永磁同步電機(jī)功率密度高、功率因數(shù)高、效率高、起動轉(zhuǎn)矩大、噪聲小，是新能源汽車牽引電機(jī)的主流機(jī)型。該電機(jī)作為新能源汽車牽引系統(tǒng)的核心部件，其溫升直接影響牽引系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，對電機(jī)溫升的準(zhǔn)確計算和冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計，對于新能源汽車的安全性和可靠性具有非常重要的意義。

溫升計算常采用等效熱路法、等效熱網(wǎng)絡(luò)法、有限元法以及流固耦合法。

• 等效熱路法是借助電路理論集中參數(shù)的思想，將溫度場問題等效為帶有集中熱源和熱阻的熱路來進(jìn)行計算，計算簡單，但得到的是電機(jī)各部分的平均溫度。
• 等效熱網(wǎng)絡(luò)法是基于場路結(jié)合原理，借助電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淅碚撚嬎銣囟葓龅囊环N方法，等效熱網(wǎng)絡(luò)法的計算精度較等效熱路法高。
• 有限元法計算精度高，可獲得電機(jī)溫度場分布及熱點位置，但其計算量大，對計算機(jī)要求高。流固耦合法是溫度場與流體場耦合，可計算出電機(jī)內(nèi)部、外部的流體流動形態(tài)及其散熱系數(shù)，計算精度更高。

本文以一臺車用永磁同步電機(jī)為研究對象，設(shè)計了螺旋型、徑向Z字型、軸向Z字型三種不同水道的電機(jī)冷卻機(jī)殼模型，對比不同冷卻水道的流場、壓力場及溫度場，為樣機(jī)選取最優(yōu)的冷卻機(jī)殼結(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，基于流固耦合法對電機(jī)運(yùn)行在不同工況下以及不同冷卻水流速下的溫度場進(jìn)行仿真分析，并通過溫升實驗驗證冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及該溫升仿真分析方法的正確性。

圖1 樣機(jī)照片

圖9 電機(jī)仿真模型

圖13 電機(jī)實驗臺照片

總結(jié)

本文以一臺額定功率20kW的車用永磁同步電機(jī)為例，通過計算流體動力學(xué)對比分析螺旋型、軸向Z字型、徑向Z字型三種冷卻水道結(jié)構(gòu)，綜合多方面考慮選取最優(yōu)的水道結(jié)構(gòu)——螺旋型水道。

建立電機(jī)的磁熱耦合有限元3D仿真模型，采用基于流固耦合模型的熱仿真分析電機(jī)在不同工況下的溫度場，結(jié)果說明該電機(jī)各部分溫升均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

分析不同冷卻水流速時的電機(jī)溫升，選擇電機(jī)冷卻水道入口的最佳流速為0.45m/s。最后設(shè)定最佳流速作為樣機(jī)溫升實驗的入口流速，電機(jī)的溫升實驗結(jié)果與熱仿真結(jié)果基本一致，驗證了仿真與理論分析的正確性。