王淑旺, 譚立真, 高月仙

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于NEDC工況的電動汽車驅(qū)動電機溫度場分析

王淑旺, 譚立真, 高月仙

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章圍繞一臺額定功率為15 kW的電動汽車驅(qū)動電機,基于傳熱理論建立其三維溫度場求解域模型；通過有限元仿真分析,得到了電機工作在額定工況下的溫度分布,并對電機運行NEDC循環(huán)工況下的溫度場進行仿真分析；近似模擬了車輛行駛過程中的電機實時溫升；最后搭建了電機溫升試驗平臺,對電機溫升仿真值與實驗值進行對比分析,結(jié)果表明誤差不超過5%,驗證了該文仿真的準(zhǔn)確性。

永磁同步電機;溫度場;額定工況;NEDC循環(huán)工況

0 引 言

為解決環(huán)境污染、能源短缺等問題以及增強國家競爭力,世界各國大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)[1]。永磁同步電機作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、功率密度大等特點。電機在運行過程中會產(chǎn)生大量的損耗[2],導(dǎo)致電機溫度升高,而過高的溫度會使永磁體退磁、加速繞組絕緣老化、增加電機熱應(yīng)力等,進而影響電機效率、使用壽命及運行可靠性等[3]。因此,準(zhǔn)確分析車用永磁同步電機內(nèi)溫度分布規(guī)律對電機的研發(fā)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

近年來,針對電機的溫度場,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了大量研究。文獻[4]圍繞電動汽車驅(qū)動電機,基于熱網(wǎng)絡(luò)法分析計算了電機熱容、熱阻、熱源以及邊界條件,研究了電機在額定工況下的瞬態(tài)溫度場;文獻[5]基于磁場有限元和3D流體場分析,計算了一臺高速永磁電機的損耗,并基于流固耦合方法對電機的溫度場進行了研究;文獻[6]基于熱網(wǎng)絡(luò)法和有限元法,計算了車用風(fēng)冷和水冷感應(yīng)電機溫升場,并優(yōu)化了冷卻結(jié)構(gòu);文獻[7]以一臺農(nóng)用電動汽車用風(fēng)冷永磁同步電機為研究對象,采用有限元法計算了電機三維瞬態(tài)溫度場,并進行了連續(xù)額定工況下的溫升試驗。以上研究主要針對電機工作在某一個或幾個轉(zhuǎn)速固定工況下的溫度場,而對于車用電機工作在車輛行駛過程中轉(zhuǎn)速不斷變化下的溫度場的研究還較少。

本文以一臺額定功率為15 kW的純電動汽車用風(fēng)冷永磁同步電機為例,計算了電機工作在額定工況和新歐洲循環(huán)(new European driving cycle,NEDC)工況下的損耗值;建立了溫度場求解模型,對2種工況下電機內(nèi)三維溫度分布進行仿真分析,并分析了2種工況下電機內(nèi)關(guān)鍵部分的溫升特性;最后搭建電機溫升試驗平臺,以驗證仿真的準(zhǔn)確性。

1 電機參數(shù)與工況選擇

1.1 電機參數(shù)

本文以一臺額定功率為15 kW、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的車用永磁同步電機為研究對象,其型號為TZ210X01,電機包含散熱翅結(jié)構(gòu),散熱方式采用自然冷卻,該電機的基本參數(shù)見表1所列。

表1 電機基本參數(shù)

1.2 工況選擇

已有的電機溫度場研究主要以額定工況為主。為了準(zhǔn)確掌握車用電機運行過程中的溫升情況,本文同時研究額定工況與行駛工況下的電機散熱性能。

采用NEDC工況模擬車輛行駛工況。NEDC工況[8]分為2個部分,分別為低速低負(fù)荷的市區(qū)工況(urban driving cycle,UDC)和高速高負(fù)荷的市郊工況(extra urban driving cycle,EUDC),兩者比例為4∶1。NEDC工況比較接近車輛的實際行駛工況,其車速-時間曲線如圖1a所示。根據(jù)整車基本參數(shù)與性能指標(biāo),對所研究的電機進行參數(shù)匹配[9],得到NEDC工況下的電機轉(zhuǎn)速-時間曲線,如圖1b所示。

由圖1可知,NEDC工況下車用電機工作在不斷啟動、加速與減速的狀態(tài),在該狀態(tài)下電機轉(zhuǎn)速不斷發(fā)生變化,進而導(dǎo)致電機內(nèi)溫度不斷變化。因此,進行基于NEDC工況的電機溫度場分析,能更準(zhǔn)確地掌握電機實時溫升,對電機的設(shè)計具有實際意義。

圖1 NEDC工況

2 模型確定與求解條件

2.1 物理模型

本文的研究對象為車用永磁同步電機,其物理模型包括機殼、端蓋、定子鐵芯、絕緣層、繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體以及轉(zhuǎn)軸等,為減少計算成本,對模型進行簡化。由于電機具有對稱性,取模型整體的1/8進行研究。在Pro/E三維軟件中建立電機的1/8模型如圖2所示。

1.后端蓋 2.機殼 3.繞組 4.絕緣層 5.永磁體

2.2 數(shù)學(xué)模型

對所研究的電機三維溫度場進行數(shù)值分析并建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)傳熱學(xué)基本理論知識,介質(zhì)各向異性,在直角坐標(biāo)系下的求解域內(nèi)三維瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程及其邊界條件[10]可以表示為:

(1)

其中,λ為物體導(dǎo)熱系數(shù);λx、λy、λz分別為物體在x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù);qv為熱源密度;ρ為物質(zhì)密度;c為物質(zhì)比熱容;t為時間;S1、S2、S3為物體邊界;q0為通過邊界S2的熱流密度;T為物體溫度;T0為邊界S1的溫度;Te為邊界S3介質(zhì)的溫度;α為散熱表面對流換熱系數(shù)。

2.3 電機內(nèi)熱源的確定

電機內(nèi)熱源的確定是熱仿真的重點與難點。電機內(nèi)熱源主要來自繞組銅耗、定子鐵芯鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵芯鐵耗、永磁體損耗以及機械損耗,其中機械損耗在車用電機總損耗中所占比例較小,本文不予考慮。

三相繞組通電時發(fā)熱產(chǎn)生的銅耗大小為:

(2)

其中,I為每相繞組電流有效值;R為每相繞組電阻值。電機運行過程中鐵芯會產(chǎn)生磁滯損耗、渦流損耗以及異常損耗,本文采用Berttotti鐵耗分離模型,其單位質(zhì)量計算公式[11]為:

P=KhfB2+Kcf2B2+Ktf1.5B1.5

(3)

其中,Kh、Kc、Kt分別為磁滯損耗、渦流損耗、異常損耗的系數(shù);f為交變電流頻率;B為磁密幅值。永磁體散熱效果差,其渦流損耗小卻不容忽視,體積為V的永磁體渦流損耗Pemav計算公式[11]為:

(4)

其中,J為永磁體渦流密度;J*為J的共軛;σ為永磁體的電導(dǎo)率。

利用有限元軟件對電機磁場進行仿真,經(jīng)分析和計算得到額定工況下電機各部分的損耗值,見表2所列。NEDC工況下電機各部分的損耗值如圖3所示。

表2 額定工況下各部分的損耗值 W

圖3 NEDC工況下電機的損耗

2.4 模型等效與熱參數(shù)求解

電機熱仿真過程中需要對絕緣層、定轉(zhuǎn)子間氣隙及定子鐵芯與機殼的接觸熱阻進行等效處理,具體可參考文獻[11]。本文研究對象為風(fēng)冷永磁同步電機,冷卻方式為自然冷卻。電機主要散熱系數(shù)包括機殼外表面散熱系數(shù)與電機內(nèi)零部件端部散熱系數(shù),其求解可參閱文獻[10,12]。

3 溫度場仿真分析

3.1 基本假設(shè)

對電機溫度場進行仿真時,為簡化分析,需要做出如下基本假設(shè):① 繞組端部采用平直化處理;② 絕緣層和鐵芯緊密結(jié)合在一起;③ 導(dǎo)熱系數(shù)、散熱系數(shù)不隨溫度變化;④ 不考慮電機的輻射換熱;⑤ 不考慮機械損耗對電機換熱的影響;⑥ 各損耗均勻分布在相應(yīng)物體上;⑦ 初始時環(huán)境溫度設(shè)為30 ℃。

3.2 額定工況下電機溫度場仿真與分析

根據(jù)計算的熱源、散熱系數(shù)等邊界條件,利用有限元仿真軟件對電機工作在額定工況下的溫度場進行仿真,達到穩(wěn)定時的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 額定工況下電機溫度場云圖

圖4中,溫升按從大到小排列依次為繞組、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、機殼、軸、端蓋;其中最高溫度為89.606 ℃,位于繞組端部;最低溫度為67.732 ℃,位于后端蓋處。

電機運行過程中主要熱源為銅耗、定子鐵芯損耗、轉(zhuǎn)子鐵芯損耗以及永磁體損耗,其中銅耗和定子鐵芯損耗較大,這導(dǎo)致繞組和定子鐵芯的溫升較大、轉(zhuǎn)子鐵芯與永磁體溫升較小。電機熱量主要通過殼體的散熱翅對流換熱,定子鐵芯與機殼接觸,其散熱條件相對較好；而繞組外層為絕緣材料,其導(dǎo)熱系數(shù)較小,且繞組端部與空氣接觸,散熱條件差,因此繞組溫升比定子鐵芯溫升高。

3.3NEDC工況下電機溫度場仿真與分析

車輛實際運行過程復(fù)雜,其驅(qū)動電機不可能始終工作在額定工況,故有必要對電機工作在NEDC工況下的溫度場進行研究。本文采用NEDC工況模擬車輛實際行駛過程,以期掌握電機在行駛工況下的實時溫升。為更貼合實際,電機在NEDC工況下運行3個循環(huán),最終溫度分布云圖和溫升曲線如圖5所示。

(b) 電機溫升曲線

由圖5可知,電機運行3個NEDC循環(huán)工況溫度最高達到80.371 ℃,其中繞組溫升最高,定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體溫升次之且比較接近。NEDC工況下,UDC段繞組溫升明顯,EUDC段定子鐵芯溫升明顯。這是因為UDC下電機不停地啟動需要較大的轉(zhuǎn)矩,繞組電流較高,所以銅耗較大；而EUDC下電機高速運轉(zhuǎn),電機內(nèi)磁場隨之不斷變化,導(dǎo)致鐵芯損耗較大?？傮w來說,UDC段電機溫度最后趨于波動平衡狀態(tài),EUDC段電機溫度繼續(xù)上升。因此車輛行駛在市區(qū)路況電機溫升滿足要求,但不可長時間高速行駛在市郊路況。

本文通過對電機工作在NEDC工況的溫度場仿真分析,近似模擬了電機工作在行駛工況下的溫度變化。

4 溫升試驗與仿真對比

為了驗證上文電機工作在額定工況與NEDC工況下溫度場仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文搭建了電機溫升綜合試驗平臺,其設(shè)備主要包括電機、控制器以及測功機等。由于電機繞組端部溫升具有代表性,可將溫度傳感器埋置于該處測量電機的實時溫升。

4.1 額定工況下試驗值與仿真值對比分析

連接、調(diào)試設(shè)備后,通過上位機設(shè)置電機的額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,額定功率為15 kW,最終測得電機工作在額定工況下的溫升曲線,并與仿真曲線對比,如圖6所示。由圖6可知,電機在前1 200 s溫度上升較快,在1 200～3 600 s之間溫度上升緩慢,最后趨于穩(wěn)定。試驗中繞組端部最高溫度為86.435 ℃,而對應(yīng)的仿真最高溫度為89.606 ℃,試驗值與仿真值誤差為3.5%,因此額定工況下的電機溫升仿真具有一定的準(zhǔn)確性。

圖6 額定工況繞組溫升曲線

4.2 NEDC工況下試驗值與仿真值對比分析

在控制器中編入NEDC工況程序,連接、調(diào)試設(shè)備后,通過上位機將電機的轉(zhuǎn)速、功率設(shè)置為NEDC工況下的值,運行3個NEDC循環(huán)工況,最終測得電機工作在NEDC工況下的溫升曲線,并與仿真曲線對比,如圖7所示。

圖7 NEDC工況繞組溫升曲線

由圖7可知,NEDC工況下電機繞組端部溫升曲線趨勢比較接近,且最高溫度仿真值比試驗值大3.7 ℃,誤差為4.6%,因此，NEDC工況下電機溫升仿真結(jié)果具有一定的可信度。

5 結(jié) 論

本文以一臺額定功率為15 kW的車用風(fēng)冷永磁同步電機為例,仿真求解了電機工作在額定工況與NEDC工況下的溫度場;并搭建溫升試驗平臺進行測試,驗證了仿真的準(zhǔn)確性。對NEDC工況下的電機溫度場分析,近似模擬了電機工作在行駛工況下的溫度變化,具有一定的實際意義。

[1] 楊方,張義斌,葛旭波.中美日電動汽車發(fā)展趨勢及特點分析[J].能源技術(shù)經(jīng)濟,2011,23(7):40-44.

[2] 徐長明.電動車用電機損耗及溫度分析[D].錦州:遼寧工業(yè)大學(xué),2013.

[3] 宋俊.短時高過載永磁電機熱可靠性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[4] 何磊,王心堅,宋國輝.基于熱阻網(wǎng)絡(luò)法的電機瞬態(tài)溫度場分析[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,32(2):187-190.

[5] 孔曉光,王鳳翔,邢軍強.高速永磁電機的損耗計算與溫度場分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012,27(9):166-173.

[6] 程樹康,李翠萍,柴鳳.不同冷卻結(jié)構(gòu)的微型電動車用感應(yīng)電機三維穩(wěn)態(tài)溫度場分析[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(30):82-90.

[7] JOO D,CHO J H,WOO K,et al.Electromagnetic field and thermal linked analysis of interior permanent-magnet synchronous motor for agricultural electric vehicle [J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(10):4242-4245.

[8] 彭慶豐,趙韓,尹安東,等.電動汽車制動能量回收控制策略設(shè)計與仿真[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,36(12):1409-1413.

[9] 尹安東,楊峰,江昊.基于iSIGHT的純電動汽車動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,36(1):1-4,92.

[10] 邰永,劉趙淼.感應(yīng)電機全域三維瞬態(tài)溫度場分析[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(30):114-120.

[11] 劉蕾,劉光復(fù),劉馬林,等.車用永磁同步電機三維溫度場分析[J].中國機械工程,2015,26(11):1438-1444.

[12] 趙飛.純電動汽車用永磁電機溫度場分析[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2013.

(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Analysis of temperature field of drive motor in electric vehicles based on NEDC condition

WANG Shuwang, TAN Lizhen, GAO Yuexian

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In this paper, taking a drive motor in electric vehicles with a rated power of 15 kW as an example, its three-dimensional temperature field solution domain model was built based on the theory of heat transfer. By the finite element simulation analysis, the motor temperature distribution at rated condition was obtained, the simulation analysis of motor temperature field at new European driving cycle(NEDC) condition was carried out, and the real-time motor temperature rise during vehicle running was simulated approximatively. Finally, the motor temperature test platform was set up, and a comparison between motor temperature simulation values and experimental values was made. The results show that the error does not exceed 5%, which verifies the accuracy of the simulation in the paper.

permanent magnet synchronous motor(PMSM); temperature field; rated condition; new European driving cycle(NEDC) condition

2015-12-09；

2016-01-12

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2013BAG13B00)

王淑旺(1978-),男,山東泰安人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.01.002

TM351

A

1003-5060(2017)01-0007-05