油冷驱动电机温度场分析
1刘健宁， 2高峰， 3薛家宁， 4丁佐蓬
珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海 517907
摘 要：以一台峰值功率为 85kW的油冷驱动电机为研究对象，基于计算流体力学（ CFD）方法建立了电机热仿真模型；通过有限元仿真得到了电机内部不同工况下的温度场分布规律，并对仿真结果进行验证，两者相差很小。 关键词：油冷驱动电机；温度场；； 0 引言 汽车驱动用永磁同步电机，具有体积小、功率大、效率高、集成度高、调速范围大等特点。由于采用 IP67防护等级，电机内部的热量不能有效散出，使其绕组温度、永磁体温度都很高。因此，准确计算和研究电机内温度场，从而得到电机各部件温度分布情况 , 将为电机高效、安全运行奠定坚实的基础 , 也为永磁电机的设计提供重要依据和分析手段。 1 电机参数与数学模型 本文研究对象为一台峰值功率为 85 kW的永磁同步电机，冷却方式为直接油冷，电机的基本参数如下表所示。 电机的基本参数 参数 值 额定功率 Pn/kW 50 额定转速 n/(r·min-1) 3400 额定扭矩 Tn/(N·m) 140 峰值功率 Pp/kW 85 峰值转速 p/(r·min-1) 12000 峰值扭矩 Tp/(N·m) 280 电机极数 8 通过对所研究的电机三维温度场进行数值分析并建立数学模型，在直角坐标系下求解域内三维瞬态导热微分方程及其边界条件可表示： 式中： λx， λy， λz为物体在 x， y， z方向上的导热系数， λ为物体导热系数； qv为热源密度； ρ为物质密度； c为物质比热容； τ为时间项； S1， S2， S3为物体边界； q0为通过边界 S2的热流密度； T为物体待温度， T0为边界 S1的温度， Te为边界 S3介质的温度； α为散热表面对流换热系数。 湍流条件下的冷却液应满足的三维控制方程为 [6]： （ 2） 式中： ψ为通用变量； ξ为扩展系数； Sψ为源项； u为速度。 2 温度场仿真与分析 根据电机的基本参数，建立如下图所示全域物理模型， 物理模型 &流体等效域模型 在不影响温度场分析的条件下，对复杂结构进行简化，并做如下基本假设： (1)认为电机的大部分热量由冷却油带走，不考虑电机壳体、端盖与空气的对流换热； (2)由于定子铁心与壳体间装配间隙对油冷电机的温度场影响不大，不考虑其产生的接触热阻； (3)电机各部分材料的导热系数、散热系数不随温度变化； (4)不考虑电机的辐射换热的影响； (5)电机各损耗均匀分布在相应物体上。 (6)冷却油在电机内流动过程中，其速度大小多变复杂，但远小于声速，即马赫数较小，在求解电机温度场时，冷却油可视为不可压缩流体。 (7)冷却油流动过程中，流动速度和路径复杂，雷诺数较大，因此采用湍流模型求解电机的温度场。 为模仿绕组电阻率随温度的变化而改变，采用 fluent中的 UDF功能设置绕组的内热源，使热仿真模型更接近于实际。 3 求解结果 &测试 对电机温度场进行求解，设置边界条件如下： （ 1）冷却油入口为速度入口边界条件，冷却油速度为 0.5m/s，冷却油温度为 35°C； （ 2）冷却油出口边界为压力出口边界条件，出口处压力设定为一个标准大气压； （ 3）仿真过程中，流体与固体的接触面均为无滑移边界。 得出电机在额定工况条件下，主要零部件温度如下表 电机额定工况下主要零部件温度仿真解 名称 最高温度 最低温度 绕组 92.2°C 69.1°C 磁钢 146.2°C 113.3°C 额定工况下绕组 &磁钢温度分布 为验证仿真准确性，通过实际制样测试，对实验电机工作在额定功率、额定转速工况条件下进行温升实验： 性能测试平台 绕组测温点的温度在 1h内达到稳态，其仿真值与实验值分别为 92.28°C和 94°C，温差为 1.72°C，仿真误差为 1.83%，误差较小。通过温升实验前后反电势的差值计算磁钢最高温度为 150.21°C，仿真得到的磁钢最高温度为 146.2°C，温差为 4.01°C，仿真误差为 2.6%，误差较小。表明电机工作场求解是准确可靠的。 额定工况下绕组端部测温点的仿真值和实验值温升变化曲线 4 结论 本文基于一台峰值功率为 85kW的油冷驱动电机，进行了额定及峰值工况下电机温度场仿真实验研究，可得出以下结论： （ 1）采用 fluent有限元仿真，对电机额定工况下的温度场进行了仿真分析，通过实验验证，绕组的温度场仿真值与实验值误差为 1.83%，误差较小，满足工程计算要求。 （ 2）考虑到温度因素对铜线电阻的影响，提出了采用编写 UDF方法对绕组的发热功率进行设置，使仿真的边界条件更接近于实际，通过实验验证，仿真误差为 4.3%，仿真精度得到了很大的提高。 参考文献 [1] 田玉冬 ,王潇 ,张舟云 ,等 .车用电机冷却系统热仿真及其优化 [J].机械设计与制造 ,2015（ 2） :238-242. [2] 沈启平 ,韩雪岩 .车用水冷高功率密度永磁同步电机的流体场分析 [J].微电机 ,014,47（ 12） :1-5. [3] 刘娇 ,黄守道 ,成本权 ,等 .循环冷却永磁同步电动机的温度场分析 [J].微电机 ,2010,43（ 5） :11-12,26. [4] DARABI A， SARRESHTEHDARI A， TAHANIAN H. Design of the forced water cooling system for a claw pole transverse flux permanent synchronous motor [C] //2013 21st Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE). IRRR, 2013:1-5. [5] PONOMAREV P , POLIKARPOVA M , PYRHONEN J. Conjugated fluid-soild heat transfer modeling of a directly –oil cooled PMSM using CFD [C] // International Symposium on Power Electronics , Electrical Drives , Automation and Motion . IEEE , 2012:141-145. [6] 刘蕾 ,刘复光 .刘马林 ,等 .车用永磁同步电机三维温度场分析 [J].中国机械工程 ,2015,26（ 11） :1438-1444.
