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汽车|电动汽车用轮毂电动机磁热耦合仿真分析


作者 |张琪 靳家宝 胡峰 孙崇昆 雷良育
来源 |浙江农林大学工程学院 浙江兆丰机电股份有限公司
来源 | 旺材电机与电控
电动汽车轮毂电动机经常要在复杂的工况和恶劣环境下运行 ， 狭小的安装空间和较高的密封性要求 ， 使得轮毂电动机经常因为较高的温升而损坏 ， 所以在轮毂电动机设计初期就必须对其温升性能进行精确计算与设计 ， 防止轮毂电动机因为温升过高而损坏 。
因为电动汽车用轮毂电动机安装于空间狭小的电动汽车车轮内部 ， 并且汽车正常行驶的道路路况复杂 ， 所以要求轮毂电动机具有较高的密封性 ， 这样直接使轮毂电动机的散热能力较差 。 同时为了减小汽车悬架的簧下质量 ， 要求电动机具有结构紧凑和高功率密度的性能 。 但是较高的功率密度会引起较大的工作电流 ， 这样会使电动机的损耗和温升较高 ， 不利于轮毂电动机的长期使用 。 所以 ， 较高温升和较差的散热条件 ， 使对轮毂电动机温升的准确计算显得愈发的重要 。
目前 ， 国内外学者对电动机温升的计算方法主要有三种方法 ， 即参数计算法、等效热路法和有限元分析法 。 其中 ， 国外的Christian Kral等人采用了参数计算法建立了轮毂电动机温度场计算数学模型 ， 虽然计算速度较快 ， 但是不能真实地反映出电动机内部的温度分布情况 ， 存在一定误差；Wang R.J等人采用等效热路法 ， 计算的结果表明该方法能够计算出电动机内部的温度分布 ， 但缺乏试验验证 ， 并且热路法模型的建立较为复杂 。
国内贾珍珍等人运用有限元方法分析了轮毂电动机的温度场分布和温升情况 ， 但是仅采用了二维平面有限元分析方法 ， 没有考虑电动机轴向温度散热能力对电动机整体温度的影响；高晓林等人运用Fluent流体分析软件对电动机的散热进行了分析 ， 但是Fluent网格划分要求较高 ， 前处理时间较长 ， 对于复杂的电动机内部结构 ， 不利于实际工程计算中的效率要求 。
为了使温升计算结果较为准确 ， 并且计算效率较高 ， 本文以一台4kW轮毂电动机为研究对象 ， 以轮毂电动机各部件电磁损耗为热源 ， 在ANSYS Transient Thermal模块中分析了额定工况下的轮毂电动机的整体温度场 。 根据传热学原理 ， 本文提出将轮毂电动机内部复杂结构的求解模型进行简化和等效处理 ， 并通过相关流体力学的公式 ， 计算出散热边界条件来模拟轮毂电动机的散热情况 ， 最后将得出的轮毂电动机温度场的仿真数据与试验数据进行对比 ， 验证了本文所提出的仿真计算方法的正确性 ， 为轮毂电动机的冷却结构设计提供重要的理论依据 。
轮毂电动机热性能参数的确定1. 轮毂电动机的基本参数
轮毂电动机的基本参数见表1 。
汽车|电动汽车用轮毂电动机磁热耦合仿真分析
本文插图

表1 电动机基本参数
电动机内部结构较为复杂 ， 结构较为紧凑 ， 散热条件较差 。 在自然风冷条件下 ， 轮毂电动机的主要热交换方式如图1所示 ， 其中主要包括电动机内部各部件的传热、电动机外部壳体和内部结构的对流换热等组成 。
汽车|电动汽车用轮毂电动机磁热耦合仿真分析
本文插图

图1 电动机内热交换
2. 热源计算
电磁损耗主要包括定转子铁心损耗、铜耗和永磁体涡流损耗 ， 其中电磁损耗是轮毂电动机的主要热源 ， 因此需要准确地计算出电磁损耗的具体数值 。 通过Maxwell电磁分析软件准确地分析出额定工况下轮毂电动机各部件的电磁损耗分布云图 。 如图2a所示 ， 在齿顶处的定子铁心损耗较大 ， 这是因为此处的磁密度较为集中 。 如图3所示 ， 在齿槽开口处的永磁体涡流损耗较大 ， 这是由于槽口存在的齿槽效应会产生磁场高次谐波 ， 会引起较大的涡流损耗 。
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