学术简报｜基于流固耦合的车用永磁同步电机水道设计与温度场分析

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摘要

上海大学机电工程与自动化学院的研究人员王小飞、代颖、罗建，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，车用牵引电机的温升直接影响新能源汽车牵引系统的安全性和可靠性，电机温升的准确计算和冷却系统的合理设计，对新能源汽车具有非常重要的意义。

本文以一台额定功率20kW的车用永磁同步电机为例，从流速、压差、温升等多方面对比螺旋型、轴向Z字型、径向Z字型三种冷却水道。通过合理的等效和假设，建立整机的3D热仿真模型，基于流固耦合对电机进行热仿真，分析不同工况下电机的温升，通过对比分析不同冷却水流速的电机温升选取电机水道入口的最佳流速。最后以最佳流速作为样机冷却水入口流速进行温升实验，验证仿真分析的正确性。

永磁同步电机功率密度高、功率因数高、效率高、起动转矩大、噪声小，是新能源汽车牵引电机的主流机型。该电机作为新能源汽车牵引系统的核心部件，其温升直接影响牵引系统的安全性和可靠性。因此，对电机温升的准确计算和冷却系统的合理设计，对于新能源汽车的安全性和可靠性具有非常重要的意义。

温升计算常采用等效热路法、等效热网络法、有限元法以及流固耦合法。

• 等效热路法是借助电路理论集中参数的思想，将温度场问题等效为带有集中热源和热阻的热路来进行计算，计算简单，但得到的是电机各部分的平均温度。

• 等效热网络法是基于场路结合原理，借助电网络拓扑理论计算温度场的一种方法，等效热网络法的计算精度较等效热路法高。

• 有限元法计算精度高，可获得电机温度场分布及热点位置，但其计算量大，对计算机要求高。流固耦合法是温度场与流体场耦合，可计算出电机内部、外部的流体流动形态及其散热系数，计算精度更高。

本文以一台车用永磁同步电机为研究对象，设计了螺旋型、径向Z字型、轴向Z字型三种不同水道的电机冷却机壳模型，对比不同冷却水道的流场、压力场及温度场，为样机选取最优的冷却机壳结构。

在此基础上，基于流固耦合法对电机运行在不同工况下以及不同冷却水流速下的温度场进行仿真分析，并通过温升实验验证冷却结构设计的合理性以及该温升仿真分析方法的正确性。

图1  样机照片

图9  电机仿真模型

图13  电机实验台照片

总结

本文以一台额定功率20kW的车用永磁同步电机为例，通过计算流体动力学对比分析螺旋型、轴向Z字型、径向Z字型三种冷却水道结构，综合多方面考虑选取最优的水道结构——螺旋型水道。

建立电机的磁热耦合有限元3D仿真模型，采用基于流固耦合模型的热仿真分析电机在不同工况下的温度场，结果说明该电机各部分温升均满足技术指标要求。

分析不同冷却水流速时的电机温升，选择电机冷却水道入口的最佳流速为0.45m/s。最后设定最佳流速作为样机温升实验的入口流速，电机的温升实验结果与热仿真结果基本一致，验证了仿真与理论分析的正确性。