纯电动汽车用永磁同步轮毂电机温度场仿真研究

第29卷第4期江苏理工学院学报
JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vo l.29，No.4Aug.，2023
2023年8月
随着纯电动汽车产业链的不断升级和完善，作为纯电动汽车动力源的电机也在不断发展。

研发高性能电机既是我国对纯电动汽车技术自主可控的追求，也是相关汽车产业优化升级的必要条件，其中，永磁同步电机因其高效率、高功率的特点而受到技术人员的青睐[1]。

当前，永磁同步轮毂电机在纯电动汽车上作为驱动电机使用，因其处于长期工作状态，电磁损耗会增加；且电机自身安装位置狭小，易导致散热不畅，使温升较高。

电机温升过高一方面会导致铜线绝缘漆、定子槽绝缘失去绝缘效果，从而影响电机的寿命；另一方面，会影响电机转子永磁体的性能，使得电机磁场不稳定[2]。

因此，对于纯电动汽车用永磁同步轮毂电机设计，不仅需要考虑电磁和结构问题，而且还需要进行温度场仿真验证。

电机温度场仿真的重点在于三个方面：（1）热
源-电机损耗计算的准确性；（2）电机仿真三维模型的简化与等效；（3）交互边界条件-对流换热系数的计算。

在热源计算方面，一般使用Bertotti 等学者[3]提出的模型计算电磁损耗作为热源。

在仿真模型简化等效方面，胡俊民等人[5]建立了电机的定子和绕组模型，利用传热学原理对定子和绕组进行简化和等效，并进行温度场分析；但是，其研究并未考虑到永磁体涡流损耗和转子损耗对电机温度场的影响。

张琪等人[4]基于某款轮毂电机，简化电机的绕组、槽绝缘等相关薄片层以及定、转子铁芯模型，通过试验，验证了模型简化方法的正确性；然而，其研究并没有考虑到永磁同步轮毂电机在纯电动汽车上的使用情况。

王剑波等人[6]以某款电动汽车性能参数为目标，以集中驱动式的内转子电机为研究对象，使用等效热网络法分析了该电机关键节点的温度分布；其研究虽然考虑到
纯电动汽车用永磁同步轮毂电机温度场仿真研究
收稿日期：2022-07-22
基金项目：江苏省高校自然科学基金重大项目“混合动力双带式全电调节CVT 传动效率优化及匹配控制策略研究”
（22KJA580002）；江苏理工学院研究生实践创新计划项目“纯电动汽车电机变速器集成控制策略研究”（XSJCX21_44）
作者简介：王青松，硕士研究生，主要研究方向为纯电动汽车轮毂电机温度场仿真。

通讯作者：张兰春，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为新能源汽车、汽车自动变速器及无级变速传动。

王青松，张兰春
（江苏理工学院汽车与交通工程学院，江苏常州213001）
摘要：在纯电动汽车上，永磁同步电机作为驱动电机使用，因其长期处于工作状态，电磁损耗增加，导致温升较
高；且电机自身安装位置狭小，造成散热不畅。

因此，对于纯电动汽车用永磁同步轮毂电机来说，进行温度场仿真研究非常必要。

基于fluent 对某6.5kW 永磁同步轮毂电机进行温度场仿真，针对以往电机温升仿真不考虑永磁体涡流损耗和转子铁芯损耗的问题，研究了两种损耗对电机温度场的影响，得到了轮毂电机温度场的分布规律，为后续轮毂电机冷却水道的设计提供了依据。

关键词：纯电动汽车；有限元；温度场；永磁同步电机中图分类号：TM301.4
文献标识码：A
文章编号：2095-7394（2023）04-0080-07
了永磁同步电机在纯电动汽车上的使用，但是，热网络法并不能显示出电机的温度分布情况，无法为冷却水道的设计提供参考。

针对上述问题，本文将某型永磁同步轮毂电机作为研究对象，分析永磁体涡流损耗和转子铁芯损耗对电机温度场的影响。

首先，使用Motor-CAD 创建电磁模型，计算出电机的损耗；然后，将电机的损耗以体热源的方式加载到fluent 软件三
维模型的相应位置，通过一系列的数值计算，简化仿真模型和仿真过程。

1电机参数
1.1性能参数
本文研究的电机是外转子永磁同步轮毂电机，如表1所示，为电机性能参数。

表1电机主要性能参数
参数额定功率P /kW 额定电流I/A 槽数Q 定子外径D o1/mm 轴向长度L /mm
数值6.542.52723076
参数额定电压U /V 额定转速n /（r ·min -1）
极数2P 定子内径D i1/mm 气隙δ/mm
数值330500243061
如图1所示，为通过Motor-CAD 建立的电磁模型在额定点的磁密云图。

1.2热物理参数
在电机温度场仿真中，需要设置的热物理参数主要包括导热系数λ、比热容C 以及密度ρ。

如表2所示，为电机主要部件的热物理参数。

2热源分析
一般情况下，电机运行的环境温度变化不大，
电机温升主要是由电机在输出动力过程中产生的电磁损耗所造成的；因此，将电磁损耗作为热源。

电磁损耗主要分为以下四类：铁芯损耗；绕组铜
耗；永磁体涡流损耗；机械损耗[7]。

图1
电机磁密云图
表2
材料热物理参数
部件铁芯机壳永磁体绕组槽绝缘绝缘漆
材料B20AT1200铝合金N42EH 铜绝缘纸聚酯亚胺
密度/（kg ·m -3）
7600279075008938700800
比热容/（J ·kg -1·K -1）
45087146038510001300
导热系数/（W ·m -1·K -1）
30.00202.407.60387.600.210.15
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2.1铁芯损耗
基于Bertotti等学者提出的铁耗分离模型，将铁耗（P fe）分为三种：磁滞损耗（P h）、涡流损耗（P e）和附加损耗（P a）。

磁滞损耗主要与交变磁化和旋转磁场相关；涡流损耗主要与变化磁场所感生的电流相关；铁心的附加损耗是由于定子的开槽以及气隙齿谐波而引起的。

可得表达式：
P fe=P h+P e+P a
=K h fB mα+K e f2B m2+K
a
f1.5B m1.5。

（1）其中：P fe是单位质量的铁损，单位为W/kg；K h、
K e、K
a
分别是磁滞损耗系数、涡流损耗系数和附加损耗系数；B m是气隙磁密幅值；f为磁场基波频率；a为经验系数，通常取经验常数为2。

2.2定子绕组铜耗
定子绕组损耗（P cu）主要为电机输出动力过程中电流流过绕组所产生的损耗。

通过焦耳-楞次定律可得，电机的绕组铜耗计算公式为[8-9]：
P cu=mI2R。

（2）其中：m为电机的相数；I为流过定子绕组的电流；R为电机运行过程中的电阻。

2.3永磁体涡流损耗
永磁体涡流损耗是电机在高速运转工况下，由磁场高次谐波在永磁体以及磁钢中感生出来的。

它会使永磁体升温，从而影响转子磁钢的磁通特性，进而使得永磁同步电机的动力输出不稳定。

永磁体的涡流损耗计算公式为[10]：
P m=L a VK m2fB m L b2
12p1(L a+L b)。

（3）
其中：L a为永磁体轴向长度；V为永磁体的体积；K m为电动势比例系数；f为磁场的交变频率；L b 为永磁体在充磁方向上的长度；p1为钕铁硼的电导率。

2.4机械损耗
一般将电机的机械损耗分为风摩损耗、轴承摩擦损耗等。

风摩损耗是因为转子高速旋转，带动电机内部空气对部件表面进行摩擦造成的，其与转子的转速相关。

轴承摩擦损耗是轴承在工作过程中与其他介质摩擦产生的，其与轴承类型、转速、负载大小、润滑剂、摩擦表面等因素均有关[5]。

本文主要验证永磁体损耗和转子损耗对电机温度的影响，在此不考虑机械损耗。

2.5有限元分析
根据电机的结构参数在Motor-CAD中进行仿真，从而得到电机额定工况下各部件的损耗数值。

如表3所示，为仿真结果。

为了研究纯电动汽车永磁体损耗和转子铁耗对电机温度场的影响，可将转子和永磁体损耗也考虑进来，将电磁损耗作为热源添加到电机的相应位置。

3温度场分析
3.1数学模型分析
根据传热学[11]理论，永磁同步轮毂电机的热源主要来自于电机的电磁损耗。

其中：一部分热量借助热传导作用传到临近的其他物体及相邻介质中；其他的热量则是通过热对流和热辐射，传递到周围的介质中。

在自然条件下，由于大部分热量都是通过热传导和热对流传递的，因此，可以忽略热辐射。

假设热量传递过程中无能量损失，传递过程遵循能量守恒、质量守恒定律，而且满足传热学方程。

在三维坐标系中，设x、y分别为电机的径向和切向坐标，z为电机的轴向坐标，建立电机温度
表3电机损耗数值分布
参数
电枢铜耗永磁体损耗定子铁芯损耗转子铁芯损耗
参数值W
334.300
3.840
33.460
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场方程式为：
ìíî
ïïï
ïïïïïλx ∂2T ∂x 2
+λy ∂2T ∂y 2+λz ∂2T ∂z 2
+Q v =pC ∂T
∂τ|
||-λ∂T ∂n s 1=q 0|||
-λ∂T ∂n s 2
=α(T -T e ）。

（4）其中：
λx 、λy 、λz 分别为电机相应部件沿x 、y 和z 方向的导热系数；Q v 为电机单位体积的热流密度；p 为部件的密度；
C 为部件的比热容；T 为电机的待求温度；
s 1、s 2分别为求解域的绝热壁面和对流散热壁面；n 为壁面的法向分量；α为散热系数；
T e 为对流散热壁面的温度。

由式（4）温度场计算模型可知，要想正确仿真模拟电机的温度场，必须知道电机相应部件的导热系数λx 、λy 、λz ，热边界的对流散热系数a 以及电机相应部件的热流密度Q v 。

式中，
Q v 可以根据下式算出：
Q v =P
loss V。

（5）
其中：
P loss 为电机各部件的损耗；V 为对应部件的体积。

3.2模型简化和参数计算
3.2.1定子绕组简化
在永磁同步电机中，绕组涉及到多个部件以
及材料，如槽绝缘、定子槽内空气、铜线绝缘漆等，计算量大；且相应部件难以建模，如槽绝缘是紧贴于定子的薄片结构，绝缘漆包裹在铜线表面等，这些结构无法精准建立模型，绕组的多层结构在flu-ent 中也很难划分网格。

因此，为了划分网格和节省模型计算的时间，就需要对绕组进行等效处理。

等效方法是相同体积等效，将铜线等效为一整块导体，将槽绝缘、槽内空气、绝缘漆等按体积等效为包裹在导体外侧的绝缘层。

如图2所示，为简化之后的模型。

根据传热学原理和体积相等原则，推导得到以下公式，从而计算出铜导体和绝缘层的物性参数。

λ=(d 1+d 2+d 3)·(d 1λ1+d 2λ2+d 3λ3
)-1
；（6）p =p 1V 1+p 2V 2+p 3V 3
V 1+V 2+V 3
；
（7）C =
C 1p 1V 1+C 2p 2V 2+C 3p 3V 3
p (V 1+V 2+V 3)
；
（8）d s =d 1+d 2+d 3。

（9）
其中：
d 1为槽绝缘材料的厚度；d 2为定子和槽绝缘材料的间隙厚度；
d 3为绝缘漆的厚度；d s 为等效绝缘层的厚度；λ1、λ2、λ3分别为对应材料的导热系数；
V 1、V 2、V 3分别为对应材料在槽内的体积；p 1、p 2、p 3分别为对应材料的密度。

如表4所示，为等效绝缘层和导体层的参数。

3.2.2定转子铁芯简化
定转子的铁芯是由硅钢片经过叠压而成的，且在硅钢片之间有绝缘材料间隔，硅钢片很薄，难以建模，所以需要将铁芯进行简化等效处理。

可将硅钢片和绝缘材料结合起来考虑，等效为具有不同导热系数的结合体，其密度和比热容等于原硅钢片。

等效铁芯的切向、径向和轴向的导热系
数计算为：
图2
简化后的绕组模型
表4
等效物性参数
物性参数等效绝缘层等效导体层
厚度d s /mm 0.75-
导热系数/（W ·m -1·K -1）
0.07387.60
比热容/（J ·kg -1·K -1）
1137385
密度/（kg ·m -3）
2618938
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λ1=(δFe +δin )(
δFe
λFe +δin λin
)-1=(K Fe λFe +1-K Fe λin
)-1；λ2=λ3=δFe λFe +δin λin
δFe +δin
=K Fe λFe +（1-K Fe )λin ；K Fe =
δFe
δFe +δin。

其中：λ1、λ2、λ3分别是铁芯的轴向、切向和径向的导热系数；λFe 是硅钢片的导热系数；λin 是硅钢片之间绝缘材料的导热系数；K Fe 是硅钢片的叠压系数，本文取0.95。

4
电机热边界条件计算
4.1
气隙散热系数
气隙空气是定转子之间热交换的介质，由于空
气跟着电机高速转动，在温度场计算时模拟转动空气的传热需要大量的计算资源。

因此，为了提高计算效率，通常将气隙空气视为静止空气，但是赋予其与旋转空气同样的散热系数。

等效过程如下：首先，计算电机在额定工况下气隙内流动空气的雷诺数[12]：
Re =ωφδ
v。

（13）
其中：ωφ为转子圆周速度，ωφ=2πnr o /60（n 为转子转速，r o 为转子内径）；δ为气隙长度。

然
后，与临界雷诺数进行对比，判定电机气隙的流动状态，临界雷诺数为2300。

本文中气隙为湍流状态，气隙的有效导热系数为：λeff =0.0019η-2.9084·Re
0.461ln ()
3.33361η。

（14）
其中，η=r o /R i （R i 为定子外径）。

4.2表面散热系数
电机内部温度场的热边界反映了部分部件在
空气中的散热能力，一般在fluent 中对相应部件表
面进行对流换热系数设置。

电机的主要散热表面包括定子端面、转子端面和机壳。

定子端面散热系数[13]的计算公式为：αs =15+v r 0.7。

（15）
其中：
αs 为定子端面的散热系数；v r 为转子内径上的线速度，单位m/s。

绕组端面散热系数[14]可以根据流体力学的相关原理推导，计算公式为：
αw =
N uc∙λair
d et
；（16）
N uc =ìíî
0.103R ec 0.66
（定子绕组外端面）0.456R ec 0.6
（定子绕组内端面）；（17）Rec =
πD r nd et
30u ；（18）d et =D sr +D r
2。

（19）
其中：αw 为定子端面的散热系数；
N uc 为努赛尔数，它是衡量端部绕组对流强度的无量纲数，可以根据雷诺数计算；λair 是空气的导热系数，取值为1.225，单位为kg/m 3；Rec 是定子绕组端部的雷诺数；d et 是定子绕组的等效直径，单位为m；D sr 和D r
分别是定子槽底直径和转子内径，单位为m。

机壳散热系数[15]的计算公式为：
αc =α0(1+k v
)。

（20）
其中：αc 为电机机壳表面的散热系数；αo 为机壳表面在自然环境下的散热系数，取αo =14；v 为机壳外部空气流动速度，取v =v 额定×0.8，v 额定是车辆运行的额定车速，单位为m/s；k 为空气流动效率，取k =0.5；T 为环境温度，单位为℃。

如表5所示，根据以上公式，可计算得到电机
对流散热面的散热系数。

5温度场有限元分析
在电机额定工况点6.5kW@500rpm 进行热
表5
电机边界系数
边界面名称绕组内表面定子端面
散热系数α/（W ·m -1·K -1）
10.3019.28
边界面名称绕组外表面机壳外表面
散热系数α/（W ·m -1·K -1）
19.8035.50
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（10）
（11）（12）
仿真分析。

为提升效率，减少运算时间，取电机的1/4模型进行计算。

如图3所示，为计算模型。

本文使用fluent-meshing 进行网格划分，如图4所示，为网格划分结果。

根据图4，一共有90115个面网格，最大外斜度为0.54；有205143个体网格，体网格质量为0.78。

如图5所示，为仿真之后得到的电机温度分布
图。

如表6所示，为电机温度数据。

6结论
对永磁同步轮毂电机温度场仿真结果进行分
析，得到以下结论：
（1）电机的温度分布呈两极分化，定子、
绕组
图3电机三维模型图4
体网格划分
（a ）定子、绕组温度分布图（b ）电机整体温度分布图
（c ）电机径向温度分布图图5电机温度分布图表6
电机温度数据
参数定子平均温度定子最高温度永磁体最高温度
温度/℃85.4986.1141.71
参数绕组平均温度绕组最高温度转子最高温度
温度/℃96.8898.0541.15
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和绝缘层的温度较高，机壳、转子和永磁体的温度较低。

究其原因：一方面，是因为气隙的低热导率有着隔热的作用，使定子、绕组的热量难以传递，形成两个温度区域；另一方面，是由于外转子电机的结构而造成，转子随着机壳一起转动，机壳、转子和永磁体的热量会被机壳表面的热对流所带走。

（2）由电机的温度径向分布图可知，越靠近圆心，温度越高，温度由内向外递减。

定子和绕组的温度是最高的，因此，在后续电机冷却水道的设计方面，应该注重定子和绕组的冷却问题。

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责任编辑
盛
艳
Simulation study on temperature field of permanent magnet synchronous
hub motor for pure electric vehicles
WANG Qingsong，ZHANG Lanchun
（School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China ）Abstract：For pure electric vehicles，permanent magnet synchronous motor is used as a driving motor.Because of its long-term working state，the electromagnetic loss increases，resulting in a higher temperature rise.Mean-while，the installation position of the permanent magnet synchronous hub motor is narrow，resulting in poor heat dissipation.Therefore，it is necessary to carry out temperature field simulation for permanent magnet synchronous hub motors for pure electric vehicles.Based on fluent，the temperature field simulation of a 6.5kW permanent magnet synchronous hub motor is carried out.Aiming at the problem that the eddy current loss of permanent mag-net and the core loss of rotor are not considered in the previous simulation of motor temperature rise，the influence of two losses on the temperature field of the motor is studied，and the distribution law of the temperature field of the hub motor is obtained，which provides basis for the design of the cooling water channel of the hub motor.Key words：Pure electric vehicles；finite element；temperature field；permanent magnet synchronous motor
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