劉細(xì)平，曾 劍，徐 晨

(江西理工大學(xué)，贛州 341000)

電動汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)溫度場分析研究

劉細(xì)平，曾 劍，徐 晨

(江西理工大學(xué)，贛州 341000)

對一臺電動汽車用110 kW水冷式12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)工作時的溫度場進(jìn)行數(shù)值分析，為其在實際應(yīng)用中提供可靠理論依據(jù)。利用SolidWorks軟件建立了開關(guān)磁阻電機(jī)三維實體模型；采用ANSYS Maxwell軟件計算了電機(jī)在額定狀態(tài)下的銅耗和鐵耗，確定了損耗熱源；借助有限元方法對電機(jī)三維磁熱耦合仿真模型進(jìn)行了數(shù)值分析計算，深入分析了額定運行狀態(tài)時的電機(jī)溫度場分布規(guī)律。分析結(jié)果表明，在額定工況下，電機(jī)內(nèi)部溫度符合電機(jī)的熱設(shè)計要求，為該類電機(jī)應(yīng)用在電動汽車上提供了可靠的理論依據(jù)。

Maxwell；開關(guān)磁阻電機(jī)；溫度場；耦合仿真

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)是一類結(jié)構(gòu)簡單的磁阻式電動機(jī)，其定子極和轉(zhuǎn)子極均為凸極，轉(zhuǎn)子上無任何形式的繞組和永磁體。由于SRM具有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單可靠、耐高溫、成本低、調(diào)速范圍寬、啟動轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)速度快、可控參數(shù)多、和效率高等優(yōu)點，一直以來受到國內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視，為一種具有較好發(fā)展前景的電動機(jī)，也是目前研究的熱點[1-2,9]。

近年來，有關(guān)電機(jī)多物理場計算的研究屢見不鮮，研究方法也層出不窮，主要的計算方法有：簡化公式法，等效熱路法，有限元法[3,5]。其中有限元法以其計算精確和方便直觀的優(yōu)點，得到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞。本文借助ANSYS有限元分析軟件對開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行三維溫度場分析，計算電機(jī)各部件以及電機(jī)內(nèi)部各個點的溫度，分析研究電機(jī)溫度分布情況，以保證電機(jī)安全可靠運行。

本文針對一臺110 kW 電動汽車用3相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)，利用SolidWorks軟件建立SRM電機(jī)三維實體分析模型，然后將三維實體模型導(dǎo)入至ANSYS Maxwell中分析電機(jī)額定工況下的損耗，再利用數(shù)值分析方法計算溫度分布規(guī)律；獲取了在自然水冷的情況下電機(jī)定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組、機(jī)殼和冷卻水管的溫升與溫度分布情況。

1 電機(jī)模型與基本方程

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)模型和基本假設(shè)

利用SolidWorks建立的12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)三維模型如圖1所示。其結(jié)構(gòu)簡單，主要由轉(zhuǎn)子鐵心、定子鐵心、繞組以及轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子上既無永磁體，也無繞組，可實現(xiàn)高速運行；其中電機(jī)繞組采用集中式繞組，4根雙邊絕緣厚度為0.06 mm、直徑為1.12 mm的銅線繞組并繞在定子齒上；定子鐵心上貫穿12根水管供電機(jī)進(jìn)行水冷循環(huán)。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 溫度場求解基本方程及邊界條件

根據(jù)熱學(xué)的熱傳導(dǎo)方程式可知[3]，當(dāng)處于直角坐標(biāo)系時，電機(jī)在穩(wěn)態(tài)時的溫度場結(jié)果求解分析可近似歸納為如下：

(1)

式中：λx，λy，λz分別為x,y,z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；qv為熱源密度；α為散熱系數(shù)；Tf為流體溫度。

通過對式(1)進(jìn)行變分，可將式可簡化為如下表達(dá)式：

(2)

最后對式(2)作離散化處理，既得到如式(3)所示結(jié)果：

KT=F

(3)

式中：T為溫度矩陣，是在已知求解域內(nèi)所有節(jié)點溫度的矩陣；K,F分別為總體系數(shù)矩陣和總體右端矢量。

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)的確定

在電機(jī)裝配的過程中，由于裝配工藝精度的限制，大型電機(jī)定子鐵心和機(jī)殼之間的裝配間隙不能足夠小，且有些間隙極不勻稱，故在電機(jī)溫度場計算中氣隙是不允許忽略的。為方便建立模型，同時也為了不破壞計算精度，故本文將這一部分的導(dǎo)熱系數(shù)適當(dāng)放大。開關(guān)磁阻電機(jī)主要材料導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

表1 主要材料導(dǎo)熱系數(shù)

2 熱源的求取

電機(jī)作為一類機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，根據(jù)能量守恒定律可知，在其能量轉(zhuǎn)換的過程中產(chǎn)生損耗是無法消除的，而產(chǎn)生的損耗主要也將以熱能的形式表達(dá)出來，從而使電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心，繞組與機(jī)殼的溫度發(fā)生不同程度的變化。本文研究電機(jī)損耗主要為鐵心損耗和繞組銅耗。鐵心損耗主要是定子和轉(zhuǎn)子開槽部位所引起的氣隙磁導(dǎo)諧波在對方鐵心中產(chǎn)生的能耗；以及當(dāng)電機(jī)帶適量負(fù)載運行后所產(chǎn)生。繞組銅耗主要是當(dāng)繞組中有電流通過時在繞組中產(chǎn)生的能耗；以及工作電流產(chǎn)生的漏磁場和諧波磁場在繞組中產(chǎn)生的能耗。

2.1 發(fā)熱熱源的求取

SRM電機(jī)內(nèi)的發(fā)熱熱源主要來自于電機(jī)運行時產(chǎn)生的損耗：(1)鐵心損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗；(2)繞組損耗，主要是銅耗。

表2 電機(jī)主要熱源參數(shù)

由于開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)特點，電壓和電流均為非正弦波，且磁通的波形不僅與電機(jī)實際工作轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時的時控方法密切相聯(lián)。即便當(dāng)電機(jī)工作在恒定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下，電機(jī)鐵心等部分磁通波形形狀及其變化規(guī)律也無法輕易分辨，故計算SRM電機(jī)損耗時需與傳統(tǒng)電機(jī)區(qū)別[1-2,9]。

2.2 鐵耗的計算

由于開關(guān)磁阻電機(jī)的磁場所呈現(xiàn)的是非正弦規(guī)律，故可利用有限元的計算方法求得電機(jī)鐵心各部分的磁密波形。然后根據(jù)所得結(jié)果，對電機(jī)鐵耗進(jìn)行估算。

(4)

Ke和Kh分別為渦流修正因子和局部磁滯回線因子。這兩個參數(shù)的表達(dá)式為：

(5)

式中：B為磁密峰值；i為諧波次數(shù)；n為諧波次數(shù)最大值；k為介于0.6和0.7之間的常數(shù)；N為脈動次數(shù)；ΔBl為磁密波形脈動峰值。

2.3 繞組銅耗計算

定子銅耗PCu可根據(jù)下式計算：

(6)

式中：P為定子極數(shù)；I為繞組電流有效值；R(θ)為單相繞組電阻。

式中：Rk75為單相繞組75℃時的電阻值；Nr為轉(zhuǎn)子級數(shù)；θp為電流降至零時的轉(zhuǎn)子位移角。

3 溫度場仿真及結(jié)果分析

根據(jù)前文分析得出的導(dǎo)熱系數(shù)、主要熱源參數(shù)，在ANSYS中對已建立的開關(guān)磁阻電機(jī)模型設(shè)置邊界條件、添加材料屬性、域、散熱面、熱源以及網(wǎng)格剖分，進(jìn)行三維溫度場仿真分析。

3.1 溫度場仿真

首先，在已建立的電機(jī)模型中，對電機(jī)各部分的材料參數(shù)進(jìn)行定義。

其次，得到有限元分析模型并進(jìn)行網(wǎng)格剖分。綜合考慮到計算精度及耗時問題，在不影響電機(jī)計算性能的前提下，對機(jī)殼、繞組定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心等區(qū)域采用不一樣的網(wǎng)格剖分。由于繞組模型的銅耗較大，定子模型的鐵耗較大，且溫升變化較明顯，故需對其網(wǎng)格進(jìn)行較細(xì)剖分。而其它溫升變化較小的模型部分可采用較低的精度進(jìn)行網(wǎng)格剖分。電機(jī)整體網(wǎng)格剖分示意如下圖所示。

圖2 開關(guān)磁阻電機(jī)網(wǎng)格剖分示意圖

最后，加載邊界條件。溫度是電機(jī)溫度場分析時的自由度約束，邊界條件是整個模型的初始溫度。本文研究電機(jī)取初始溫度為25℃，即298.15 K。

3.2 結(jié)果分析

圖3給出了電機(jī)機(jī)殼、定子鐵心、定子繞組、冷卻水管和轉(zhuǎn)子鐵心在額定狀態(tài)下的溫度分布云圖。

(a)電機(jī)機(jī)殼溫度分布云圖(b)定子鐵心與水管溫度分布云圖

(c)定子繞組溫度分布云圖(d)冷卻水管溫度分布云圖

(e)轉(zhuǎn)子鐵心溫度分布云圖(f)電機(jī)整體溫度分布云圖

圖3 電機(jī)各部分溫度分布

由于電機(jī)損耗主要為繞組銅耗和鐵心損耗，此外，電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子與氣隙摩擦?xí)r也會產(chǎn)生損耗。因此，電機(jī)的定子繞組與轉(zhuǎn)子鐵心溫度一般較高。

從圖3(c)和圖3(e)中的分析結(jié)果可知，電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心的中部和定子繞組溫升較大。其中，轉(zhuǎn)子鐵心部分的最高溫度升至約95℃，而定子鐵心與繞組的所產(chǎn)生的最高溫度最終穩(wěn)定在約75℃。從圖3(d)中可知，電機(jī)冷卻水管的入水口與出水口溫度相差不大，但分布在定子鐵心中的水管水溫有著不同程度的升高。由于冷卻水管的存在，電機(jī)整體機(jī)殼溫度并未出現(xiàn)大幅上升，見圖3(a)和圖3(f)，其基本維持在30℃左右，屬于合理范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語

本文通過利用SolidWorks建模功能與ANSYS有限元分析軟件的熱分析功能對110 kW電動汽車用開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行三維溫度場仿真分析，得出如下結(jié)論：

(1)在自然水冷的情況下，電機(jī)穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子溫度最高，定子繞組的溫度要略高于定子鐵心的溫度，但均符合電機(jī)的熱設(shè)計要求。

(2)此仿真溫度結(jié)果較為合理，所采取的熱源、導(dǎo)熱系數(shù)可靠準(zhǔn)確，為自然水冷式的開關(guān)磁阻電機(jī)電動機(jī)溫度場分析提供了參考。

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Analysis of the Temperature Field of Switched Reluctance Motor Using for Electric Vehicle

LIUXi-ping,ZENGJian,XUChen

(Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China)

A reliable theoretical basis for the practical application for electric vehicle by assigning a numerical value to the working temperature field of a 110 kW water-cooling switched reluctance motor (12-slot 8-pole). The 3D model of the switched reluctance motor was established based on SolidWorks software. By using ANSYS Maxwell software, this paper calculated the copper loss and iron loss of the motor in rated condition to ensure the loss of heat; By using the finite element method, numerical analysis and calculation had been done for 3D motor Magnetic-thermal coupling simulation model, motor working in rated condition temperature field distribution had been deeply analyzed. Analysis results show that: under the rated conditions, internal temperature of the motor conforms to the requirements of the thermal design of the motor. The results provide a reliable theoretical basis for this class motor applied in electric vehicle.

Maxwell; switched reluctance motor; temperature field; coupling simulation

2015-12-23

國家自然科學(xué)基金項目(51267006)；江西省科技廳工業(yè)支撐項目(20151BBE50109)；江西省青年科學(xué)家培養(yǎng)對象項目(20151442040049)

TM352

A

1004-7018(2017)01-0023-03