基于Ansys Workbench雅阁ISG温度场仿真分析

基于Ansys Workbench雅阁ISG温度场仿真分析

李新华1杨国威1李哲然2

（1．湖北工业大学电气与电子工程学院，430068；

2．华中科技大学控制科学与工程系，430074）

摘要：本文研究基于Ansys Workbench ISG温度场仿真方法，在此基础上使用Ansys Workbench

软件对本田Accord ISG不同工况下的温度场进行仿真，并与电枢绕组温升试验结果做比较，同时

讨论电机温度对转子磁钢和磁桥结构的影响。

关键词：ISG，Ansys Workbench，温度场仿真，应力分析

Accord ISG Temperature Field Simulation Based on

Ansys Workbench

LI Xinhua1，YANG Guowei1，LI Zheran2

（1．School of Electrical & Electronic Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan

430068，China

2．Department of control science and Engineering，Huazhong University of Science and

Technology，Wuhan 430074，China）

Abstract:In this paper，ISG temperature field simulation method is researched based on Ansys Workbench．On this basis, the temperature field of the Honda Accord ISG different operating conditions are simulated by Ansys Workbench．And it is compared with the armature winding temperature rise test results．The impact of the motor temperature of the rotor magnet and the magnetic bridge structure are also discussed．

Keywords:ISG，Ansys Workbench，temperature field simulation，stress analysis

1 引言

轻度混合动力汽车集成式起动-发电机ISG（ISG: Integrated Starter Generator）功率和转矩密度高、运行工况多变、特别是工作环境温度高、散热条件差，这些都给电机设计带来了新的挑战，仅按有常规的电磁设计是不够的，还需要对其进行温度场的仿真分析与设计。

本田汽车公司的雅阁（Accord）混合动力汽车采用中度混合（mild hybrid），即并联混合动力方案，发动机与电动机同轴，传动结构简单，与普通汽车引擎室差别不大。据本田厂方数据，Accord混合动力汽车在城市路况下百公里综合油耗仅为8.1升，这对于一台3.0升6缸引擎来说已经相当不易了。Accord ISG是一款在业界具有广泛影响的电机。该电机为16极/24槽配合永磁同步电机，采用组合式定子铁心结构，q=0.5分数槽集中绕组，见图1；转子为内置式

V 形磁钢（接近一字形），每极有3个磁桥，两极之间有V 形沟，见图2[1]。

目前电机温升计算方法有三种，即简化公式法[2]、等效热路法[3]和温度场法[4-5]。简化公式方法比较简单，只能计算电机的平均温度，计算结果不太精确；等效热路法计算精度比简化公式法高，但要提高计算精度，需要增加网络节点和热阻数，计算工作量大大增加；温度场法采用现代数值方法来求解热传导方程，将求解区域离散成许多小单元后，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。温度场法是一种快速和准确的数值计算方法，是现代电机温升计算的主流方法。本文首先研究基于Ansys Workbench ISG 温度场仿真方法，在此基础上使用Ansys Workbench 软件对本田Accord ISG 不同工况下的温度场进行仿真，并与电枢绕组温升试验结果做比较，同时讨论电机温升对转子磁钢和磁桥结构的影响。

2 温度场仿真方法

电机内部存在损耗导致电机发热，使其温升增高。电机内部损耗的组成比较复杂，但主要是铜耗和铁耗。本文研究铁耗和铜耗所引起的电机发热。铜耗可按路的方法计算，而铁耗必须用有限元方法来计算。

电机铁耗由定子铁耗和转子铁耗两部分构成。对于同步运行ISG 电机，由于转子铁耗较小，从简化ISG 温度场仿真的角度出发，可以认为定子铁心内各处铁耗密度相等，即视定子铁心内为均匀磁场，且只考虑定子铁心内的铁耗。

然而由于电机定子铁心各处磁密并不相同，定子铁心各处的铁耗密度也会不一样；另一方面，谐波磁场也会在转子铁心中产生一定铁耗。如果均值铁耗密度代入进行电机温度场仿真会有一定误差。为了考虑上述问题，可以采用Ansoft 二维有限元与Ansys Workbench 联合仿真方法分析电机中的温度场，基本步骤如下：

第一步：计算电机给定工况下的内热源，铁耗通过二维有限元动态仿真计算，即根据已知数据建立二维有限元铁耗模型并进行给定工况下ISG 的铁耗仿真；

图1 Accord ISG 组合定子铁心

图2 Accord ISG 转子

第二步：建立ISG 三维温度场有限元模型，将该模型和第一步铁耗仿真结果导入Ansys Workbench 软件；

第三步：给定边界条件，在Workbench 环境下进行三维有限元温度场仿真。 根据文献[6-7 ]提供的数据建立Accord ISG 的1/8二维有限元铁耗模型（见图3）并仿真；应用Solidworks 软件建立ISG 三维温度场模型（见图4），并将该模型和第一步给定工况下ISG 铁耗仿真结果导入Ansys Workbench 软件中，图5为最高转速工况时导入后的铁耗分布。图6（a ）为该工况下铁耗不均匀分布时定子温度场的仿真结果。如果视铁耗为均匀分布，可将内热源计算结果直接施加于ISG 三维温度场模型并仿真，仿真结果见图6（b ）。

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从图6可以看出，铁耗均匀分布时，定子最高温度出现在定子齿中心，达195°C ，且每个齿的温度分布相同，但这只是一种近似算法。铁耗不均均匀分布时，定子最高温度出现在定子齿边缘，达197.7°C ，且每个齿的温度分布并不相同，显然，铁耗不均均匀分布时温度磁场的仿真结果更接近于实际情况，但数据导入比较费时。以上两种方法温度场最高温度计算结果比较接近，定子最高温度误差只有1.4 %。 图3 1/8铁耗计算模型

图6 Accord ISG 最高转速工况时定子温度场的仿真结果

（a ）铁耗不均匀分布

（b

）铁耗均匀分布

图4 三维温度场计算模型

图

5最高转速工况时的铁耗分布