摘要：文章以电动车使用的永磁无刷直流电机为研究对象，采用有限元法，利用传热学的理论和方法建立电机的边界条件，利用ANSYS有限元软件分析计算得出电机的温升概况，及温升对电机性能的影响，然后和实际的实验数据进行比对验证。 Abstract： Using permanent magnet brushless DC motor used by the electric vehicle as the research object， this paper uses the finite element method， the theory and method of thermal to establish boundary condition of the motor； by using ANSYS finite element software analyzes and calculates the motor temperature rise situation and its effects on motor performance； then compares with the actual experimental data and verifies. 关键词：电动车；永磁直流无刷电机；温度场；有限元；内热交换；性能影响 Key words： electric vehicles；permanent magnet brushless dc motor；temperature field；finite element；internal heat exchange； performance impact 中图分类号：U266.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0140-03 0 引言 永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDC）是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其体积小、重量轻、效率高、运行可靠和维护方便等优点，又具备与直流电机同等良好的调速特性，且无机械式换向，已经广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域。但是该电机在长时间使用过程中会面临点击各部件温度升高的问题，严重影响了点击寿命和运行可靠性。对于在电动车上普遍采用的永磁无刷直流电机来说，温度升高会带来永磁体磁密度下降甚至消失、绕组绝缘层被破坏、组件发热发胀引起的电机精度下降等问题。因而，通过计算得出电机的温度场对其设计和优化有着重要的意义。 1 永磁直流无刷电机传热学基础 热源的确定对于温度场的计算非常重要。电机的损耗大部分转化成热量导致各部件温升增大，电机中主要损耗包括绕组和铁芯产生的损耗以及机械损耗。 利用有限元方法对多电机的温度场进行分析时关键的就是准确地计算出热源（定子铜耗、铁耗）、定子槽和铁芯的等效导热系数和一些重要的散热面如外壳、铁芯散热通道内壁、气隙表面的传热系数。 定子绕组铜耗产生的热量可从以下三条途径散出：先传给定子铁芯再传给空气；从通风道中绕组表面传给空气；从绕组端部表面传给空气。铁芯中产生的热量可从以下四条途径散出：先传给绕组再由铜散出；从铁芯外表面散出；从铁芯内圆表面散出；从通风道表面散出。 电机内的热交换方式包括三种，分别是热传导、对流换热以及辐射换热。 热传导是热量由一个系统传到另一个系统或从系统的一部分传到系统的另外一部分的现象。根据傅里叶提出的导热基本定律，可知： 式中：“―”表示热量流向温度降低的方向；？鄣T/？鄣n为温度梯度；λ为导热系数；q为热流密度。 对流换热是与流体所接触的固体表面和流体之间的热量传递过程。据牛顿冷却定律可知： q=hA（Tsurface-Tambient） （2） 式中：Tambient为环境温度；Tsurface为表面温差；A为表面积；h为模系数；q为热通量。 辐射换热则是借助于电磁波传递能量的过程，满足： QR=σεFA（Tsurface-Tambient） （3） 式中：F为辐射面的形状系数；A为热辐射面积；ε为热辐射率；σ为史蒂芬-波尔曼兹常数。 由于在电机中热辐射所占比例很少，所以可以忽略不计辐射换热。 2 永磁直流无刷电机温度场分析 2.1 分析模型的建立 分析模型是利用UG依据工程图纸建立的三维立体模型，在不影响电机热分析的前提下对其进行适当的模型简化。如螺栓导线等就不必要出现在模型中，不是主要热源也不对温度场的分析产生较大影响就可以简化。实体模型如图1所示。 为了计算方便，给出模型和求解域的基本假设如下： ①假设每槽绕组产热相同。②假设铁耗和涡流损耗为恒定值。③槽内所有绝缘体看作一体，材料均假设为绝缘材料。 2.2 有限元模型的建立 划分网格时采用先大后小的原则，如何可清晰体现出电机内部零件尺寸大小比例，且容易对局部的关键接触面进行细化。网格的划分采用手动按照曲率划分的方法。该有限元模型的网格有44862个网格单元，262507个节点数。网格划分的有限元模型如图2所示。 2.3 电机损耗的计算 2.3.1 铁耗的计算 基本铁耗应该分别计算。 ①轭部铁芯的基本损耗： PFej=KaPFejGj （4） 式中：Ka为经验系数，直流电机取3.6；Gj为轭部铁芯重量；PFej为单位质量的损耗，也称比损耗。 ②齿部铁芯的基本损耗： PFej=KbPFejGi （5） 式中：Kb为经验系数，直流电动机取Kb=4；Gi为齿部铁芯重量。 2.3.2 铜耗的计算 假定电流在绕组交界面上均布，则基本铜耗为： PCu=I2R （6） 式中：I为相电流；R为相电阻。 2.3.3 机械损耗 机械损耗主要包括轴承的摩擦损耗和转子旋转过程中的风摩损耗。 ①滚动轴承的摩擦损耗可用下式计算： 式中：v为滚珠中心的圆周速度；d为滚珠中心处直径；F为轴承载荷；Pf为滚动轴承的摩擦损耗。 ②风摩损耗的计算公式： Pfr=KπDlv2（8） 式中：v为转子圆周速度；K为经验系数；Pfr为风摩损耗； D、l分别为转子表面的直径与长度。 ③电机性能指标如表1所示。 2.4 电机内热交换系数的确定 电机内部的换热条件，实际上主要是研究电机内各零件的导热系数和零件与空气间的对流热系数。 2.4.1 电机各部件的导热系数 导热系数是材料直接传递热量的能力，其大小与材料有着直接的关系。热分析所涉及电机各部件的导热系数如表2所示。 2.4.2 电机内外对流换热系数的计算 ①机座壁向周围空气空间的自然传热系数可表示： α=14（θ/25）1/3（9） 式中：α为表面传热系数；θ为机座壁外表面温度。 ②电机气隙表面传热系数可表示： ③定子铁芯与转子各表面传热系数： 3 三维暂态温度场分析与实验 根据上述分析，对一台8极、12槽、额定功率为2.2kW永磁无刷直流电动机在额定负载下进行温度场分析，得到电机运行到12min时刻的温度场分布云图，如图3所示。 仿真分析的机壳温度随时间的变化趋势如图4所示。 仿真分析绕组和转轴温度随时间的变化趋势如图5、图6所示。 仿真分析定子和磁钢温度随时间的变化趋势如图7、图8所示。 实验测试了电机在运行12min时机壳温度为84℃，绕组温度为120℃，根据图4和图5可知仿真数据机壳温度为83℃，绕组温度为115℃，两者基本吻合，从上述图中可以看出，绕组为主要热源，温度最高，磁钢温度相对较低。 电机爬长坡温升实验如表3所示。 4 结论 ①建立的三维暂态温度场计算模型与实验实际测量数据基本吻合，证明电机模型假设的合理性，能够满足对力矩电机暂态温度场预测仿真的要求。 ②电机在运行12min时，磁钢温度达到80℃，温度过高，磁钢容易产生退磁，影响电机正常运行。改变转子铁芯材料，提高导热性，可以降低磁钢的温度。 ③针对永磁无刷直流电动机建立三维暂态温度场模型能够较好地模拟电机温升曲线，该种分析方法对于永磁直流无刷电机的设计和优化具有很大的参考意义。 参考文献： [1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1996. [2]魏永田，孟大伟.电机内热交换[M].北京：机械工业出版社，1998. [3]荣先成.有限元法[M].重庆：西南交通大学出版社，2007. [4]胡敏强，黄学良.电机运行性能数值计算方法及应用[M].南京：东南大学出版社，2003. [5]史忠震，杨立，李青青，许贞俊.永磁无刷直流电动机三维温度场分析[J].微特电机，2013，41（6）：21-23.
摘要：文章以电动车使用的永磁无刷直流电机为研究对象，采用有限元法，利用传热学的理论和方法建立电机的边界条件，利用ANSYS有限元软件分析计算得出电机的温升概况，及温升对电机性能的影响，然后和实际的实验数据进行比对验证。 Abstract： Using permanent magnet brushless DC motor used by the electric vehicle as the research object， this paper uses the finite element method， the theory and method of thermal to establish boundary condition of the motor； by using ANSYS finite element software analyzes and calculates the motor temperature rise situation and its effects on motor performance； then compares with the actual experimental data and verifies. 关键词：电动车；永磁直流无刷电机；温度场；有限元；内热交换；性能影响 Key words： electric vehicles；permanent magnet brushless dc motor；temperature field；finite element；internal heat exchange； performance impact 中图分类号：U266.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）19-0140-03 0 引言 永磁无刷直流电机（Brushless DC Motor，以下简称BLDC）是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机。以其体积小、重量轻、效率高、运行可靠和维护方便等优点，又具备与直流电机同等良好的调速特性，且无机械式换向，已经广泛应用于伺服控制、数控机床、机器人等领域。但是该电机在长时间使用过程中会面临点击各部件温度升高的问题，严重影响了点击寿命和运行可靠性。对于在电动车上普遍采用的永磁无刷直流电机来说，温度升高会带来永磁体磁密度下降甚至消失、绕组绝缘层被破坏、组件发热发胀引起的电机精度下降等问题。因而，通过计算得出电机的温度场对其设计和优化有着重要的意义。 1 永磁直流无刷电机传热学基础 热源的确定对于温度场的计算非常重要。电机的损耗大部分转化成热量导致各部件温升增大，电机中主要损耗包括绕组和铁芯产生的损耗以及机械损耗。 利用有限元方法对多电机的温度场进行分析时关键的就是准确地计算出热源（定子铜耗、铁耗）、定子槽和铁芯的等效导热系数和一些重要的散热面如外壳、铁芯散热通道内壁、气隙表面的传热系数。 定子绕组铜耗产生的热量可从以下三条途径散出：先传给定子铁芯再传给空气；从通风道中绕组表面传给空气；从绕组端部表面传给空气。铁芯中产生的热量可从以下四条途径散出：先传给绕组再由铜散出；从铁芯外表面散出；从铁芯内圆表面散出；从通风道表面散出。 电机内的热交换方式包括三种，分别是热传导、对流换热以及辐射换热。 热传导是热量由一个系统传到另一个系统或从系统的一部分传到系统的另外一部分的现象。根据傅里叶提出的导热基本定律，可知： 式中：“―”表示热量流向温度降低的方向；？鄣T/？鄣n为温度梯度；λ为导热系数；q为热流密度。 对流换热是与流体所接触的固体表面和流体之间的热量传递过程。据牛顿冷却定律可知： q=hA（Tsurface-Tambient） （2） 式中：Tambient为环境温度；Tsurface为表面温差；A为表面积；h为模系数；q为热通量。 辐射换热则是借助于电磁波传递能量的过程，满足： QR=σεFA（Tsurface-Tambient） （3） 式中：F为辐射面的形状系数；A为热辐射面积；ε为热辐射率；σ为史蒂芬-波尔曼兹常数。 由于在电机中热辐射所占比例很少，所以可以忽略不计辐射换热。 2 永磁直流无刷电机温度场分析 2.1 分析模型的建立 分析模型是利用UG依据工程图纸建立的三维立体模型，在不影响电机热分析的前提下对其进行适当的模型简化。如螺栓导线等就不必要出现在模型中，不是主要热源也不对温度场的分析产生较大影响就可以简化。实体模型如图1所示。 为了计算方便，给出模型和求解域的基本假设如下： ①假设每槽绕组产热相同。②假设铁耗和涡流损耗为恒定值。③槽内所有绝缘体看作一体，材料均假设为绝缘材料。 2.2 有限元模型的建立 划分网格时采用先大后小的原则，如何可清晰体现出电机内部零件尺寸大小比例，且容易对局部的关键接触面进行细化。网格的划分采用手动按照曲率划分的方法。该有限元模型的网格有44862个网格单元，262507个节点数。网格划分的有限元模型如图2所示。 2.3 电机损耗的计算 2.3.1 铁耗的计算 基本铁耗应该分别计算。 ①轭部铁芯的基本损耗： PFej=KaPFejGj （4） 式中：Ka为经验系数，直流电机取3.6；Gj为轭部铁芯重量；PFej为单位质量的损耗，也称比损耗。 ②齿部铁芯的基本损耗： PFej=KbPFejGi （5） 式中：Kb为经验系数，直流电动机取Kb=4；Gi为齿部铁芯重量。 2.3.2 铜耗的计算 假定电流在绕组交界面上均布，则基本铜耗为： PCu=I2R （6） 式中：I为相电流；R为相电阻。 2.3.3 机械损耗 机械损耗主要包括轴承的摩擦损耗和转子旋转过程中的风摩损耗。 ①滚动轴承的摩擦损耗可用下式计算： 式中：v为滚珠中心的圆周速度；d为滚珠中心处直径；F为轴承载荷；Pf为滚动轴承的摩擦损耗。 ②风摩损耗的计算公式： Pfr=KπDlv2（8） 式中：v为转子圆周速度；K为经验系数；Pfr为风摩损耗； D、l分别为转子表面的直径与长度。 ③电机性能指标如表1所示。 2.4 电机内热交换系数的确定 电机内部的换热条件，实际上主要是研究电机内各零件的导热系数和零件与空气间的对流热系数。 2.4.1 电机各部件的导热系数 导热系数是材料直接传递热量的能力，其大小与材料有着直接的关系。热分析所涉及电机各部件的导热系数如表2所示。 2.4.2 电机内外对流换热系数的计算 ①机座壁向周围空气空间的自然传热系数可表示： α=14（θ/25）1/3（9） 式中：α为表面传热系数；θ为机座壁外表面温度。 ②电机气隙表面传热系数可表示： ③定子铁芯与转子各表面传热系数： 3 三维暂态温度场分析与实验 根据上述分析，对一台8极、12槽、额定功率为2.2kW永磁无刷直流电动机在额定负载下进行温度场分析，得到电机运行到12min时刻的温度场分布云图，如图3所示。 仿真分析的机壳温度随时间的变化趋势如图4所示。 仿真分析绕组和转轴温度随时间的变化趋势如图5、图6所示。 仿真分析定子和磁钢温度随时间的变化趋势如图7、图8所示。 实验测试了电机在运行12min时机壳温度为84℃，绕组温度为120℃，根据图4和图5可知仿真数据机壳温度为83℃，绕组温度为115℃，两者基本吻合，从上述图中可以看出，绕组为主要热源，温度最高，磁钢温度相对较低。 电机爬长坡温升实验如表3所示。 4 结论 ①建立的三维暂态温度场计算模型与实验实际测量数据基本吻合，证明电机模型假设的合理性，能够满足对力矩电机暂态温度场预测仿真的要求。 ②电机在运行12min时，磁钢温度达到80℃，温度过高，磁钢容易产生退磁，影响电机正常运行。改变转子铁芯材料，提高导热性，可以降低磁钢的温度。 ③针对永磁无刷直流电动机建立三维暂态温度场模型能够较好地模拟电机温升曲线，该种分析方法对于永磁直流无刷电机的设计和优化具有很大的参考意义。 参考文献： [1]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1996. [2]魏永田，孟大伟.电机内热交换[M].北京：机械工业出版社，1998. [3]荣先成.有限元法[M].重庆：西南交通大学出版社，2007. [4]胡敏强，黄学良.电机运行性能数值计算方法及应用[M].南京：东南大学出版社，2003. [5]史忠震，杨立，李青青，许贞俊.永磁无刷直流电动机三维温度场分析[J].微特电机，2013，41（6）：21-23.