基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析

基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析

徐鹏飞张侨

（武汉理工大学湖北武汉430000）

摘要：由于新能源电动汽车用永磁同步电机要求具有高功率密度，体积小，重量轻以及输出转矩大等特点，这需要电机具有较高的电负荷和磁负荷，然而这些都会产生较高的铜损和铁损，使电机发热过快，温升变高。因此，针对永磁同步电机的温度场分析是十分有必要的。本文以额定功率为80kw的电动客车用永磁同步电机为研究对象，通过热路法对该电机进行了温度场仿真，并通过实验验证了仿真的正确性。

关键词：新能源电动汽车；温度场仿真；热路法

一、引言

电机内部包括了定子铁芯、转子铁芯、轴、永磁体、绕组、轴承、壳体等部件，这些部件中所用材料、结构等都不尽相同，他们的导热性和产生的热能也不同，想要准确计算电机的各个部件的温升是非常困难的。而电机的温升又对电机运行的性能影响非常大，当电机的温度过高时，不仅会导致永磁体剩磁密度的下降，甚至永久失磁；而且还会使电机绕组的绝缘层损坏，使电机无法正常运行。因此电机的温度场仿真是电机生产实践中一个比较重要的环节。

随着电动汽车永磁同步电机的广泛研究，国内外的研究学者对永磁同步电机的温度场也做了大量的研究，文献[1]中对通过建立电机的三维模型对电机不同工况下的温度场进行了分析；文献[2]通过三维流固耦合的方法对高速永磁同步电机做了温度场分析并验证了仿真的正确性。文献[3]通过新型的有限公式法建立水冷永磁同步电机的温度场数学模型，给出了该方法下的对流散热边界处理和编程实现的方法。

本文将通过Motor-CAD热路仿真软件来对一台额定功率为80kw的永磁同步电机电机损耗和温度场进行分析，并通过实验来验证仿真的正确性。

二、电机的损耗分析

（一）电机的铁耗分析

三、电机的温度场分析

本文以一台额定功率为80kw，额定转速1150rpm的电动客车用永磁同步电机为分析模型，基于Motor-CAD热路仿真软件对电机进行了温度场仿真，仿真模型如图3-1所示，包含了电机轴、壳体、定子铁芯、转子铁芯、定子绕组、永磁体和电机端盖部分。电机采用水冷的冷却方式，冷却水道采用的是周向螺旋形水道。在模型中设置通入的冷却水流量为15L/min，进水温度为40℃。对于电动客车用永磁同步电机，其运行的路况比较复杂，本文将采用两种工况来分析电机的温升情况，并通过试验对比来验证仿真的正确性。

图3-2电机额定工况下温度场分布图

从图3-2中可以看出，电机在额定工况运行下时，温度最高的部分集中在定子绕组上，最高温度为73.8℃，这是由于电机在运行时，电机的损耗主要以铜耗为主，而且电机的定子绕组都是漆包线，散热效果差，所以温度最高。同时还可以看出，绕组不同的部位温度也有差异：绕组越靠近定子轭部，温度越低；绕组部温度要比绕组中心部分温度高，绕组上的最大温差为7.8℃。定子铁芯上不同部位温度也有差异，其中定子齿顶温度最高，为68℃，最低温度在定子外表面上为43.8℃，最大温差达到24.1℃。这些都是因为定子轭部靠近壳体水道，水流将定子轭部的热量带出壳体外，所以定子上越靠近定子轭部的部分，热量散发越快，温度就越低。永磁体上最高温度出现在永磁体中心部位，为55.6℃；温度最低的部分在永磁体端部，为55.1℃，这是因为永磁体插在转子铁芯中，因此中间部位的散热效果差一些。电机的温度场仿真结果与试验结果对比如表3-1所示。

结论

本文基于Motor-CAD利于等效热路法对一台额定功率为80kw的电动客车用永磁同步电机进行温度场仿真计算，通过电机的损耗分析和建立温度场仿真模型，对电机在额定工况和峰值工况两种工作状态的温升情况做了分析，并与试验测试得到了电机的实际温升进行了对比，结果表明利用热路法对电机的温度场仿真与电机的实际温升误差在10%以内，验证了热路法仿真的正确性。

参考文献：

[1]刘蕾，刘光复，刘马林，朱标龙.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.

[2]孔晓光，王凤翔，邢军强.高速永磁电机的损耗计算与温度场分析[J].电工技术学报，2012，27（09）：166-173.

[3]佟文明，舒圣浪，朱高嘉，程雪斌.基于有限公式法的水冷永磁同步电机三维温度场分析[J].电工电能新技术，2016，35（07）：36-41.

[4]刘蕾.纯电动汽车水冷永磁同步电机多工况热特性及冷却系统研究[D].合肥：合肥工业大学，2015.

[5]何彪，张琪，陈世军，黄苏融.逆变器供电永磁同步电机铁耗和永磁体损耗分析[J].微特电机，2018，46（05）：35-38

作者简介：

徐鹏飞（1991—），男，汉，湖北随州，硕士研究生，武汉理工大学自动化学院，电机设计。