原创 如何预测纯电汽车驱动电机的热负荷？新方法可大幅提高计算速度
吉利汽车研究院（宁波）有限公司的李丹丹、毛金龙、唐城琨再2024年第12期《电气技术》上撰文，采用热流固耦合数值仿真方法对某纯电汽车用水冷扁线永磁同步驱动电机进行峰值扭矩和额定转速工况下的热负荷预测。其中，峰值瞬态工况采用多参考坐标系（MRF）定义旋转，结合周向热通量平均算法，大幅提高了计算速度，且仿真结果与试验结果基本一致。
仿真结果表明，峰值工况和额定工况下，电动机冷却水套进出口温差分别为2.8K和4.0K；定子线圈及转子磁钢的最高温度均满足相应耐温设计指标，表明冷却液的质量流量和电动机水套设计合理；不同于额定工况，峰值工况下各零部件的大部分热量均用于自身温度升高，但传热路径基本一致，主要传热路径均为定子线圈→绝缘纸→定子铁心→水套外壳体→冷却液，在温度场达到稳定时此路径传出的热量占总产热量的96%以上。
研究背景
永磁同步电动机功率密度大、功率因数高、高效区范围广、起动转矩大、噪声小，是新能源汽车驱动电机的主流机型。伴随更高的功率密度要求，电动机的损耗密度迅速增加，这使其热管理更具挑战性，并成为限制其性能的主要因素。对于电动机的冷却形式，混动车型当前考虑高度集成化，更倾向于采用与发动机和变速器集成的油冷电动机，而纯电动车型的驱动电机仍以水冷方式为主。
论文所解决的问题及意义
目前，对电动机温升的常用计算方法有简化公式法、等效热路法、等效热网络法、有限元法及热流固耦合法等。
本文的研究对象是一款用于纯电动车型的七合一三相六极54槽扁线水冷永磁同步驱动电机，最大功率80kW，绝缘等级H级。
由于电动机上部的控制器总成、右侧减速器总成内部的各零部件及减速器端盖对计算电动机温度场的影响较小，计算模型不包含以上各部分。另外，在不影响温度场仿真计算的前提下做如下简化：
①删除没有必要的部件，如垫圈、螺栓、波形弹簧、警示标签、三相接线座等；
②仿真模型结构简化，如简化端盖及外壳体上的一些圆角、螺栓孔等；
③封闭没有密封的区域，以便抽取流体计算域，如零部件之间的接触区域等；
④定子线圈根据保持外轮廓不变且等质量的原则进行简化。电动机、定子线圈及转子简化后模型如图1所示。
图1 电动机、定子线圈及转子简化后模型
论文方法及创新点
本文仿真中的计算域共16个，包括定子铁心、绝缘纸、定子线圈、转子铁心、转子磁钢、转子内部空气域、平衡端环、转子轴、转子压环、轴承、冷却液流体域、驱动电机总成内部空气域、外壳体、水套壳体、端盖板和旋转变压器。不同的计算域之间创建交界面，热量通过交界面互相传递。
冷却液流体域网格采用Polyhedral Mesher和Prism Layer Mesher，棱柱层3层，棱柱层厚度0.7mm，进出口不划分棱柱层；其他区域采用Polyhedral Mesher和Thin Mesher，薄体层数取3；驱动电机总成内部空气域不划分棱柱层；转子内部空气域不流动按等效固体域处理（物性按80℃空气取），同样不划分棱柱层。
基于以上网格策略，驱动电机体网格总数为1053万，且比较薄的区域如定转子间气隙及绝缘纸处均保证为3层网格。划分后的驱动电机x向切片体网格如图2（a）所示、y向切片体网格如图2（b）所示。
图2 仿真计算用体网格
结论
本文考虑电动机壳体内空气域对定转子间传热的影响，采用热流固耦合方法对某电动汽车驱动电机热负荷进行仿真，并通过试验测试数据进行对比验证，主要结论如下：
1）冷却水套温度最高区域位于远离冷却液入口的端部线圈附近。峰值工况和额定工况进出口温差分别为2.8K和4.0K。
2）该电动机的额定工况和峰值工况的定子线圈最高温度均满足相应漆包线耐温设计指标，以及电机绝缘等级H级设计指标，表明此电驱热管理设计合理。
3）驱动电机的最高温度位于定子线圈端部。定子铁心的高温区位于齿部，且越靠近端部温度越高。定子线圈的高温区位于端部，且远离冷却液入口侧的端部温度最高。
4）定子线圈和定子铁心自身产热的主要传热路径为定子线圈→绝缘纸→定子铁心→水套外壳体→冷却液，在温度场达到稳定时此路径传出的热量占总产热量的96%以上。转子铁心和转子磁钢自身产热的主要传热路径为转子磁钢→转子铁心→转子轴、转子磁钢→转子铁心→平衡端环。
5）峰值瞬态工况下各零部件的大部分热量均用于自身温度升高。
6）峰值瞬态工况采用MRF定义旋转，同时结合周向热通量平均算法，256核用时34h完成计算，与采用RBM定义旋转相比，仅从扩大步长角度，仿真计算时间即可缩短为原来的1/120，且仿真结果与试验结果基本一致。
本工作成果发表在2024年第12期《电气技术》，论文标题为“ 某纯电汽车永磁同步电动机热流固耦合数值模拟”，作者为李丹丹、毛金龙、唐城琨。