基于ANSYS的永磁驅動電機熱建模與仿真

馬長軍，高 劍，劉 波，張文娟，蓋江濤

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基于ANSYS的永磁驅動電機熱建模與仿真

馬長軍1，高 劍2，劉 波2，張文娟3，蓋江濤1

（1. 中國北方車輛研究所，北京100062；2. 湖南大學，湖南長沙410082；3. 長沙學院，湖南410002）

永磁同步電動機以其高效、高功率密度等優(yōu)點在車輛電驅動領域具有極大的優(yōu)勢。高功率密度意味著電機具有高電磁負荷和高溫升的特性，加之車輛散熱條件惡劣，因此電機的熱分析與計算是電機設計的關鍵。本文以某特種車輛驅動用350 kW永磁電機為例，對該電機進行熱建模與仿真分析，模擬出電機正常運行時內部溫度場的分布情況，得出電機溫度分布云圖等，為電機的設計提供可靠依據(jù)。

永磁同步電機 熱模型 仿真

0 引言

近年來電力驅動技術在車輛傳動領域得到廣泛的應用，驅動電機作為電傳動系統(tǒng)的核心部件，要求具有效率高、調速范圍寬、過載能力強、結構緊湊等特點，永磁同步電動機以其高效、高功率密度等優(yōu)點在車輛電驅動領域具有極大的優(yōu)勢。為了達到車輛電傳動功率密度的要求，驅動電機的電磁負荷往往設計的很高，而且電機運行環(huán)境溫度較高、通風散熱效果差、冷卻介質溫度高，因此準確的電機熱分析與計算是高功率密度電驅動永磁電機方案設計的關鍵[1-2]。傳統(tǒng)的基于等效熱阻的電機溫升計算方法雖然過程簡單、效率高，但難以滿足電磁場、流體場和溫度場高度耦合的永磁驅動電機的溫升準確計算的要求。本文以350 kW永磁驅動電機為對象，利用ANSYS軟件進行電機損耗分析、三維熱建模與溫升的仿真，為高功率密度電機溫升分析與計算奠定基礎。

1 電機電磁設計與損耗分析

1.1電磁設計

根據(jù)性能及尺寸要求，永磁驅動電機的主要性能和電磁設計數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

1.2損耗分析與計算

1.2.1損耗計算原理

電機發(fā)熱的根本原因是電機的各種損耗，它們構成了電機溫度場計算的熱源，電機的損耗主要可以分為：鐵耗、銅耗、永磁體渦流損耗和機械損耗[3-4]。

表1 驅動電機主要性能指標

1）鐵耗計算

經(jīng)典的鐵耗計算模型為意大利學者Bertotti提出的鐵耗分離模型，該損耗為正弦交變磁場下單位重量硅鋼片產(chǎn)生的損耗：

式中，p為磁滯損耗，p為經(jīng)典渦流損耗，p為異常渦流損耗，B為磁密幅值，為頻率，K為磁滯損耗系數(shù)，K為經(jīng)典渦流損耗系數(shù)，K為異常損耗系數(shù)，為1.2~1.5之間的常數(shù)。KK、K都與材料有關。由于目前損耗曲線是通過標準正弦磁密測試得到的，各損耗系數(shù)只適用于標準正弦磁化，而永磁電機磁密含有大量諧波，為了精確求解，將磁密進行傅里葉分解，分別計算各次諧波的鐵耗，然后相加。單位重量的鐵心損耗采用以下計算公式：

式中，f、B分別為第次諧波磁密的頻率和幅值。

2）永磁體渦流損耗計算

永磁體的電導率較大，它不像定子、轉子鐵芯那樣由硅鋼片疊壓而成，表現(xiàn)為大塊導體，在電機運行時，容易形成較大的渦流，產(chǎn)生渦流損耗，雖然在數(shù)值上其損耗較小，但是不能忽略，需要加以考慮。本文通過對定子電流諧波分析，提取出其高次諧波電流，利用有限元模型進行轉子鐵心損耗和永磁體渦流損耗仿真得到其損耗值。

3）銅耗計算

對于相電機而言，基本銅耗可以用以下公式進行計算

由上式可知電機繞組阻值的獲得是準確計算銅耗的關鍵。對于具有高電密的電機，電機工作過程中銅耗較大，繞組的溫升較快。溫度對繞組電阻值的影響可由下式表示：

集膚效應對電機定子電阻的影響是在進行銅耗計算時必須考慮的問題。電磁場在導電媒介中是按指數(shù)規(guī)律衰減的，通常定義電磁波進入導體內場量衰減到表面值的1/（即36.8%）時的深度為透入深度，或稱為集膚深度：

可以看出，集膚深度和頻率的平方根成反比。集膚效應使導體的有效截面減小，不同諧波頻率下，導體阻抗不同，頻率越高，導體的阻抗越大?？紤]集膚效應的繞組電阻計算公式為：

所以于永磁同步電機，當電機的轉速較高及電流高次諧波含量較大時，集膚效應的影響不容忽視，尤其對高功率密度電機，銅繞組內流過的電流較大，較小的繞組阻值計算誤差都可能帶來較大的銅損耗計算偏差。因此對集膚效應的正確考慮很大地影響了對銅損耗計算乃至溫度場計算的準確度。

4）機械損耗

機械損耗主要為軸承損耗和轉子風摩擦損耗。這些損耗在大多數(shù)情況下，均難以準確計算，一般工廠采用簡單的經(jīng)驗公式或根據(jù)已造電機的實驗數(shù)據(jù)來確定[5]。

1.2.2損耗分布

利用上述方法，對350 kW永磁驅動電機額定點損耗進行分析計算，結果如表3。

表3 永磁電機損耗分布（單位：kW）

2 永磁驅動電機幾何建模

2.1建模基本思路

ANSYS Fluent 是全球流行的商用有限元分析軟件，該軟件是用于模擬具有復雜外形的流體流動以及熱傳導的計算機程序。本文首先用前處理軟件ICEM建立幾何模型及生成網(wǎng)格；再由 Fluent 進行求解；求解之后進行后處理，讀取出所需要的圖像，如溫度、速度、壓力、流體流動軌跡等。建?；舅悸啡鐖D1所示。

圖1 熱建?；舅悸?/p>

2.2電機幾何建模

本文設計的350 kW永磁驅動電機主要由電機本體和外水冷機座構成，電機的機殼上分別開有與壓力泵連接的進水口和出水口，定子鐵心的外圓與機殼之間形成用于冷卻定子鐵心的螺旋形通道，作為冷卻水的通道。根據(jù)電磁設計數(shù)據(jù)，電機本體主要部件和水冷機座建模如下：

1）電機定子鐵心和繞組模型，如圖2所示。

（a）定子鐵心

（b）定子繞組

2）電機轉子鐵心建模，如圖3所示。

圖3 轉子幾何模型

3）水冷機座建模，如圖4所示。

（a）內套模型

（b）外套模型

（c）水道模型

圖5 空氣域模型

4）空氣域建模，如圖5所示。在電機內套和端蓋包圍的圓柱空間內，除了定子和轉子外，還存在空氣。空氣的熱導率較低，在定轉子氣隙中溫度梯度特別大，直接影響轉子熱量向外的傳遞，故需要建立空氣域的幾何模型。

2.3模型網(wǎng)格劃分

本文采用有限體積法對電機模型進行剖分，即將實體空間離散化，形成一個個離散的網(wǎng)格。利用它們相互粘連的關系，可以對他們由點及線、由線及面、由面到體的方式迭代計算。這些點線面分別叫做節(jié)點、網(wǎng)格線、界面，在一個復雜形體中他們的數(shù)量極大。電機各模型網(wǎng)格大小設置如表4所示。

3 溫度場仿真與分析

3.1基本數(shù)據(jù)設置

為了方便有限元計算和 ANSYS 溫度場的分析，永磁同步電動機求解域的有以下基本假設：

① 在穩(wěn)態(tài)中不考慮瞬態(tài)溫度影響；

② 忽略端部繞組的發(fā)熱產(chǎn)生傳導的影響，同時將整個整體機殼和氣隙作為散熱源；

③ 忽略軸部的熱量散失和槽內氣隙的影響；

④ 由于軸向無風冷系統(tǒng)，將氣隙溫度傳播方式處理為熱傳導。

電機各部件傳熱煤質導熱系數(shù)設置見表5[6]。

表4 模型網(wǎng)格數(shù)

表5 材料導熱系數(shù)確定

根據(jù)1.2.2計算的損耗值，電機各種部件損耗的熱生成率如下表6所示（為了簡化，風摩耗并入定子鐵耗、機械耗并入轉子鐵耗）：

表6 電機各部件熱生成率

根據(jù)技術要求，冷卻水流量為60 L/min，水道截面積約為285 mm2，由此計算的冷卻水流速約為3.5 m/s，入水口水溫設置為85℃。

3.2仿真結果及分析

1）定子鐵心溫度場仿真結果如圖6所示，定子鐵心最高溫度為156.3℃，最低溫度為92.26℃，扣除環(huán)境溫度85℃，定子鐵心溫升最高為71.3K。

2）定子繞組溫度場仿真結果如圖7所示，定子繞組最高溫度為172.3℃，在繞組端部位置；最低溫度為136.7℃，扣除環(huán)境溫度85℃，定子繞組溫升最高為87.3K。

3）轉子溫度場仿真結果如圖8所示，轉子最高溫度為162.5℃，；最低溫度為149.3℃，扣除環(huán)境溫度85℃，轉子溫升最高為77.5K。

圖6 定子鐵心溫度分布

圖7 定子繞組溫度分布

圖8 定子繞組溫度分布

4）永磁體溫度場仿真結果如圖9所示，永磁體最高溫度為162.2℃，最低溫度為153.2℃，扣除環(huán)境溫度85℃，永磁體溫升最高為77.2K。

圖9 永磁體溫度分布

圖10 水道溫度分布

5）水道溫度場仿真結果如圖10所示，水道入水口溫度為85℃，出水口溫度為90.3℃。

6）空氣域溫度場仿真結果如圖11所示，空氣域最高溫度為172.3℃，最低溫度為90.2℃。

圖11 水道溫度分布

從上面的仿真結果可以看出，在環(huán)境溫度（冷卻水）為85℃的情況下，定子繞組的最高溫度為172.3℃，與C級絕緣的極限溫度220℃仍有近50℃的裕量；永磁體最高溫度為162.2℃，而釤鈷材料的工作溫度可達250℃，因此不存在不可逆退磁的風險。

4 結論

溫度分析與計算是高功率密度電機設計的關鍵步驟，本項目以驅動用350kW永磁同步電動機為對象，借助ANSYS軟件，對其損耗分析、熱建模及溫度場仿真進行了研究，突破了變流器控制下永磁電機損耗分析、三維熱建模、邊界條件設置、溫度場仿真等關鍵技術，所得到的溫度場仿真結果對電機的設計起到了重要的支撐作用，也為類似水冷電機的溫度場分析提供了途徑。

參考文獻：

[1] 梁培鑫, 裴宇龍, 甘磊, 柴鳳.高功率密度輪轂電機溫度場建模研究[J]. 電工技術學報, 2015（14）: 170-176.

[2] 張琪, 魯茜睿, 黃蘇融, 張俊. 多領域協(xié)同仿真的高密度永磁電機溫升計算[J]. 中國電機工程學報. 2014(12): 1874-1881.

[3] 李立毅, 張江鵬, 趙國平, 于吉坤, 閆海媛. 考慮極限熱負荷下高過載永磁同步電機的研究[J]. 中國電機工程學報, 2016(03): 845-852.

[4] 楊永平, 華銘. 電動機損耗的比例變化規(guī)律及其對策[J]. 防爆電機, 2012(02): 189~194.

[5] 邢軍強, 王鳳翔, 張殿海, 孔曉光. 高速永磁電機轉子空氣摩擦損耗研究[J]. 中國電機工程學報, 2010(27): 282~289.

[6] 陳益廣, 鄭軍, 魏娟, 鄭再平, 郭喜彬. 舵機用永磁同步電機的設計與溫度場分析[J]. 電工技術學報, 2015(14): 353~358.

Thermal Modeling and Simulation of Permanent Magnet Driving Motor Based on ANSYS

Ma Changjun1, Gao Jian2, Liu Bo2, Zhang Wenjuan3, Gai Jiangtao1

(1. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100062, China; 2. Hunan University, Changsha, 410082, Hunan, China; 3. Changsha University, Changsha 410002, Hunan, China )

TP311

A

1003-4862（2016）10-0009-05

2016-07-06

國家自然科學基金（No.51407065）

馬長軍(1982-)，男，副研究員。研究方向：永磁電力傳動技術。