基于RMxprt和Motor-CAD永磁电机温升速算方法 叶飞
西咸新区绿港驱动技术有限公司，西安，710018
摘要：电机的温度场分析往往需要进行大量的数据运算和处理，随着计算机技术和CFD技术的不断发展，这一项工作变得越来越简便，然而工程技术人员在使用Fluent等专业CFD软件进行电机全域温度场求解时，网格划分及参数优化过程通常都比较耗时，不利于电机设计初始方案的确定。本文基于等效热网络法，利用Motor-CAD 软件计算电机温升，可以大大缩短设计时间，节省计算资源。 关键词：RMxprt；Motor-CAD；电机温升；等效热网络法
Permanent Magnet Motor Temperature Rise Fast Method
Based on RMxprt and Motor-CAD
YeFei
Abstract：Motor temperature field analysis,often requires a large amount of data operation and proces
sing,with the continuous development of computer technology and CFD technology,this job is becoming more and more convenient, however,and other professional engineering and technical personnel in the use of Fluent CFD software to motor full domain to solve the temperature field,the grid division and the parameter optimization process is usually more
time-consuming,not conducive to the determination of the initial solution of motor design.Based on the equivalent thermal network method,the Motor-CAD software is used to calculate the temperature rise of the Motor,which can greatly shorten the design time and save computing resources.
Keyword：RMxprt；Motor-CAD；motor Temperature Rise；equivalent thermal network
1前言
随着电机轻量化和高能量比需求的不断增加，电机设计工作不再仅仅只是要保证性能可靠和低成本，更重要的是要能够提供尽可能小的体积和较轻的质量，这就必然导致电机单位体积能量的增加，从而引起电机温升的升高。要保证电机仍能安全地运行，就必须提高电机的散热能力。
近年来，国内外许多学者在电机温升计算及散热结构优化上做出了许多新的尝试和探索，并取得了一定的成果。文献［1-2］基于流体动力学CFD分别计算了周向螺旋水路和轴向Z字形水路电机温升，研 究了不同水路电机温升分布，对比了两种水路性能，分析了各自的优缺点，并给出不同电机长径比水冷电机水路选择方法。文献3］利用有限元法和热网络法计算了直接水冷电机温升，分析了不同方法计算温升的准确性。文献［4］研究了不同水速下水冷永磁电机绕组温升情况并验证了Fluent仿真的准确性。文献［5］使用Motor-CAD计算得到两种不同牵引电机全域温升分布并通过试验进行了验证。文献［6］基于多场协同仿真给出了考虑高次谐波损耗的电机损耗计算方法。文献［7-10］基于数值模拟分别对电机流场进行分析并提出一些优化电机散热能力的方法。 本文旨在介绍一种使用RMxprt和Motor-CAD快速准确计算电机温升的方法，为合理制定电机设计初始方案和后续CFD优化提供参考。
2
RMxprt 数据输入及热模型导出2.1数据输入
RMxprt 是Ansys 系列软件中基于等效磁路法计算电机电磁性能的一个模块，操作简单，快速准确，能够解决目前工程应用上大部分电机类型的求解需求。
RMxprt 的输入数据中，摩擦损耗和风摩损耗一定程度上会影响电机效率和温升的计算，应按下式估值：
2.1.1摩擦损耗
摩擦损耗即轴承等部件在运行过程中由于机械摩擦而产生的损耗，工程上可由经验公式[11]计算：
41.04710
d P M n -=⋅⋅⨯(1)
式中：M 为摩擦力矩-N ·m ；n 为转速-r /min 。
2.1.2风摩损耗对于不带冷却风扇的永磁电机，风摩损耗主要由电机转子表面与空气的摩擦产生，由气隙中的速度分布和气隙中的空气自身特性决定[12]，同时风磨损耗还要受到转子表面粗糙度的影响。忽略偏心等因素的影响，假设转子的外表面近似为一个圆柱的表面，计算公式如下： 340f f P KC r L ρπω=(2)
式中：K 为转子表面粗糙度，光滑时取1；C f 为转子外表面摩擦系数；ρ0为气体密度-kg /m 3；ω为转子角速度-rad /s ；r 为转子半径-m ；L 为转子铁芯长-m 。对于密封电机，可认为转子轴向无风速，转子外表面的摩擦系数表示为：
0.2400.0152f e e C R r R δδρωδ
μ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩(3)
式中：R eδ为由于转子旋转而引起的转子表面空气切向摩擦的径向雷诺数；δ为气隙大小-m ；μ为空气的动力粘度-Pa ·s 。
由公式（1）～（3）计算得，83.8d P =W, 1.1f P =W 。
对于一般永磁电机（n ＜5000r/min ），风摩损耗通常可以忽略不计。
其余数据根据电机设计参数，参见相关书籍或资料完成输入。
2.2热模型导出
RMxprt 求解完后，依次点击菜单栏图标RMxprt→Analysis setup→Export ，打开模型导出对话框，在Type 下拉菜单中选择MotorCAD Project ，如图1。
设置好保存路径，单击OK 完成。
图1热模型导出
3热模型参数设置
3.1数据读取及修改
双击打开RMxprt导出的.mot文件，电机类型、定转子几何尺寸、绕组数据、损耗等将自动导入Motor-CAD软件中，无需重新建模，如图2、图3。
图2电机定、转子几何尺寸
RMxprt中内置式永磁同步电机目前无法添加转子孔，可在Motor-CAD中手动添加，同时需根据设计修改轴承和壳体外形尺寸。
3.2冷却及热源设置
3.2.1水套参数确定
永磁同步电机通常采用水冷方式进行冷却，常用的水套结构有轴向Z型和周向螺旋型。因流阻较大，轴向水道适合轴向长度较长而周向半径较小的电机[2][13]。
本文以一个现有产品为例介绍电机温升速算方法，对于水套结构的选择不作深入讨论，原则上电机轴向长度数倍于水路中心圆直径，轴向水道冷却系统的综合效果才会优化螺旋水道。
本文电机考虑壳体成型工艺、总机装配工艺等，选用轴向Z 型水道，在Motor-CAD 中Housing 项选择Water Jacket(Axial)
。
图3绕组数据
电机定子外圆D i 为290mm ，壳体外圆D o 为334mm ，考虑机械强度，水套内外壁厚h
均取7mm ，电机总损耗P g ＝2164.3W ，设进水口温度60℃，出水口温度65℃，因此：
（1）冷却水流量
()60g
m out in k P Q c T T ρ⋅⋅=⋅-(4)
式中：Q m 为冷却水流量-L /min ；k 为系数，一般取2～3；c 为水的比热容-J/Kg ·℃；ρ
为水的密度Kg/L 。
计算，得()
60 2.52164.315.507141874540Q m ⨯⨯==⨯⨯-L/min ，取整16L/min 。（2）水道截面尺寸
3
1060m Q S υ=⨯⋅(5)
式中：S 为水道截面积-mm 2；υ为冷却水流速-m /s ，一般初始值取0.5m /s 。
计算，得533S =mm 2。
（3）水道长宽尺寸
假设水道个数为n ，长为a ，宽为b ，隔板宽为c ，则有22()2o i o i
a b S D D b h D D n a c c h π⋅=⎧⎪-⎪=-⎪⎨+⎪+=⋅⎪⎪≥⎩
(6)
经计算，当c 取值7mm 时，得66.6813.3a b n =⎧⎪=⎨⎪=⎩
由于本电机进出水口在同一侧，所以n 必须为偶数，为保证电机机械强度，n 取12，重新计算，取整得a ＝65mm ，c ≈16.5mm 。
将上述计算结果输入Motor-CAD 中得到水冷电机模型如图4、图5
。
图4水冷电机径向模型图5水冷电机轴向模型
3.2.2冷却参数
在Input Data 页中Fluid Properties 项选择相应的冷却液，也可以手动输入冷却液热性能参数。进水口温度设为60℃，流量按3.2.1计算结果输入（需单位转换），其余项保持默认（用户可根据水套实际设计修改相应参数，如水道并联路数等），如图6。
由于本电机是水冷冷却且内部无风扇，Radiation 、Natural Convection 和End Space 项均可保持默认。
3.2.3交界面设置
由于加工工艺的原因，不存在绝对光滑的材料，接触面之间都会存在缝隙。电机中定子和机壳之间的接触间隙对温升的影响较大，铝制机壳与铁芯间等效气隙厚度平均值为0.051mm [14]。
在Interfaces 项修改Stator Lam-Housing 间隙值为0.051mm ，其余保持默认。
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