永磁同步电机全域温度场分析与水道优化设计

永磁同步电机全域温度场分析与水道优化设计

路玲，王淑旺

(合肥工业大学机械工程学院，安徽合肥230009)

摘要：以额定功率为6〇k-永磁同步电机（PMSM)为研究对象，采用气隙等效导热系数处理定转子间 的热交换问题。给出散下线定子绕组的等效热模型。在进行绕组铜耗计 对定子绕组 的影

，定 定子铁心间因装配间隙而产生的热 。在此基础上 PM0M

模型，计电机在转 行时的 化，并进行 。对 、数和 进行优化计算，找出 。，化电机下降9.8 2,对电机 设计 定的指导。

关键词！永磁同步电机"装配间隙"三维全域温度场"试验验证"水道优化

中图分类号：TM 351 文献标志码！A 文章编号：1673-6540(2018)05-0052-06

Analysis of 3D Global Temperature Field of PMSM and

Design of Flow Channel Optimization #

LU Ling，

(School of Mechanical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

Abstract：Taking a rated power of 60 kW PMSM as the research object，the air gap equivalent thermal conductivity coefficient was used to deal with the heat exchange between the stator and rotor. The equivalent thermal

model of the stator windings was given. Considering temperature effect on stator winding resista loss calculation，the thermal resistance between the housing and the stator core due to the assembly gap was test. On

this basis，the finite element model of 3D global transient temperature field of PMSM was established，and the

temperature field of motor at peak speed was calculated and verified by experiment. The optimization o ratio，channel number a nd fin was carried out to find out the optimal solution. The results showed that the maximum

temperature of the motor was decreased by 9.8 2after the channel was optimized，which had a certa significance for the structural design of the motor channel.

Key words：parmanent manget synchronous motor (PMSM)( assembly gap(3D global temperature field；test verification；flow channel optimization

0引言

电动汽车 的安装空间 电机 备较的功率 和效率，的路况和 等电机运行 ，重[1]。电机温升绕组 ，导永磁体产生退磁现象，严重 电机效率，使用寿

行 。因此，永磁驱动电机 定的理

[2]。

，者 等效热网络法[3_5]和数值计 [卜2，6_13]对永磁同步电机（Permanent M agnet Synchronous Motor，PMSM)[1 9,11 13]和感应 电机[10]的温升特性进行了大量的研究。文献[3-

#基金项目：安徽省科技攻关重大项目（1501021004)

作者简介：路玲（1993—），女，硕士研究生，研究方向为电动汽车电驱动系统热设计。

王淑旺（1978—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电动汽车驱动系统和汽车自动化装备。

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5]采用集中参数 电机的等效热 图，对电机关键部位 进行计算，但其计算精度不及数值计算方法。文献[1,6-8]将定、转子之间的 气隙作为一静止的导热介质，用等效导热系数处 理定转子间的热交换问题，定的指导 。文献[8-10]将 定子铁心的装配间隙等效 为一层薄空气，用经验公式计算了等效空气的厚 ，但是 情况相比存在较大误差。文献

[1，11-13 ]对PMSM的结构进行了优化，有效地 低了电机的温升。文献[1-13]在对电机绕组 进行铜耗计 ，并没 电机的 对绕组的。

本文以车用PMSM为例，为仿真更接

电机 ，定 定子间因装配间隙而产生的热 ，结合 者关于电机热边界条件的研究，同对绕组 的影，对电机定、转子 进行数值计 ；并对电机 进行优化设计，有效低电机。

1PMSM三维全域瞬态温度场的数 值计算

11求解域模型

本文以车用水冷PMSM为分析对象，电机的基本参数如表1所示。

表1电机的基本参数

参数名称参数

额定功率/kW60

峰值转速/( / +min_1 ) 4 000

定子外径/mm260

定子内径/mm162

转子极数

8

定子槽数48

气隙长度/mm 1.4

线圈形式单层链式

包含 、流体域、定子、绕组、转子、永磁体、转轴的 PMSM物理模型电机耦合计算的求 模型，如图1所示。

1.2损耗计算

PMSM损耗包括:定、转子铁心损耗，绕组损

，永磁体涡流损耗和机械损耗，因其采用水冷强 迫冷却，产生的机械损 小，故将其忽略不计。

本文对电机在额定功率60 kW、转数4 000 r/min下的 进行研究，结合 数据并参考文献[14-15]计定、转子铁心损耗和永磁 涡流损耗。

由于定子绕组 随 而增大，在进行铜耗计 要对 因素给予 。

绕组 的关系 :

/=/。[1 +!(2-2。）](1)式中：/—绕组在2。的电阻值；

!—

—C u的电 系数，为0.004 2。

绕组损 :

4c〇 0 ml2/(2)式中：—绕组损耗；

m—电机相数；

6一一绕组中相电流有效值；

/—每相绕组的有效电 。

计算，电机在额定功率、转下各部的损 如表2所示，其中绕组铜 电机温呈线性关系。

表2电机损耗值分布W 损耗类别定子铁耗转子铁耗永磁体损耗绕组铜耗

损耗值

3 598290 11

4 1514+6(2-293.15) 1.3电机的等效处理及散热系数的确定

1. 3. 1绕组模型的等效处理

按照质量不变原则，将定子槽内的铜导线和 各种 等效为两层 的导热体，根据文献[16]计其等效导热系数。

1. 3. 2定、转子间隙的等效处理

定定、转子间气隙的热交换是计算电机全 的。在电机 行中，转子旋转 动气隙间空气发生湍流流动，从而增加了对流

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