电动汽车驱动电机冷却结构设计及温度场分析

电动汽车驱动电机冷却结构设计及温度场分析

发表时间：2018-08-22T11:11:24.983Z 来源：《电力设备》2018年第14期作者：王健王云鹏李武[导读] 摘要：本文给出一种实际工程应用的电动汽车驱动电机并联型冷却水路结构，相对于传统螺旋形水套，降低流阻效果显著。然后利用热网络法，研究电机装配间隙及槽内浸漆程度对温度场的影响。接下来建立电机整机三维有限元模型，研究整个电机温度分布情况。最后通过实验对两种仿真方法进行验证。

(上海汽车集团股份有限公司技术中心上海 201804) 摘要：本文给出一种实际工程应用的电动汽车驱动电机并联型冷却水路结构，相对于传统螺旋形水套，降低流阻效果显著。然后利用热网络法，研究电机装配间隙及槽内浸漆程度对温度场的影响。接下来建立电机整机三维有限元模型，研究整个电机温度分布情况。最后通过实验对两种仿真方法进行验证。

关键词：永磁同步电机并联型水路 LPTN 有限元法 Cooling structure design and temperature field analysis of electric vehicle driving motor Wang Jian1 Wang Yunpeng1 Li Wu1 (1.SAIC Motor Technical Center，Shanghai，201804) Abstract: In this paper, a parallel cooling water circuit structure used in EV’s driving motor is presented. Compared with the traditional spiral water jacket, the effect of reducing flow resistance is remarkable. Then the thermal network method is used to study the influence of the motor assembly gap and the degree of paint dipping on the temperature field. Next, the three-dimensional finite element model is established to study the temperature distribution of the whole motor. Finally, two simulation methods are verified by experiments. Keywords: PMSM Parallel cooling water circuit LPTN Finite element method

0 引言

目前国际上新能源汽车发展如火如荼，电动汽车驱动电机研究越来越受到人们的普遍关注，永磁同步电机更是其中翘楚。越来越高的功率密度和转矩密度需求，使得永磁同步电机热场研究成为了电机设计和校验的重要一环[1]。本文结合实际工程，对一款电动汽车用永磁同步电机流体场和温度场进行耦合研究，并通过实验证明了工程研究方法的准确性，具体内容包括以下几个方面： 1）结合流体动力学理论，对比分析并联型水路相对于传统水路结构的优势； 2）研究热网络法计算电机温度场准确性的影响因素； 3）三维有限元法计算电机温度场准确性研究。

1 并联型水路

本节旨在研究并联型水路结构相对于传统水路结构（周向螺旋形）在车用电机上的优势，主要从水路流阻方面考虑。

1.1 流体动力学及热场数学模型

对于一般不可压缩粘性流体稳态问题，伯努利方程在解决实际工程问题中有及其重要的作用[2]，并且应用广泛，其方程为：

式(2)中：T为物体边界面温度；qv求解域内各热源总和；λr、λφ、λz分别为材料沿r、φ以及z方向的导热系数；S为流体与固体材料交界面；Tf为流体温度；α为表面散热系数。

1.2 仿真模型

传统机壳水冷常用周向螺旋型和轴向“Z”字型水路，轴向“Z”字型水路由于弯折角多，局部压降大，通常在实际工程中多采用的周向螺旋型水路。周向螺旋型水路进出水口分布在电机两侧，位置不方便进行调节，在目前电机-控制器-减速器集成的系统中，有一定的劣势。基于螺旋型水路，本文给出一种并联型水路结构，进出水口位置便于调节，并且降低水路的流阻。水路结构图如图1-1所示，分别为螺旋型水路和并联型水路。

2 LPTN法研究电机温度场

在前期电机开发阶段，电机电磁性能的设计通常需要快速的对电机热负荷进行评估，集中参数热网络法（Lumped Parameter Thermal Network ,LPTN）便应运而生[4]。LPTN对比于简单热路法，热节点比较丰富，可以获取同一部件不同位置温升状况；对比于三维有限元法，LPTN计算速度快，并且对电机模型参数化控制程度更高。

以一台峰值功率为60kW，最高转速12000rpm的永磁同步电机为研究对象，采用并联型水路结构，利用热网络法研究经验参数在快速计算电机温度场中的重要性。目标电机的基本参数(损耗数据是电机工作在4500rpm工况)，如表2-1所示，电机转速较低，机械损耗暂时不考虑。

2.1 热网络模型参数等效

首先，为方便热网络模型的建立，电机部件的几何形状必须尽量规则，便于热阻、热容等参数的计算，形状简化的原则是保证热传递路径上热参数不变。其次，为方便热参数计算，对于电机关键位置进行等效意义重大。

2.1.1 绕组等效

在电机温度场研究计算过程中，电机槽内温升及绕组温度分布规律是关注的重点。电机槽内温度较高，加速电机槽内绝缘老化，降低电机寿命和可靠性；另一方面，槽内绝缘的分布对电机温度场分布也有很大影响。

槽内绝缘和绕组分布规律复杂，通常在计算过程中都需要做等效处理。本文中采用常见的绕组和绝缘分层等效方法，等效示意图如图

2-1所示。