示还比较了自然冷却、 强制风冷和液冷三种不同冷却方式的散热效果，为后续实验设计和结果分析提供 了理论基础。
2、优化绕组形式：在保证电机性能的前提下，可以考虑简化绕组形式的制 作工艺，降低生产成本。
3、选用更优质的绝缘材料：选用耐高温、耐腐蚀、低成本的绝缘材料，可 以在保证电机安全稳定运行的同时，降低生产成本。
3、选用更优质的绝缘材料：选 用耐高温、耐腐蚀、低成本的绝 缘材料
1、实验环境：实验环境应尽可能接近实际运行环境，以避免实验结果受到 外界因素的干扰。
2、实验设计：根据文献调研结果，设计多种不同的螺旋形绕组排列方案， 并准备实验样品。
3、数据分析：通过实验测试，对比不同方案下的电机性能指标，分析原因 并得出结论。
1、螺旋形绕组的排列方式对电 机的功率密度和效率具有显著影 响
2、绕组的匝数和线径对电流和 磁场分布有重要影响
结论与影响：
本研究表明，通过优化PCB盘式永磁同步电机螺旋形绕组排列方式、匝数和 线径等参数，可以显著提高电机的功率密度和效率。这一发现对PCB盘式永磁同 步电机的应用前景具有积极影响，并为未来研究提供了新的研究方向。
2、实验设备：实验设备应具备高精度和高稳定性，以确保实验数据的准确 性和可靠性。
3、实验操作：实验操作应规范严谨，避免因操作失误导致实验结果失真。
4、数据处理：应对实验数据进行详细分析，提取关键参数并进行对比，以 便评估设计的实际效果。
参考内容二
基本内容
随着电力电子技术的不断发展，永磁同步电机（PMSM）已成为一种重要的驱 动系统，被广泛应用于工业、汽车、航空等领域。盘式永磁同步电机（Disk PMSM）作为其中一种常见的结构形式，具有较高的功率密度和转矩输出，因此备 受。然而，随着其功率和转速的不断提高，电机内部的温度场分布和冷却方式成 为了制约其性能和可靠性的关键因素。
基于ANSYS Maxwell 2D内置式“V”型永磁同步电动机的转子结构优化-陈贤阳
[ Keyword ] interior; permanent magnet synchronous motor; magnetic pole shift; rotor eccentric; ANSYS Maxwell2D; cogging torque
1 前言
世界各国节能和环保的政策要求，电动汽车的研制和推广已得到广泛的关注，而对高
为槽数，
GCD（z，2p）
为
2p
和
z
的最大公约数。
由(6) ~(8)分析可知，当永磁体对称时，n 只有取值为 Np 的倍数时，该次谐波才不为零。
[6]
故可得知磁极偏移对整数槽永磁电动机的齿槽转矩的消弱是有明显效果的 。
3 磁极偏移对齿槽转矩的影响
利用 Maxwell 有限元分析软件，分析不同的磁极偏移角度时，电机齿槽转矩的变化情
已知一款汽车用永磁同步电动机的主要参数，基于 Maxwell2D 有限元仿真，采用磁极
[5]
偏移和转子铁芯的偏心距措施，使电机的齿槽转矩得到优化 。根据优化后电机尺寸参数
试制样机，利用电机实验平台，测得样机的性能符合要求。
1.1 永磁同步电动机主要技术参数
本方案主要技术指标如表 1 所示
表 1 主要技术指标
额定电压：183V
基于Ansys的永磁同步电机温度场分析
近些年来 ，由于永磁同步电机在工农业 的生产生活中应用越来越广泛 ，关于永磁同步电机的各类 问 题也越来越引起人们的重视 ．由于电机的应用逐渐广泛 ，电机的负载逐渐增大 ，电机运行时的损耗也逐渐 增加 ，导致 电机 内部温升也 同时增大．而过高的温升容易使得电机部件出现过早老化 的现象 ，所以电机 内 部温升是电机设计 中必须考虑 的参数 ．因此 ，电机的发热问题也引起了人们 的重视．但是由于电机内部结 构 复杂 、磁场分 布不 均匀 等 因素 ，使 得人 们对 于 电机 内部 温度 场分 布 的认识 大 多停 留于公 式计 算 出的 电 机 温升 得平 均值 ，而 没有 具体 到 电机 的温 度分 布 规律 ．但 利用 Ａｎｓｙｓ有 限元 分析 软件 ，可 以模 拟 出 电机 内 部温度场的分布情况 ，从而解决这一问题．本文通过Ａｎｓｙｓ软件中的热分析模块 ，对实际电机温度场进行 二维分析 ，得 出温度分布云图，模拟 电机在运行过程 中温度场分布 隋况．
摘要 ：利用Ａｎｓｙｓ￣－ｆ限元分析软件对永磁 同步电机的平面二维模型进行温度场分析 ，将 分析得到的结果与理
论计算结果进行 比较 ，寻找 出一种有效的计算 电机温度场的方法 ．
关键词 ：永磁 同步 电机 ；Ａｎｓｙｓ软件 ；瞬态热分析 ；温度场
中图分类号 ：ＴＭ ３４１
文献标识码 ：Ａ
文章 编号 ：２０９５—２４８１（２０１３）０２．０１３８．０３
第 ２５卷第 ２期 ２０１３年 ５月
宁德师范学院学报（自然科 学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｎｇｄｅ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖｏｌ＿２５Ｎｏ．２ Ｍ ａｙ２０１３
基于Ａｎｓｙｓ的永磁 同步电机温度场分析
内置式永磁同步电机双层磁钢结构优化设计
内置式永磁同步电机双层磁钢结构优化设计李维1，王慧敏2，张智峰1，邓强1，张志强1，唐源1，付国忠1（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计重点实验室，成都610213；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387）摘要：为有效改善永磁同步电机的转矩输出能力和弱磁扩速能力，将双层磁钢结构用于电动车辆用内置式永磁同步电机中，在不增加转子径向尺寸的前提下放置更多的永磁体，从而提高了永磁体工作点和电机凸极率。
同时，以提高电机输出转矩性能和增强电机弱磁扩速能力为优化目标，以双层磁钢磁极结构参数为优化变量，基于Taguchi 法实现了内置式永磁同步电机转子磁极结构的多目标优化设计，在有效抑制电机电磁转矩波动的同时扩大了电机转速运行范围。
在此基础上，对空载运行、额定负载运行、最大转矩运行、最高转速运行等4种电动车辆用内置式永磁同步电机典型工况进行了有限元仿真分析。
结果表明：通过优化磁极结构，电机最大转矩点和最高转速点的电磁转矩平均值分别达到164.18N ·m 和34.81N ·m ，均高于设计要求，最大转矩点和最高转速点性能得到了提升，验证了所提双层磁钢结构和优化设计方案的有效性。
关键词：电动车辆；内置式永磁同步电机；双层磁钢结构；Taguchi 法中图分类号：TM351文献标志码：A 文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园20）园6原园园76原07第39卷第6期圆园20年12月Vol.39No.6December 2020DOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2020.06.012天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕GONG 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Optimization design of double-layer interior permanent magnet synchronous motor LI Wei 1，WANG Hui-min 2，ZHANG Zhi-feng 1，DENG Qiang 1，ZHANG Zhi-qiang 1，TANG Yuan 1，FU Guo-zhong 1（1.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory ，Nuclear Power Institute of China ，Chengdu 610213，China ；2.School of Electrical Engineering and Automation ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：In order to improve the performances of the permanent magnet synchronous motor 渊PMSM冤such as high torqueoutput and wide speed range袁the double-layer structure is adopted as the magnetic pole structure for the interior PMSM applied in electric vehicles.More permanent magnets are placed under the same size of the rotor to im鄄prove the working point of the permanent magnet and obtain the higher motor salient rate.Meanwhile the geomet鄄rical parameters of the double-layer structure are chosen as the optimization variables.And the multi-objective optimization design of the double-layer pole structure for the interior PMSM is realized based on the Taguchi method袁to improve the performance of output torque as well as the ability of flux weakening and speed expand鄄ing.On this basis袁the finite element simulation analyses are carried out for four typical working conditions of the interior PMSM applied in electric vehicles袁including no-load operation袁rated load operation袁maximum torque operation and maximum speed operation.It is shown that by the optimization of the double-layer structure the av鄄erage values of electromagnetic torque at the maximum torque point and maximum speed point of the motor reach 164.18N 窑m and 34.81N 窑m袁respectively袁which were higher than the design requirements.The performances ofthe maximum torque point and maximum speed point are improved袁and the effectiveness of the proposed structure and its optimization design are verified by the simulation results.Key words ：electric vehicle曰interior permanent magnet synchronous motor渊PMSM冤曰double-layer pole structure曰Taguchimethod收稿日期：2020-06-29基金项目：国家自然科学基金资助项目（51507111）第一作者：李维（1983—），男，高级工程师，主要研究方向为反应堆结构设计。
永磁同步电机性能分析
永磁同步电机性能分析摘要：在永磁同步电机的设计制作中，时刻都要关注降低电机损耗，提高电机运行的效能。
关键词：永磁同步电机；性能；分析；首先我们看电机的损耗，在已知电机参数电阻R1、X1、X ad、X aq和E0的情况下，就可以计算不同功角下永磁同步电机的性能。
1 绕组计算绕组直流电阻式中电阻率为式中α为铜材半导体电阻的温度变化系数，铜材电阻α≈0.004/。
C。
计算绕组损耗时，要考虑折算到相应的基准工作温度。
一般在75。
C。
考虑集肤效应，绕组交流电阻应为式中k1r为电枢绕组的集肤效应系数。
用圆导线双线并绕的定子电枢绕组，输入工频电流时电枢绕组铜损耗2 电枢铁损耗式中p t1d、p j1d可以根据磁密查系数和铁芯的损耗系数曲线计算得到；v t1、v j1定子齿部和铁芯共轭部的体积；k1和k2为考虑由于机械加工和磁场的分布不均匀等原因而引进的损耗系数，小型电机k1=2.5，k2=2.0。
3.杂散损耗杂散作用产生的辐射损耗主要原因是由于在电磁场的高次杂散作用谐波和电磁铁芯中的开槽谐波引起的高次杂散及该谐波在电磁铁芯中高次杂散作用产生的电磁能量辐射损耗，计算困难且不准确。
常用到的经验函数计算公式：4.机械损耗机械损耗p fw是风摩损耗。
小型永磁电机，参考感应电机的经验公式计算。
接着，我们看电磁转换。
1.给定功角θ2.已知U、E0、R1、X1、Xd、Xq直轴电流Id交轴电流I q3.计算功率因素4.确定气隙磁通5.输出功率和效率计算电磁功率和功角特性1.输入功率2.电磁功率只考虑主要损耗定子绕组的电阻r1较小，忽略其影响，电磁绕组的功率为3.电磁转矩将上式两端同除以机械转矩的夹角速度ω，得电磁转矩下面，我们研究影响电机性能的因素。
由上式可以看出：异步起动永磁牵入同步电机的功率和电磁转矩由上式第一项永磁转矩和上式第二项磁阻转矩两个组成部分共同构成，磁阻转矩的功率和大小直接影响电机永磁牵入起动的同步，由上式第二项可以很清楚地看出磁阻转矩的大小是由电机的交轴和直轴电抗之间的x q、x d的倒数差大小决定的。
永磁同步电机电流环PI_控制器参数整定及优化
1. 5R s ,此时电机的电角速度 ω e = 0,通过对式(2) 中
的 d 轴电压方程进行化简得到电阻值,为
第 10 期
刘 林等:永磁同步电机电流环 PI 控制器参数整定及优化
Rs =
2 ud
。
3 id
133
(3)
图 3 电流环控制框图
Fig. 3 Block diagram of current loop control
}
(2)
对永磁同步电机的内部结构进行分析,当给逆
类为基于模型的参数自整定 [5 - 8] ,这类参数自整定
变器施加固定占空比,电机得到固定电压,受电机内
方法为目前主流研究方法,基于模型的参数自整定
部的电感作用,电机的相电流将作用一段时间后快
对建立的数学模型和参数的精度依赖程度比较大;
速趋于稳定状态。 在空载情况下对电机参数进行辨
parameters with the best performance were optimized in the neighborhood of the initial value of PI parame-
ters by the two degree of freedom variable rotation method. The experimental results show that this method
法。 首先采用简单实用的离线参数辨识方法辨识出
电机的电阻和电感参数,然后将得到的电机参数代
入数学模型中整定出一组控制参数,最后以这一组
参数作为基于规则的参数自整定的初值,整定出最
优的控制参数,确保电机可以稳定启动运行。
1 永磁同步电机离线参数辨识
永磁同步电机存在的问题
永磁同步电机存在的问题永磁同步电机是一种高效、高性能的电机，被广泛应用于各个领域。
然而，它也存在一些问题需要解决。
本文将探讨永磁同步电机存在的问题，并提出相应的解决方案。
首先，永磁同步电机存在着温升问题。
由于电机工作时会产生热量，如果无法有效散热，电机温度会升高，从而影响电机的性能和寿命。
为了解决这个问题，可以采用散热器、风扇等散热设备，提高电机的散热效果。
此外，还可以通过优化电机的设计和控制算法，减少电机的功率损耗，从而降低温升的程度。
其次，永磁同步电机存在着磁场衰减问题。
由于永磁材料在长时间使用后会出现磁场衰减现象，导致电机性能下降。
为了解决这个问题，可以采用高性能的永磁材料，延长电机的使用寿命。
此外，还可以通过定期检测和维护电机，及时更换老化的永磁材料，保持电机的性能稳定。
再次，永磁同步电机存在着控制复杂度高的问题。
由于永磁同步电机的控制需要考虑到转子位置、转速等多个参数，使得控制算法相对复杂。
为了解决这个问题，可以采用先进的控制算法，如矢量控制、模型预测控制等，提高控制精度和稳定性。
此外，还可以利用现代化的控制器和传感器，实时监测电机运行状态，进行智能化控制。
最后，永磁同步电机存在着成本较高的问题。
由于永磁材料价格较高，并且制造工艺相对复杂，导致永磁同步电机的成本较高。
为了解决这个问题，可以通过技术创新和工艺改进，降低永磁材料的成本和制造工艺的复杂度。
此外，还可以提高电机的效率和性能，降低电机运行成本，从而降低整体成本。
综上所述，虽然永磁同步电机存在一些问题，但通过技术创新和改进，这些问题是可以得到解决的。
未来随着科技的进步和工艺的改进，相信永磁同步电机将会在各个领域得到更广泛的应用。
电动汽车用永磁同步电机冷却系统及温升的研究
电动汽车用永磁同步电机冷却系统及温升的研究电动汽车用永磁同步电机冷却系统及温升的研究随着环保意识的提高和能源危机的日益严重，电动汽车作为一种绿色能源替代品，逐渐得到了广泛的关注和推广。
而永磁同步电机作为电动汽车的核心驱动装置，其性能的优劣直接影响整车的行驶性能和效率。
然而，高功率运行下的永磁同步电机，由于工作时需要吸收大量的电能，在运行过程中会产生大量的热量。
因此，在电动汽车的设计中，充分考虑电机的冷却系统以及温升问题，对于其安全性、可靠性和寿命等方面具有重要意义。
电动汽车用永磁同步电机冷却系统的设计目标是在保证电机正常工作温度的同时，尽可能降低电机受热量对其他系统的影响，提高整车的能效。
目前，常见的电机冷却方法主要有风冷、传导冷却和液冷三种。
首先，风冷系统是指通过电机周围的风道或风扇实现对电机进行冷却。
这种方法简单实用，成本较低，适用于一些功率较小的小型电机。
但是，由于电机内部空间有限，风冷系统的风量和散热面积会受限制，导致冷却效果不佳，容易出现过热现象。
其次，传导冷却系统是指通过电机外壳和壳体进行热传导，将电机产生的热量散发到空气中。
这种方法相对于风冷系统，具有较好的散热性能，可以应用于中小型电机。
但是，在高功率运行下，热量传导速度较慢，容易产生局部过热现象，且无法满足对电机全面的冷却需求。
最后，液冷系统是目前电动汽车中应用较广泛的一种冷却方式，其核心是通过循环水或冷却液将电机热量带走，以保持电机的正常工作温度。
液冷系统相对于其他两种冷却方式，具有更好的散热效果，能够充分满足电机的冷却需求，适用于高功率运行时的大功率电机。
但是，液冷系统需要额外的冷却装置，如水泵、散热器等，增加了整车的重量和复杂性，同时也增加了成本和能耗。
电动汽车用永磁同步电机冷却系统的目标是将电机工作温度控制在合理的范围内。
电机在运行过程中，由于电流和转速的增大，电机内部会产生大量的热量，同时温升现象也会对电机的性能和寿命产生重要影响。
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迫扎再控制应闭２０１６，４３（７） 研究与设计ＥＭＣＡ 永磁同步电机温度场分析与水道结构优化木 王淑旺， 高月仙， 谭立真 （合肥工业大学汽车与机械工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要：以一台额定功率为３０ ｋＷ的车用永磁同步电机为例，建立三维瞬态热分析模型，分析散热边界 条件。针对定转子问气隙处理问题，提出一种改进的泰勒数判别与计算等效导热系数的方法，合理处理定转 子间复杂的对流换热情况，并进行试验验证。根据传热学和流体力学的理论知识，建立对流换热系数以及压 降与水道结构参数间的关系，给出一种水道截面尺寸的选择方法，结合ＭＡＴＬＡＢ和ＣＦＤ数值计算软件找出合 适的水道结构截面尺寸范围并进行仿真，对实际工程中电机的水道结构设计具有一定的指导意义。 关键词：永磁同步电机；边界条件；温度场；对流换热系数；截面尺寸；水道结构 中图分类号：ＴＭ ３５１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３￣５４０（２０１６）０７—００５１—０６
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｊａｃｋｅｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ⅣＧ Ｓｈｕｗａｎｇ． ＧＡ０ Ｙｕｅｘｉａｎ．ＴＡＮ Ｌ￣ｈｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ３０ ｋＷ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｄｅａｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ，ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ— ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ＳＯ ａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ＣＦＤ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｈｅｌｐ，ｗｈｅｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ； ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ·ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
０ 引 言 电动汽车有限的安装空间使得电机须具备较 高的功率密度和效率，加之复杂的路况和驾驶习 惯等使电机运行工况十分复杂，温升严重。电机 温升或局部温升过高，不仅会导致结构变形，还会 使电机耐压和绝缘性降低，严重影响使用寿 命…。反之，则造成生产过程中材料的浪费，增 加制造成本。因此对电机各部分温升的准确计算 以及冷却系统的合理设计对电机安全运行具有十 分重要的意义 。 对温升的计算，国内外主要采用简化公式法、 等效热路法、数值计算法 Ｊ。等效热路法精度较 简化公式法高，但依赖于所建模型节点数 ；数 值计算法计算精度高，现已得到广泛应用。目前 要准确分析电机温度场还存在一定困难，首先，热 源的准确确定有一定难度；其次，绕组的简化方法 尚不成熟；再者，转子旋转问题尚未能较好地解 决＿５ Ｊ。电机电磁结构确定后，温升的主要影响因 素是冷却系统的设计，合理的冷却结构对提高电
项目基金：混合动力乘用车机电耦合系统开发及产业化（１５０１０２１００４） 作者简介：王淑旺（１９７８一），男，博士，副教授，研究方向为电动汽车电驱动系统和汽车自动化装备。
一５１— 研究与设计ＥＭＣＡ 、亳｝札再控制应用２０１６，４３（７） 道结构尺寸如表３所示。 表３初始壳体水道结构基本尺寸 壳体水道结构参数 参数值 壳体内径／ｍｍ 壳体外径／ｍｍ 水道轴向总长ｌ／ｍｍ 水道截面高／ｍｍ 水道截面宽／ｍｍ 水道数
２ｏｏ ２３８ １５２ ８．５ ４４ ３
３．１水道评价标准 ３．１．１ 对流换热 电机工作过程中生成的热量主要由冷却水和 壳体间的对流换热带走。对流换热带走的热量可 由牛顿冷却公式计算： ＝ＡｆｈｆＡＴ （５） 由式（５）可知，要提高对流换热量，必须提高 对流换热面积Ａ 、对流换热系数ｈ 和流体和固体 间温差△ 。对温差△ 的控制一般通过降低冷 却液温度，不涉及水道结构，故不作考虑。 该电机中水道对流换热面面积计算为 Ａｆ ２＂ｒｒｒ·２ａｎ＋２７ｒｒ·２ｈｎ＝ ４，ｔｒｒｎ（口＋ｈ） （６） 忽略相邻水道连通处的面积，其中：ｒ＝ ｒ． ｒ ，ｒｉ为壳体内径，ｒ０为壳体外径，凡为水道数。
厶 对流换热是一个复杂的热量交换过程，其换
热系数受流体介质、流体状态、是否有相变以及换 热表面几何形状等很多因素的影响。单相强制对 流换热系数可按式（７） 表示： ｈ＝（Ａ，Ｚ， ， ，Ａ，Ｃ。） （７） 式中：Ｚ——特征尺寸；
——流速； ｃ。——流体的恒压热容。 ３．１．２管流压降 管流压降在工程计算中十分重要且常用，设 计水道时要综合考虑压降的影响。它的计算公 式为 Ｂ］
局部压降： Ａｐ：＝ｋ （ｎ一１） （９） 二 式中： ——局部阻力系数。
冷却液管道的总压降为管流压降和局部压降 之和，即 △ｐ：△ｐ ＋△ｐ （１ｏ） ３．２参数范围选择 对流换热需同时取得最大对流换热面积和对 流换热系数方可获得最佳散热效果，故根据牛顿 冷却公式，采用换热系数和换热面积的乘积为选 择依据。 根据式（５）一式（７），利用ＭＡＴＬＡＢ绘制出 对流换热面积与换热系数乘积随ｎ、ｈ变化关系， 如图５所示。
图５对流换热系数与换热面积乘积 随截面参数变化关系
由图５可看出，流量一定时，由于ｈ的范围有 限，ｏ的影响要比ｈ更显著，因此将ｈ选为５ ｍｍ， 在后面的分析中作为常量。 仅考虑水道截面宽度。时，根据式（７）、式 （１０）分别绘出截面宽度。与对流换热系数及流 阻的变化关系图，如图６、图７所示。根据图形的 变化趋势及实际情况，选出合适的参数范围。
△ｐ。＝／旦ｄ． ２ （８） 图６对流换热系数随截面长度。的变化关系
由于电机采用的是折返式水道，相邻水道连 通处存在折弯，水流经过时方向会发生变化，导致
一５４一
从图６可知，截面宽度０越小，对流换热系数 越大，则散热能力也在增强；且随。的减小，其变 电札与粒制应同２０１６，４３（７） 研究与设计Ｅ№Ａ 图７管流压降随截面长度ａ的变化关系 化率越大，２５ ｍｍ以上变化趋势比较平缓。压降 与ａ的关系与对流换热系数与ａ的关系相似，从 图７可知，１５ ｍｍ以下时，压降变化十分显著；所 以取较小的ａ值虽然可以获得较大的对流换热系 数，增大换热量，但由于相应水流速度的增大，使 得进水口所需要压力随之增大，且会使得流阻增 加，管流总压降变大，流体流经管道的沿程损失也 越大。因此结合图６一图７的曲线变化趋势，确 定口的取值范围为１５～２５ ｍｍ，计算出相应的水 道数目在５—８之间，其对应关系如表４所示。
表４不同水道数和截面宽度下参数分布表
冷却水流量保持１０ Ｌ／ｍｉｎ不变，根据模型求 解得到不同水道下温度和压力分布，如表５、表６ 所示。
表５水道数和最高温度的关系
由表５可知，初始水道结构绕组的最高温度达 １０４．１ ｏＣ，优化后绕组温度均有所降低，水道数为５ 时，最高温度为１０２．０℃，比原来降低２．１℃；６、７、８ 水道数分别降低２．３ ｏＣ、２．５℃和２．３℃。 由表６可知，当水道数增加时，流体的压降也 在迅速增加，水道数为８的压降要远大于５、６、７ 水道数，与理论分析结果一致。 综上分析，本电机水道截面宽度在１７— ２５ ｍｍ，即水道数目在５～７比较合理，可以达到较 好的散热效果，同时水道流阻又控制在较小范 围内。 ４ 数值计算进一步优选结果 ５ 结 语
为进一步确定几种水道的散热效果，继续用 ＣＦＤ仿真软件分别进行热仿真并验证，选出散热 效果最佳的模型。 电机最高温度出现在绕组端部，优化水道结 构时可忽略转子影响，将绕组、绝缘等复杂结构等 效为一个均匀的发热体，着重分析水道结构尺寸 对散热的影响。水道的简化模型如图８所示。
图８简化后的电机求解域模型
本文对一台永磁同步电机热边界条件进行分 析，并进行额定转速下瞬态温度场的数值模拟计 算。在定转子问气隙的处理上，通过泰勒数考虑 定子表面粗糙度和开槽的影响，保证仿真的精度， 并为电机温度场计算和理论分析提供了依据，同 时辅以试验对仿真结果进行验证，证明了仿真的 准确性。 通过构建对流换热系数、流体压降与水道截 面参数间的关系，对其进行定量分析，运用数学 软件绘制出关系图，根据参数问关系的变化趋 势，对水道结构进行优选，确定出合理的截面 参数范围，同时确定水道数目；利用数值计算 软件得出相应结构下的温度分布，结果与理论 计算相符，故水道数目取在５～７比较合适，即 水道截面宽度在１７～２５ ｍｍ，验证了理论的正 确性。这对电机的水道结构设计具有一定的 指导意义。 一５５—