基于正交试验法的永磁同步电机散热系统数值模拟研究*

王淑旺，高月仙，张 磊

(1. 合肥工业大学 汽车与机械工程学院， 安徽 合肥 230009；2. 江苏中科机器人科技有限公司， 江苏 常州 213164)



基于正交试验法的永磁同步电机散热系统数值模拟研究*

王淑旺1，高月仙1，张 磊2

(1. 合肥工业大学 汽车与机械工程学院， 安徽 合肥 230009；2. 江苏中科机器人科技有限公司， 江苏 常州 213164)

新能源汽车的需求使得永磁同步电机(PMSM)向高功率密度方向发展，温升成为其中的一个关键问题，因此对散热系统的研究显得尤为重要。以一台额定功率30kW的强制液冷PMSM为例，通过正交试验法，结合仿真软件的数值模拟，对电机散热系统性能及其影响因素进行研究。根据相关文献和工程经验，确定电机壳体材料、冷却管道结构、冷却介质和管道数目是影响电机散热效果的主要因素。通过对仿真试验结果的极差分析。确定电机散热性能影响因素的主次顺序，得出冷却介质对最高温度影响最大，冷却结构是对管道压降影响最显著的因素。最后从由结果分析给出了较好的方案组合。

永磁同步电机； 散热； 正交试验； 数值模拟

0 引 言

随着科技和经济的飞速发展，能源危机和环境问题日益突出，新能源电动汽车(Electric Vehicle, EV)应运而生，并得到广泛发展和应用。由于汽车留给电机的安装空间有限，电机须具备较高的功率密度和效率。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)与普通电机相比，具有高密度、高效率、起动转矩大、体积小、质量轻等优点，成为车辆驱动电机中的佼佼者，但其电磁负荷和热负荷也相对较大[1]，因而发热量大，温升严重。目前电机的散热效果已成为厂家和学者们关注和研究的焦点。

根据相关文献的查阅以及工程实际经验，总结出影响强制液冷PMSM散热效果的因素主要有电机壳体材料、冷却管道结构、冷却介质和冷却管道数目等。若要考虑这些因素所有组合的影响则需要进行全面试验，而全面试验的试验量和数据量非常大。为提高效率并考虑因素的综合影响，本文运用正交试验的方法结合数值模拟对影响PMSM散热效果的因素进行分析，得出最佳的散热组合。

1 电机物理模型

由于电机结构复杂，为提高计算速度，节省时间的同时又满足工程实际需要，需对模型进行简化。因电机在工作过程中转子和永磁体产生的损耗值较小，故可忽略转子影响[2-3]，同时将绕组、绝缘等复杂结构等效为一个均匀的发热体[4-5]，着重分析包括电机壳体、冷却水、定子和等效绕组的模型。其简化模型如图1所示。

图1 电机求解简化模型

2 正交试验设计

正交试验设计法是应用正交表来设计试验方案，并用数理统计方法分析试验数据的数学方法。正交设计可以用最少的试验水平组合来代替全面试验，通过对试验结果的分析能够了解全面试验的情况，寻求最优水平的组合，是一种高效率、快速、经济的试验设计方法，具有“均衡分散性，齐整可比性”的特点。对试验结果的分析可相应地用极差分析方法和方差分析方法等。

2.1 试验因素

在电机内部电磁结构既定的情况下，电机运行损耗也相应确定。由于本文所用PMSM选用液冷冷却方式，故影响电机温度分布主要考虑电机壳体材料、冷却管道结构、冷却介质和冷却管道数目等因素[6- 8]。

2.1.1 壳体材料

设计电机过程中，不仅要考虑结构设计的问题，同时还需考虑材料的选取及其加工工艺。对于结构复杂的壳体，通常采用铸造工艺进行加工。车用PMSM的壳体目前一般选用下面3种型号的铝合金：A356-T6、ADC12和6061-T6。不同材料的物理性能参数一般不同，所以不同材料的壳体传热系数有所差异，因而电机散热效果不同。

表1列举了3种材料的相关热物性参数。

表1 机壳材料及参数

2.1.2 冷却管道结构

液冷电机主要依靠冷却液与壳体的对流换热将电机运行产生的热量带走达到散热效果，因而对冷却管道结构的设计显得尤其重要。一个好的有效的冷却管道结构不仅能最大可能地使冷却液带走更多的热量，同时还兼顾到冷却液的进出口压差和温差，减小冷却液供给泵的负荷。冷却管道的结构设计是一个综合考虑多种因素且需不断优化的过程。液冷电机的冷却管道一般设计在壳体内，结合设计经验和相关参考文献，文中给出了3种结构，如图2所示。其中：图2(a)为轴向Z字型冷却管道结构；图2(b)为轴向螺旋型冷却管道结构；图2(c)为轴向工字型冷却管道结构。

2.1.3 冷却介质

流体的物性参数会影响其流动状态和散热能力，不同冷却液在壳体和流体间的对流换热强度将不同，从而影响电机的温升情况。

水的比热较大，无污染，价格低廉，是使用最多也是相对理想的冷却介质，但凝固点温度较高而沸点温度较低，冬天易结冰，冻坏冷却系统，夏季易沸腾，车辆不宜长途行驶，且水会引起冷却管道壳体的腐蚀，同时还容易产生水垢难清除，使散热效果越来越差。为解决上述问题，通常使用乙二醇水基防冻液，除冰点低、防冻的优点外，还具有防腐、防垢功能，沸点常在100℃以上。油冷电机目前应用也较广，主要是因为油的介电常数很高、绝缘性好、 有良好的散热效率等。随着现代汽车工业的不断发展，使用要求越来越高，其功能还包括减少摩擦、减少磨损、耐高低温、防腐、防锈、清洗、动力传动、防震、密封等。

图2 三种不同冷却管道结构

表2列出了3种不同冷却介质的物性参数。

表2 冷却介质及参数

2.1.4 管道数目

随着冷却管道数目的增加，电机散热能力随之增强，但同时会带来进出口压差增大的问题，因此电机机壳内合理的冷却管道数量是电机良好散热效果的保证。根据设计经验选取冷却管道数量为5、6、7进行研究。

2.2 试验指标

对该电机而言，温升最高点往往出现在绕组端部。温升过高不仅会导致结构变形，还会使电机绝缘受到破环，严重影响电机的运行性能和使用寿命。此外，实际冷却管道设计过程中除考虑散热效果外，还要兼顾泵的工作负荷。在电机壳体上，进出口直径和冷却液流量固定的前提条件下，冷却管道内流体场主要取决于冷却管道结构。当冷却介质流速越大时，对流换热系数会变大，散热效果增强，但同时由于流速的增加，会使得流阻增加，管流总压降变大，流体流经管道的沿程损失也越大。

因此本文选定绕组最高温度和管流压力作为电机散热性能的试验指标。

2.3 正交表和水平选择

根据上述对电机温升影响因素的分析，确定正交表为4因素，而各因素水平数的确定应满足实际情况及正交试验的原则，标准表的水平数都相等且只能取素数或素数幂，因此选取3水平。各因素水平如表3所示。

表3 各因素水平

本文试验研究为4因素3水平，进行全面水平组合则需进行81次试验，若采用L9(34)正交表则仅需做9次试验就可以进行全面分析，反映出各因素与指标之间的关系。

3 边界条件

电机工作的损耗是电机温升的来源。PMSM的定子铁心损耗是主要铁心损耗，转子铁耗仅约占总损耗的1%[9]，因此忽略转子损耗。经计算额定功率30kW和额定转速3000r/min PMSM的损耗值为定子铜耗575W、定子铁耗787W。假设电机运行产生的各项损耗分别均匀分布在热源中，且产生的热量全部由冷却液带走。

冷却液流量不变，为10L/min，进口和出口温度均为60℃。

电机壳体和定子间的接触热阻参考文献[10-11]。

冷却介质进口边界条件取速度入口，速度为0.83m/s；出口边界条件为压力出口，压力为0Pa。

4 正交试验数值模拟结果分析

根据正交试验设计安排正交表，利用STAR-CCM+采用数值模拟的方法，对电机进行流体场和温度场的耦合计算[12]。由仿真结果得到正交试验结果，如表4所示。

表4 正交试验方案和结果

由正交表及其结果对试验指标分析进行[12]，结果如表5所示。

表5 绕组最高温度极差分析

由表5可看出，4个因素中，冷却管道结构极差最小，是对绕组最高温度影响最小的因素，冷却介质极差最大，对绕组最高温度影响最为明显。根据极差R排出影响绕组最高温度的各因素主次顺序为C冷却介质、D冷却管道数目、A壳体材料、B冷却管道结构。

各因素对绕组最高温度的影响趋势如图3所示。

图3 绕组最高温度随各因素水平的变化趋势

由图3可以看出：壳体材料为6061-T6时温度最低，6061-T6导热系数最大，温升结果与材料的性质相符；轴向Z字形冷却效果最好，工字形最差；当采用的冷却方式相同时，水是三种冷却介质中效果最好的，因为水的导热系数和比热容均最大；冷却管道数目为7时温度最低，且由图3中变化趋势可看出水道数目越多散热效果越好。

由表6中管流压降极差R的大小分析，可知壳体材料、冷却管道结构、冷却介质、冷却管道数目4个因素中，壳体材料的极差最小，对压降影响最小，冷却管道极差最大，影响最为显著，各因素的主次顺序为D冷却管道数目、C冷却介质、B冷却管道结构、A壳体材料。

表6 管流压降极差分布

各因素对管流压降的影响趋势如图4所示。

由图4可看出：冷却管道数目是对压降影响最大的因素，所以设计时需主要考虑结构，随着冷却管道数目的增加，压降也随之增加，容易看出压降的增幅也越显著。由于油的黏度较大，流动过程中相应流阻也较大，故其压力是最大的；当结构为轴向工字形时，压降最小，螺旋形次之，轴向Z字形存在多处折转，压降最大，故对压降来说较好的结构应该是轴向工字形。

图4 管流压降随各因素水平的变化趋势

根据正交试验的均匀可比性，综合两个评价指标，将各因素的好的水平组合起来，得出所要求的较好的组合方案，即A3B2C1D2。

极差分析法简单易行、直观易懂，但没有把试验过程中试验条件改变所引起的数据波动与由试验误差引起的波动区分开来，也无法对各因素影响的重要程度给出精确的定量估计。此外，对两指标进行综合评价的权衡系数的确定需要根据生产经验以及重要性分析而定，没有唯一标准，选出的较好的组合还需在后面的试验中进一步确定。以上分析只是在3水平因素下得到的结果，更多选择的冷却管道结构以及数目等影响需在今后的分析和研究中完善。

5 结 语

从正交分析可以发现各因素对绕组最高温度影响重要性顺序为冷却介质、冷却管道数目、冷却管道结构、壳体材料，对管流压降影响主次次序为冷却管道结构、冷却管道数目、冷却介质、壳体材料，由各因素水平的影响趋势，得出较优的水平组合。正交试验设计通过较少的计算模拟，全面了解到试验情况，得到各因素的综合影响效果和不同指标影响因素的主次排序，获得较好的水平组合方式，结果准确可靠，为工程实际对电机散热结构设计提供了分析方法并具有一定的意义。

[1] 黄苏融．电动车用电机的技术发展概况[J]．电器工业·中小型电机专辑，2003(1)：8-10.

[2] 刘蕾，刘光复，刘马林，等.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.

[3] 魏雪环，兰志勇，谢先铭，等.永磁体涡流损耗与永磁同步电机温度场研究[J].电机与控制应用，2015，42(5)：28-31．

[4] XYPERAS J， HATZIATHASSIOU V． Thermal analysis of an electrical machine taking into account the iron losses and the deep-bar effect[J].IEEE Transactions on Energy Conversion， 1999，14(4)：996-1003．

[5] 张琪,王伟旭,黄苏融,等.高密度车用永磁电机流固耦合传热仿真分析[J].电机与控制应用，2012,39(8)：1-5.

[6] 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.

[7] 梁培鑫，柴凤，李翠萍，等.水冷电机水路设计的研究[J].微电机，2013,46(5)：1- 4.

[8] 李翠萍.微型电动汽车用感应电机的冷却系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[9] 丁树业,刘书齐,毕刘新,等.矢量控制下永磁同步电机的损耗分析[J].西安交通大学学报,2013,47(12)：95-101.

[10] DEVDATTA P K, GABRIEL R, EDWARD C. Experimental investigation of contact resistancefor water cooled jacket for electric motors and generators[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2012,27(1)：204-210.

[11] 黄国治,傅丰礼.中小旋转电机设计手册[M].北京：中国电力出版社,2014.

[12] 李明，李明高.STAR-CCM+与流场计算[M].北京：机械工业出版社，2011.

[13] 王超，何雅玲，刘迎文，等.基于正交设计试验的电机散热的数值模拟研究[J]．工程热物理学报，2011，32(1)：89-92．

本刊投稿网址：motor-abc.chinaelc.cn

Numerical Simulation Research on Heat Dissipation of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Orthogonal Experiment*

WANGShuwang1，GAOYuexian1，ZHANGLei2(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

2. Jiangsu Zhongke Robot Technology Co., Ltd., Changzhou 213164, China)

The demand for clean-energy vehicles made permanent magnet synchronous motor (PMSM) develop in the direction of high power density and the study of the cooling system was particularly important for the temperature rise was one of the key problems. A 30kW forced liquid-cooled PMSM was set as an example. By orthogonal experiment and numerical simulation software, the motor cooling system properties and its influence factors were studied. According to the relevant literature and engineering experience, the housing materials, the cooling structure, the cooling medium and the number of pipelines were determined as the main factors affecting the motor cooling effect. The primary and secondary order of these factors were determined by the range analysis of the simulation results and it showed that the cooling medium and the cooling structure were, respectively, the most significant factor of the temperature rise and pressure drop. Simultaneously the results of the analysis also gave a better combination.

permanent magnet synchronous motor(PMSM)； heat dissipation； orthogonal experiment； numerical simulation

混合动力乘用车机电耦合系统开发及产业化项目(1501021004)

王淑旺(1978—)，男，博士研究生，副教授，研究方向为电动汽车电驱动系统和汽车自动化装备。

TM 351

A

1673-6540(2016)11- 0103- 05

2016-05-03