李新華，楊國(guó)威，李哲然

（1.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.華中科技大學(xué)控制科學(xué)與工程系）

輕度混合動(dòng)力汽車集成式起動(dòng)-發(fā)電機(jī)ISG（ISG:Integrated Starter Generator）功率和轉(zhuǎn)矩密度高、運(yùn)行工況多變，特別是工作環(huán)境溫度高、散熱條件差，這些都給電機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，僅按常規(guī)電磁設(shè)計(jì)是不夠的，還需要對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真分析與設(shè)計(jì)。

本田汽車公司的雅閣 （Accord）混合動(dòng)力汽車采用中度混合 （mild hybrid），即并聯(lián)混合動(dòng)力方案，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同軸，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與普通汽車發(fā)動(dòng)機(jī)室差別不大。據(jù)本田廠方數(shù)據(jù)，雅閣混合動(dòng)力汽車在城市路況下，百公里綜合油耗僅為8.1L，這對(duì)于一臺(tái)3.0L 6缸發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)不易了。雅閣ISG是一款在業(yè)界具有廣泛影響的電機(jī)。該電機(jī)為16極／24槽配合永磁同步電機(jī)，采用組合式定子鐵心結(jié)構(gòu)，q=0.5分?jǐn)?shù)槽集中繞組，見(jiàn)圖1；轉(zhuǎn)子為內(nèi)置式V形磁鋼 （接近一字形），每極有3個(gè)磁橋， 兩極之間有V形溝， 見(jiàn)圖2［1］。

目前電機(jī)溫升計(jì)算方法有3種，即簡(jiǎn)化公式法［2］、等效熱路法［3］和溫度場(chǎng)法［4，5］。 簡(jiǎn)化公式方法比較簡(jiǎn)單，只能計(jì)算電機(jī)的平均溫度，計(jì)算結(jié)果不太精確；等效熱路法計(jì)算精度比簡(jiǎn)化公式法高，但要提高計(jì)算精度，需要增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和熱阻數(shù)，計(jì)算工作量大大增加；溫度場(chǎng)法采用現(xiàn)代數(shù)值方法來(lái)求解熱傳導(dǎo)方程，將求解區(qū)域離散成許多小單元后，在每個(gè)單元中建立方程，再對(duì)總體方程組進(jìn)行求解。溫度場(chǎng)法是一種快速和準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算方法，是現(xiàn)代電機(jī)溫升計(jì)算的主流方法。

1 溫度場(chǎng)仿真方法

電機(jī)內(nèi)部存在損耗導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，使其溫升增高。電機(jī)內(nèi)部損耗的組成比較復(fù)雜，但主要是銅耗和鐵耗。本文研究鐵耗和銅耗所引起的電機(jī)發(fā)熱。銅耗可按路的方法計(jì)算，而鐵耗必須用有限元方法來(lái)計(jì)算。

電機(jī)鐵耗由定子鐵耗和轉(zhuǎn)子鐵耗兩部分構(gòu)成。對(duì)于同步運(yùn)行ISG電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子鐵耗較小，從簡(jiǎn)化ISG溫度場(chǎng)仿真的角度出發(fā)，可以認(rèn)為定子鐵心內(nèi)各處鐵耗密度相等，即視定子鐵心內(nèi)為均勻磁場(chǎng)，且只考慮定子鐵心內(nèi)的鐵耗。

然而由于電機(jī)定子鐵心各處磁密并不相同，定子鐵心各處的鐵耗密度也會(huì)不一樣；另一方面，諧波磁場(chǎng)也會(huì)在轉(zhuǎn)子鐵心中產(chǎn)生一定鐵耗。如果均值鐵耗密度代入，進(jìn)行電機(jī)溫度場(chǎng)仿真會(huì)有一定誤差。為了考慮上述問(wèn)題，可以采用Ansoft二維有限元與Ansys Workbench聯(lián)合仿真方法分析電機(jī)中的溫度場(chǎng)，基本步驟如下。

第1步，計(jì)算電機(jī)給定工況下的內(nèi)熱源，鐵耗通過(guò)二維有限元?jiǎng)討B(tài)仿真計(jì)算，即根據(jù)已知數(shù)據(jù)建立二維有限元鐵耗模型并進(jìn)行給定工況下ISG的鐵耗仿真。

第2步，建立ISG三維溫度場(chǎng)有限元模型，將該模型和第1步鐵耗仿真結(jié)果導(dǎo)入Ansys Workbench軟件。

第3步，給定邊界條件，在Workbench環(huán)境下進(jìn)行三維有限元溫度場(chǎng)仿真。

根據(jù)文獻(xiàn)［6，7］提供的數(shù)據(jù)，建立雅閣ISG的1／8二維有限元鐵耗模型 （圖3）并仿真；運(yùn)用Solidworks軟件建立ISG三維溫度場(chǎng)模型 （圖4），并將該模型和第1步給定工況下ISG鐵耗仿真結(jié)果導(dǎo)入Ansys Workbench軟件中，圖5為最高轉(zhuǎn)速工況時(shí)導(dǎo)入后的鐵耗分布。圖6a為該工況下鐵耗不均勻分布時(shí)定子溫度場(chǎng)的仿真結(jié)果。如果視鐵耗為均勻分布，可將內(nèi)熱源計(jì)算結(jié)果直接施加于ISG三維溫度場(chǎng)模型并仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6b。

從圖6可以看出，鐵耗均勻分布時(shí)，定子最高溫度出現(xiàn)在定子齒中心，達(dá)195℃，且每個(gè)齒的溫度分布相同，但這只是一種近似算法。鐵耗不均勻分布時(shí)，定子最高溫度出現(xiàn)在定子齒邊緣，達(dá)197.7℃，且每個(gè)齒的溫度分布并不相同。顯然，鐵耗不均勻分布時(shí)溫度磁場(chǎng)的仿真結(jié)果更接近于實(shí)際情況，但數(shù)據(jù)導(dǎo)入比較費(fèi)時(shí)。以上2種方法溫度場(chǎng)最高溫度計(jì)算結(jié)果比較接近，定子最高溫度誤差只有1.4%。

2 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果及分析

按前面所述方法對(duì)雅閣ISG不同工況下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。仿真時(shí)，ISG的環(huán)境溫度設(shè)定為70℃，ISG模型與空氣對(duì)流換熱系數(shù)取5×10-6W／mm2·℃。表1給出了雅閣ISG不同工況下銅耗的計(jì)算結(jié)果。

表1 雅閣ISG不同工況下銅耗的計(jì)算結(jié)果

將不同工況時(shí)的鐵耗仿真結(jié)果直接導(dǎo)入Ansys Workbench軟件，然后使用Ansys Workbench對(duì)雅閣ISG進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真?？紤]到最大功率為短時(shí)工作制，這里采用暫態(tài)溫度場(chǎng)仿真，仿真時(shí)間取100 s，其它工況采用穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真，仿真時(shí)間取1h。額定工作點(diǎn)、最大功率工作點(diǎn)和最高轉(zhuǎn)速工作點(diǎn)3種工況下ISG溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖7所示。表2給出了ISG內(nèi)各部件的最高溫度及所在的位置。

仿真結(jié)果表明，對(duì)于額定工況，電樞繞組端部溫度最高，定子鐵心 （齒部）次之，轉(zhuǎn)子磁鋼處最低；對(duì)于最高轉(zhuǎn)速工況，定子鐵心 （齒部）溫度最高，電樞繞組 （槽內(nèi)導(dǎo)體）次之，轉(zhuǎn)子磁鋼處最低；最大功率工況由于工作時(shí)間短，電機(jī)內(nèi)各部件的溫度都較低。由于鐵耗急劇增加，3種工況中最高轉(zhuǎn)速工況電機(jī)內(nèi)各部件的溫度最高，特別是磁鋼溫度接近200℃，應(yīng)引起高度關(guān)注。

表2 ISG內(nèi)各部件的最高溫度及所在的位置

文獻(xiàn) ［1］公布了雅閣ISG電樞繞組的溫升試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)圖8。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為70Nm時(shí)，繞組 （端部）最高溫度由起始的160℃直線上升；持續(xù)一段時(shí)間后負(fù)載轉(zhuǎn)矩下降至65 Nm左右，此時(shí)溫度停止上升，維持在160℃左右；再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后負(fù)載轉(zhuǎn)矩升至75 Nm左右，繞組端部溫度再次上升，最后穩(wěn)定在200℃左右。

為了驗(yàn)證本文溫度場(chǎng)仿真方法的正確性，對(duì)上述工況雅閣ISG進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真。繞組端部最高溫度仿真結(jié)果見(jiàn)圖9，仿真時(shí)沒(méi)有考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。比較兩圖可知，繞組端部最高溫度曲線略低于試驗(yàn)曲線，但2條曲線基本吻合。由于仿真時(shí)只考慮了鐵耗和銅耗，而沒(méi)有計(jì)及其它損耗對(duì)溫度的影響，使得繞組端部最高溫度曲線略低于試驗(yàn)曲線。

3 溫度對(duì)轉(zhuǎn)子的影響

溫度上升對(duì)ISG的性能以及結(jié)構(gòu)安全性等都會(huì)帶來(lái)一系列影響，下面重點(diǎn)討論對(duì)轉(zhuǎn)子稀土磁鋼和磁橋結(jié)構(gòu)安全性的影響。

3.1 溫度對(duì)磁鋼的影響

眾所周知，稀土磁鋼是一種耐溫能力較差的永磁材料。溫升的較大上升，不僅導(dǎo)致稀土磁鋼磁性能的下降，還可能會(huì)造成磁鋼的不可逆退磁。圖10、圖11分別為雅閣ISG額定和最高轉(zhuǎn)速兩個(gè)工況下轉(zhuǎn)子磁鋼的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。

從圖10、圖11可以看出，磁鋼高溫區(qū)始終出現(xiàn)在軸向端部，最高溫度點(diǎn)在共頂角，因此必須加強(qiáng)對(duì)磁鋼端面的散熱；另一方面，額定工況下磁鋼最高溫度為146.7℃，如選用耐溫150℃的稀土磁鋼尚可安全運(yùn)行，而最高轉(zhuǎn)速工況磁鋼最高溫度達(dá)194.2℃，耐溫150°C的稀土磁鋼則有失磁風(fēng)險(xiǎn)。

圖12為最高轉(zhuǎn)速工況下磁鋼最高溫度與工作時(shí)間關(guān)系的溫度場(chǎng)仿真曲線。曲線表明，最高轉(zhuǎn)速工況下ISG工作時(shí)間小于28 min，磁鋼最高溫度不超過(guò)150℃，選用耐溫150℃的稀土磁鋼磁鋼是安全的，否則會(huì)存在失磁風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 溫度對(duì)轉(zhuǎn)子磁橋結(jié)構(gòu)的影響

表2仿真結(jié)果表明，ISG轉(zhuǎn)子最高溫度一般出現(xiàn)在磁橋處。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于磁橋磁密高，鐵耗大。由于轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行，磁橋要承受很大應(yīng)力，它的結(jié)構(gòu)安全引人關(guān)注。為了考察溫度對(duì)轉(zhuǎn)子磁橋應(yīng)力的影響，分別在不同溫度條件下對(duì)雅閣ISG轉(zhuǎn)子進(jìn)行了應(yīng)力仿真，圖13、圖14分別給出了22℃和197℃時(shí)的應(yīng)力仿真結(jié)果。

由圖13、圖14可見(jiàn)，22℃時(shí)，雅閣ISG中間磁橋應(yīng)力為47.2 MPa，熱形變?yōu)?.00214 mm；197℃時(shí)，應(yīng)力為1181.2MPa，形變?yōu)?.04576mm。溫度上升了5.5倍，應(yīng)力和形變分別上升了25.1倍和20倍。圖15為雅閣ISG轉(zhuǎn)子磁橋應(yīng)力和形變隨溫度變化的關(guān)系曲線?？梢?jiàn)，隨著溫度的增加，轉(zhuǎn)子磁橋應(yīng)力和形變會(huì)直線上升，威脅到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的安全。因此，從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全的角度出發(fā)，必須限制最高轉(zhuǎn)速工況下ISG的工作時(shí)間，使磁橋應(yīng)力和形變?cè)谠试S范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

按本文所述方法對(duì)雅閣ISG進(jìn)行了溫度場(chǎng)仿真，仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［7］中的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；不同工況下ISG的溫升情況存在較大差異，最高轉(zhuǎn)速工況電機(jī)溫升最高；從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全的角度出發(fā)，必須限制最高轉(zhuǎn)速工況下ISG的工作時(shí)間。

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