永磁同步電機功率密度高、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的主流機型。該電機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，對電機溫升的準確計算和冷卻系統(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行計算，計算簡單，但得到的是電機各部分的平均溫度。
• 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)拓撲理論計算溫度場的一種方法，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，可獲得電機溫度場分布及熱點位置，但其計算量大，對計算機要求高。流固耦合法是溫度場與流體場耦合，可計算出電機內(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冷卻機殼模型，對比不同冷卻水道的流場、壓力場及溫度場，為樣機選取最優(yōu)的冷卻機殼結(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，基于流固耦合法對電機運行在不同工況下以及不同冷卻水流速下的溫度場進行仿真分析，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 樣機照片

圖9 電機仿真模型

圖13 電機實驗臺照片

總結(jié)

本文以一臺額定功率20kW的車用永磁同步電機為例，通過計算流體動力學對比分析螺旋型、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在不同工況下的溫度場，結(jié)果說明該電機各部分溫升均滿足技術(shù)指標要求。

分析不同冷卻水流速時的電機溫升，選擇電機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溫升實驗的入口流速，電機的溫升實驗結(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。