永磁同步电机温度场分析与水道结构优化
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Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭ ＳＭ ）；ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔ ｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ； ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ·ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
关键词 ：永磁 同步电机 ；边界条件 ；温度场 ；对流换热 系数 ；截面尺寸 ；水道 结构 中 图 分 类 号 ：ＴＭ ３５１ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７３￣５４０（２０１６）０７—００５１—０６
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｐｅｒｍ ａｎｅｎｔ Ｍ ａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍ ｏｔｏｒ ａｎｄ Ｗ ａｔｅｒ Ｊａｃｋｅｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
分 重要 的意 义 。 对温升的计算 ，国内外主要采用简化公式法 、
等效热路法 、数值计算法 Ｊ。等效热路法精度较 简化公式法高 ，但依 赖于所建模 型节点数 ；数 值计算法计算精度高 ，现 已得到广泛应用。 目前 要 准确 分 析 电机 温度 场还 存 在一定 困难 ，首 先 ，热 源 的准 确 确定有 一定 难度 ；其 次 ，绕 组 的简化 方 法 尚不成 熟 ；再 者 ，转 子 旋 转 问题 尚未 能 较 好 地 解 决 ＿５ Ｊ。电机 电磁 结 构 确定 后 ，温升 的主 要 影 响 因 素是冷却系统的设计 ，合理 的冷却结构对提高电
项 目基金 ：混合动力乘用车机 电耦合系统开发及产业化 （１５０１０２１００４） 作 者简介 ：王 淑旺 （１９７８一 ），男 ，博士 ，副教授 ，研究方 向为电动汽车 电驱动 系统和汽车 自动化装备 。
ⅣＧ Ｓｈｕｗａｎｇ． ＧＡ０ Ｙｕｅｘｉａｎ． ＴＡＮ Ｌ￣ｈｅｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ３０ ｋＷ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒ ｍ ａｌ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｄｅａｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ， ａｎ ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ ｍ ｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｅｑｕｉｖａ ｌ ｅｎｔ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒ ｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ
迫扎 再控 制应闭 ２０１６，４３（７）
研 究与设计 ＥＭＣＡ
永 磁 同步 电机 温 度 场 分 析 与 水 道 结构 优 化 木
王淑 旺 ， 高 月仙 ， 谭 立真 （合 肥 工业 大 学 汽 车与机械 工程 学院 ，安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要 ：以一台额定功率为 ３０ ｋＷ 的车用永磁 同步电机为 例 ，建 立三 维瞬态热 分析模 型 ，分 析散热边 界 条件 。针对定转子 问气 隙处理 问题 ，提 出一种 改进 的泰勒数判别 与计算等 效导热 系数 的方 法 ，合 理处理定 转 子间复杂 的对流换热情况 ，并进行试验验证 。根据传 热学和流体 力学 的理 论知识 ，建立对 流换热 系数 以及 压 降与水 道结构参数间 的关 系，给出一来自百度文库水道截面尺寸 的选择方法 ，结合 ＭＡＴＬＡＢ和 ＣＦＤ数值计算软件找 出合 适 的水 道结构截面尺寸范 围并进行仿 真 ，对实 际工程 中电机 的水 道结 构设 计具有一定的指导意义 。
ｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ—
ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆ ｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ＳＯ ａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｓｅｃｔｉｏｎａ ｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ
０ 引 言
电动 汽车 有 限的安 装空 间使 得 电机须 具 备较 高 的 功率 密度 和 效 率 ，加 之 复 杂 的路 况 和驾 驶 习 惯 等使 电机 运 行 工 况 十 分 复 杂 ，温 升严 重 。 电机 温升或局部温升过高 ，不仅会导致结构变形 ，还会 使 电 机 耐 压 和 绝 缘 性 降 低 ，严 重 影 响 使 用 寿 命 …。反之，则造成生产 过程 中材料 的浪费 ，增 加制 造成 本 。 因此 对 电机各 部 分温 升 的准确 计 算 以及 冷却 系统 的合 理设 计对 电机安 全运 行具 有 十
ｊａｃｋｅｔ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ＣＦＤ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｆ ｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｈｅｌｐ，ｗｈｅｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｄｅｓｉｇｎ．
关键词 ：永磁 同步电机 ；边界条件 ；温度场 ；对流换热 系数 ；截面尺寸 ；水道 结构 中 图 分 类 号 ：ＴＭ ３５１ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７３￣５４０（２０１６）０７—００５１—０６
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｐｅｒｍ ａｎｅｎｔ Ｍ ａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍ ｏｔｏｒ ａｎｄ Ｗ ａｔｅｒ Ｊａｃｋｅｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
分 重要 的意 义 。 对温升的计算 ，国内外主要采用简化公式法 、
等效热路法 、数值计算法 Ｊ。等效热路法精度较 简化公式法高 ，但依 赖于所建模 型节点数 ；数 值计算法计算精度高 ，现 已得到广泛应用。 目前 要 准确 分 析 电机 温度 场还 存 在一定 困难 ，首 先 ，热 源 的准 确 确定有 一定 难度 ；其 次 ，绕 组 的简化 方 法 尚不成 熟 ；再 者 ，转 子 旋 转 问题 尚未 能 较 好 地 解 决 ＿５ Ｊ。电机 电磁 结 构 确定 后 ，温升 的主 要 影 响 因 素是冷却系统的设计 ，合理 的冷却结构对提高电
项 目基金 ：混合动力乘用车机 电耦合系统开发及产业化 （１５０１０２１００４） 作 者简介 ：王 淑旺 （１９７８一 ），男 ，博士 ，副教授 ，研究方 向为电动汽车 电驱动 系统和汽车 自动化装备 。
ⅣＧ Ｓｈｕｗａｎｇ． ＧＡ０ Ｙｕｅｘｉａｎ． ＴＡＮ Ｌ￣ｈｅｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ３０ ｋＷ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒ ｍ ａｌ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｄｅａｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ， ａｎ ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ ｍ ｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｅｑｕｉｖａ ｌ ｅｎｔ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒ ｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ
迫扎 再控 制应闭 ２０１６，４３（７）
研 究与设计 ＥＭＣＡ
永 磁 同步 电机 温 度 场 分 析 与 水 道 结构 优 化 木
王淑 旺 ， 高 月仙 ， 谭 立真 （合 肥 工业 大 学 汽 车与机械 工程 学院 ，安徽 合肥 ２３０００９）
摘 要 ：以一台额定功率为 ３０ ｋＷ 的车用永磁 同步电机为 例 ，建 立三 维瞬态热 分析模 型 ，分 析散热边 界 条件 。针对定转子 问气 隙处理 问题 ，提 出一种 改进 的泰勒数判别 与计算等 效导热 系数 的方 法 ，合 理处理定 转 子间复杂 的对流换热情况 ，并进行试验验证 。根据传 热学和流体 力学 的理 论知识 ，建立对 流换热 系数 以及 压 降与水 道结构参数间 的关 系，给出一来自百度文库水道截面尺寸 的选择方法 ，结合 ＭＡＴＬＡＢ和 ＣＦＤ数值计算软件找 出合 适 的水 道结构截面尺寸范 围并进行仿 真 ，对实 际工程 中电机 的水 道结 构设 计具有一定的指导意义 。
ｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ—
ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆ ｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ＳＯ ａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｓｅｃｔｉｏｎａ ｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ
０ 引 言
电动 汽车 有 限的安 装空 间使 得 电机须 具 备较 高 的 功率 密度 和 效 率 ，加 之 复 杂 的路 况 和驾 驶 习 惯 等使 电机 运 行 工 况 十 分 复 杂 ，温 升严 重 。 电机 温升或局部温升过高 ，不仅会导致结构变形 ，还会 使 电 机 耐 压 和 绝 缘 性 降 低 ，严 重 影 响 使 用 寿 命 …。反之，则造成生产 过程 中材料 的浪费 ，增 加制 造成 本 。 因此 对 电机各 部 分温 升 的准确 计 算 以及 冷却 系统 的合 理设 计对 电机安 全运 行具 有 十
ｊａｃｋｅｔ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ＣＦＤ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｆ ｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｈｅｌｐ，ｗｈｅｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｄｅｓｉｇｎ．