永磁同步電機(jī)功率密度高、功率因數(shù)高、效率高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、噪聲小，是新能源汽車牽引電機(jī)的主流機(jī)型。該電機(jī)作為新能源汽車牽引系統(tǒng)的核心部件，其溫升直接影響牽引系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，對(duì)電機(jī)溫升的準(zhǔn)確計(jì)算和冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)于新能源汽車的安全性和可靠性具有非常重要的意義。

溫升計(jì)算常采用等效熱路法、等效熱網(wǎng)絡(luò)法、有限元法以及流固耦合法。

• 等效熱路法是借助電路理論集中參數(shù)的思想，將溫度場(chǎng)問(wèn)題等效為帶有集中熱源和熱阻的熱路來(lái)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)單，但得到的是電機(jī)各部分的平均溫度。
• 等效熱網(wǎng)絡(luò)法是基于場(chǎng)路結(jié)合原理，借助電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅碚撚?jì)算溫度場(chǎng)的一種方法，等效熱網(wǎng)絡(luò)法的計(jì)算精度較等效熱路法高。
• 有限元法計(jì)算精度高，可獲得電機(jī)溫度場(chǎng)分布及熱點(diǎn)位置，但其計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算機(jī)要求高。流固耦合法是溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)耦合，可計(jì)算出電機(jī)內(nèi)部、外部的流體流動(dòng)形態(tài)及其散熱系數(shù)，計(jì)算精度更高。

本文以一臺(tái)車用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了螺旋型、徑向Z字型、軸向Z字型三種不同水道的電機(jī)冷卻機(jī)殼模型，對(duì)比不同冷卻水道的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)，為樣機(jī)選取最優(yōu)的冷卻機(jī)殼結(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，基于流固耦合法對(duì)電機(jī)運(yùn)行在不同工況下以及不同冷卻水流速下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及該溫升仿真分析方法的正確性。

圖1 樣機(jī)照片

圖9 電機(jī)仿真模型

圖13 電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片

總結(jié)

本文以一臺(tái)額定功率20kW的車用永磁同步電機(jī)為例，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)比分析螺旋型、軸向Z字型、徑向Z字型三種冷卻水道結(jié)構(gòu)，綜合多方面考慮選取最優(yōu)的水道結(jié)構(gòu)——螺旋型水道。

建立電機(jī)的磁熱耦合有限元3D仿真模型，采用基于流固耦合模型的熱仿真分析電機(jī)在不同工況下的溫度場(chǎng)，結(jié)果說(shuō)明該電機(jī)各部分溫升均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

分析不同冷卻水流速時(shí)的電機(jī)溫升，選擇電機(jī)冷卻水道入口的最佳流速為0.45m/s。最后設(shè)定最佳流速作為樣機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)的入口流速，電機(jī)的溫升實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真與理論分析的正確性。