第13卷 第1期2009年1月
电 机 与 控 制 学 报
ELE CTR IC M ACH I NE S AND CONTRO L
Vo l 113N o 11Jan.2009
郭 伟, 张承宁
(北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081)
摘 要：为了提高车用永磁同步电机的短时过载能力和功率密度，利用有限元方法进行了综合考虑电磁、热和控制策略的损耗和瞬态温升的非线性仿真分析。损耗分析指出了铁耗由于弱磁的原因在基速附近就达到了最大；峰值工况下的铜耗在整个速度范围内基本不变；连续工况下的铜耗最大值也同样因弱磁的需要而出现在最大工作转速。瞬态温升分析表明绕组端部温度最高而成为薄弱环节；短时工作时永磁体的温度比绕组低但连续或循环工作时两者温度相差不大；增加水流量对绕组温升的影响有限，特别是短时峰值工作的影响就更小，水冷电机加强散热能力的方法在于加强材料应用和工艺改进。 关键词：永磁同步电机；铁耗；温升
中图分类号:TM 35
文献标识码:A
文章编号:1007-449X (2009)01-0083-05
Iron losses and transient te m perat ure anal ysis of t he per m anent
m agnet s ynchronous motor for electric vehicles
GUO W e,i Z HANG Cheng -ning
(Schoo l ofM echanical V ehicu l a r Eng i neering ,Be iji ng Instit u te o f T echno logy ,Be iji ng 100084,Chi na)
Abst ract :To extre m ely m i prove shor-t ter m overl o ad capab ility and high po wer density of the motors for e l e c -tric vehicles ,the losses and transient te m perature ri s e w ere thoroughly sm i ulated w ith finite ele ment m et h od
considering t h e electr o -m agnetic ,ther m al a nd control strategy .Losses a nalysis i n dicated that the max m i um -i ron loss occurred at t h e base speed due to the fiel d -wea keni n g .The copper losses were al m ost constant for peak po wer oper ati o n .The m ax m i um copper loss for conti n uous operation m ode occ urred at m axm i u m opera -ti o n speed because of the field -w eakening require m e nt as wel.l The te mperature ri s e ana l y si s sho w ed that the w i n ding end w as the vulnerable area where the hi g hest te mperature occ urred .The te mperature i n the per m a -nent magnetw as l o w er tha n i n the w i n di n g at shor-t ter m operation and there was fe w difference bet w ee n the t w o at conti n uous operati o n or po wer loop .Increasi n g water flo w has very lm i ited m i pact on w indi n g te mpera -ture ,especiall y at shor-t ter m peak po w er operation .The key techniques t o enhance the heat dissipation ab ility ofw ater -cooled m otor were t h e m i pr ove m ent ofm aterial and processi n g techno log i e s .K ey w ords :per m anentm agnet sync hronous m otors ;iron l o ss ;te mperature r i s e
收稿日期:2008-09-24
基金项目：国家/八六三0高技术基金项目(2007AA11A105)
作者简介：郭 伟(1972-)，男，博士，讲师，主要研究方向为特种电机设计及控制;
张承宁(1963-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子与电气传动、电动车辆电池监控系统。
1 引 言
驱动电机系统是电动汽车的核心技术，永磁同步
电机系统以其高功率密度、高效率而成为车用驱动系统的最优选择之一。电动汽车对驱动电机系统的要求是不仅需要有大的起动转矩，而且要有宽广的恒功
率速度范围(即较高的弱磁能力)，并且在整个速度范围内都有较高的效率。特别是为了满足电动汽车起动、爬坡等需要，电机必须有很强的短时过载能力，已成为车用驱动电机系统的必要的考核指标，并提出了短时峰值工作区的概念[1]。这种短时转矩和功率过载能力可能超过连续工作时的3倍，高强度的过载能力和车载电机要求重量轻效率高的的特点，给电机设计和分析提出了更高要求，必须电磁、热和控制策略综合考虑，特别是永磁材料会因过热而出现不可逆的退磁，精确的热瞬态分析就更为重要。
热分析的基础是损耗分析，电机中的损耗主要为铜耗和铁耗。电机的铜耗比较容易求解，而由于P M S M铁心中的磁场变化规律比较复杂，与电机的结构、转速及控制策略密切相关，而车用电机工作时
的非正弦特性和铁磁材料的饱和特性也增加了铁耗计算的难度，常用的铁耗计算方法为谐波分析法[2-4]，它考虑铁心中的磁通密度的非正弦、非线性特性，并且考虑到控制策略的影响[5]。在已有的文献中，铁耗计算主要集中于稳态运行时，如逆变器供电情况下的异步电动机和P M S M的铁耗分析[3,4,6-8]，对P M S M铁耗和稳态温度场也得到了部分研究[9,10]，但是都没有考虑电机短时过载能力的问题，由于热传导的时间常数远大于电气系统的时间常数，在峰值工作周期结束时温度场还远远没有稳定，只有瞬态热分析才能较好的考虑这种情况。为了较为准确的进行温度分析，本文热分析和电磁分析都采用了有限元方法，控制策略的优化也采用了有限元结果。
2磁场分析
211样机参数
车用P M SM电机为表贴式，其主要参数为：额定功率为24k W，峰值功率为52k W,5000r/m in 以下为恒转矩,5000r/m i n~8000r/m in为恒功率速度范围，额定相电压为127V，定子为36槽,2对极，定子外径为210mm，定子内径为103mm，气隙为1mm，铁心长度为96mm。 212磁场分析
峰值工作时定子和转子内一些关键部位的磁感应强度随时间的变化如图1所示。其中:B t、B ys分别
为定子齿根磁密的径向分量和定子轭磁密的切向分量;B P Mm、B PM t和B y r分别为磁钢中部、磁钢靠近气隙的顶部和转子轭中的磁密。相应的谐波分析如图2所示。由图2可以看出，定子内的磁密幅值变化比转子内大很多,B t接近方波而B ys变化较为缓慢，因此B t 中的谐波分量要大得多(图2(a)、图2(b))，除了很大的基波外还有幅值较大的奇数次谐波，而B ys中除了基波分量外，只有极少量的奇数次谐波。在转子中，磁钢中的磁密要高于转子轭，且有较大的直流分量，由于直流分量不会产生损耗，在图2(c)、图2(d)、图2(e)中的谐波分析中已将其忽略，分析表明，转子中的谐波分量幅值很小，即使幅值最大的B P M t，也只
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有0104T 左右，虽然转子中的谐波分量的次数相对较高，但铁耗也不会太大。
从谐波分析可以预计，定子中的铁耗会远大于转子。
3 铁耗分析
311 铁耗分布
图3所示为电机在转折转速5847r/m in ，峰值工作时的铁耗分布，铁耗明显的集中于定子，特别是定子齿中，而定子齿的齿尖部位是铁耗密度最大的地方,
这和磁场分析的结果一致。
图3 P M S M 铁耗分布
F ig .3
Iron loss d istribu ti on of P M S M
312 不同工况下的损耗
为了分析连续和峰值工况下最严酷的工作状态，对电机在整个速度范围内的铁耗和铜耗进行了分析。峰值工作时为了得到最大的输出功率，在整个速度范围内相电流幅值I s =282A 不变，连续工作时以电流最小为目标以降低铜耗。
通过对整个速度范围内的峰值工作线上若干工作点的铁耗分析可以得到一条铁耗)速度曲线，如图4所示，其中P Fe -s 、P Fe -r 、P Cu 、P Fe -sJ 和P Fe -s H 分别为定子总铁耗、转子总铁耗、定子铜耗、定子铁耗中的涡流损耗和定子铁耗中的磁滞损耗。由图4可以看出，铜耗在整个速度范围内不变。铁耗主要集中于定子中，其中又主要以涡流损耗为主。转子中的铁耗完全可
忽略不计。铁耗在转折速度以下基本成指数上升，这是因为在基速以下恒转矩，各次谐波磁感应强度最大值基本不变，只不过随速度的增高，谐波的频率在增大，铁耗随速度的变化曲线反映了铁心材料铁耗与频率的关系，一般呈指数分布。当速度大于基速后，铁耗基本不变，这是因为基速以上采取弱磁控制，磁密随速度增大而减小，磁密和频率平衡的结果是铁耗基本没有变化，当然这与采用的铁磁材料的特性是相关的。
当电机工作于连续工况时，损耗与速度的关系如图5所示。其中转折速度以上弱磁工作后铁耗是降
低的，但当转速超过7500r /m i n 后，由于过高的反电
势，低速时足够产生连续工作转矩和功率的I s 即使弱磁也输出不了24k W 的功率，必须增大I s 以增强弱磁能力来提高恒功率范围。因此连续工况下定子电流和铜耗的最大值出现在最高连续工作转速点。
4 温升分析
411 模型简化
在温升分析中为了突出主要问题，简化3D 模型的复杂性，做以下简化，即
1)所有部件内部为一个整体，导热能力各向同性;
2)三相绕组合为一个整体，内部均匀发热;3)定子铁心内部均匀发热;4)杂散损耗以功率的015%计入铁耗;5)忽略转子铁耗、机械损耗;
6)水冷效果以水套表面的散热系数表示，由于水的比热很大，进水口的温度和出水口的温度差一般不超过10e ，认为水套表面温度相等。412 温度分布
电机从稳态温度25e 开始，峰值工作至6m i n 时绕组和磁钢中的温度分布如图6所示。可以看出绕组端部半径较小的部位温度是最高的，在铁心中部靠近机壳部分温度最低，最高温度和最低温度的温度差约4e 。这是因为水冷电机主要靠定子铁心传热到机壳，然后经水带走，这种电机由于转速较高，为了降低机械损耗，内部没有风扇，利用空气散掉的热量很少。说明对水冷电机来说，绕组温度的最高点在绕组
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第1期车用永磁同步电机的铁耗与瞬态温升分析
端部，其发热严重但散热条件很差，是绕组温升的薄弱环节，由于仿真时绕组作为一个整体看待且导热系数取得很高，而由于绕组内绝缘的影响，绕组端部比中部的温度差实际上要更高。
图6绕组中和磁钢中的温度分布(t=6m in)
F i g.6T e mp erature in w i nd i ng and p ermanent m agne t
由于转子中没有损耗，转子中的热量都来自于定子，因此转子中的温度沿径向由外向内逐步降低，如果考虑到转子表面由于齿谐波而产生涡流损耗，则永磁体的靠近气隙的表面部分温度将是最高的。
413连续工作工况
图7为连续工作工况下绕组和磁钢内的几个关键点的温度变化，各关键点的定义见图6。由于热量从定子传输到转子需要一定时间，绕组中的温度很快指数上升，而磁钢中的温度则几乎在线性上升。绕组中的温度在大部分时间里要远高于电机其他部位。绕组温度在20m in时就已接近稳态值，而磁钢温度则上升得慢的多，但随着时间的推移，磁钢的温度会逐渐接近定子温度，一个小时后温度相差约为11e。这是因为转子上的热量主要靠转轴和空气散发出去，其散热能力有限，转子中的热量逐步累计，温度升高，温度差体现了定子热量要传导到转子上的热阻。如果考虑车载电机冷却散热条件的恶化，当冷却水温高达50e时，在连续工况下磁钢的温度也可能出现165 e左右的高温，磁钢可能出现退磁现象。
图7连续工况温升
F i g.7T e mperature rise at con ti nuous cond ition
对水冷电机来讲，水流量的设计是车载冷却系统非常关心的问题，为了保证电机的冷却效果，常常希望有较大的流量，如图8所示为四种流量下的T P M
-
t
和T c
-e
-
i，每种流量下的等效散热系数分别为14、35、
70和105W/e，可以看出增大流量的确可以起到降低温升的作用，但效果并不明显，因为虽然水流量增大了，由于水的比热很大，结果只是使得出水口和进水口的温度差减小，水套的平均温度的降低并不多，只能使温升有少量降低。
图8连续工况水流量的影响
Fig.8Temperatu re rise at d ifferen t water flo w rate(con-ti nuou s power operation)
414峰值工况
图9为峰值长时间工作时节点温度随时间的变化与水套散热能力的关系。可见在长期工作的情况下水流量对温度的影响是类似的。但是，电机因为温升问题不能长时峰值工作。从短时工作的角度看，水
流量对绕组和磁钢温度的影响很小。在最初的十几分钟内，不同流量下的绕组温差不足4e，磁钢内则更小。
图9峰值工作时水流量的影响
F i g.9T e mp erature rise w ith d ifferent water f l ow
rate(peak po wer operation)
图10为电机峰值工作6m i n后停止工作并持续水冷散热的温度变化曲线。温度在工作时上升很快，停止工作后绕组温度很快指数下降，而磁钢中的温度则由于定子温度较高而先上升后下降，但上升幅度很小且持续时间很短，不过下降的速度要慢的多。即使到了1小时后，磁钢的温度也比绕组高3e左右。由于实际工作时电机不可能得到充分冷却，因此电机在循环工作情况下的温升就更为重要。图11为电机在功率循环情况下的温升，峰值3m i n和连续10m i n交替进行。这种工况下的温升明显比单纯连续工作要高,1h后磁钢的温度就达到了可能引起退磁的161e。同理，如果考虑到冷却环境的恶化问题，磁钢是可能因温度而退磁的。在对样机做峰值工作特性和连续
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工作特性时，由于功率一至处于循环状态，试验样机就出现了约10%左右的退磁，在把N dFeB磁钢换
作SmCo 永磁合金后解决了问题。
415其他分析
过高的温度可能会造成磁钢退磁，这是永磁电机的严重故障，因为退磁后电机在一定电流下的出力减小，可能会导致驾驶员为了加大动力使得电机长期工作于大负荷状态，造成进一步退磁直至损坏。
由于磁钢和绕组温度变化不同步，通过监测绕组内的温度来保护磁钢时必须留足够余量，缺点是可能会过度保护。
对于所分析的样机，各部件的散热系数、导热系数、比热和密度是根据常用部件的一般特性确定的，这些特性与材料和加工制造工艺有关，特别是硅钢片和绕组，硅钢片的导热系数不仅与硅钢片本身的材料有关，还和片间绝缘及压紧程度有关。并且硅钢片沿径向和轴向的导热系数差很多倍，因此实际电机沿轴向的温度不平衡比仿真的要高。
绕组端部的处理方式、浸漆工艺及绝缘材料的导热性都对散热能力有影响，实际的温度差要更大。
由于空气和绝缘材料的导热系数一般都很低，增强散热能力的最有效的办法是减小部件间的间隙和绝缘材料的厚度，绕组浸高导热漆，端部特殊处理以使其直接散热到机壳，并且采用高导热系数绝缘材料。降低冷却水的温度比增加水流量会有更好的效果。除了电磁设计外，加强工艺管理是基本要求。
5结语
车用驱动电机过强的短时过载能力要求使得电机的瞬态温升分析成为必要。电机中的磁场波动分量主要集中于定子铁心，铁耗主要由定子铁心产生，特别是定子齿。但为了保证连续工作区的效率，峰值功率是靠增大电流实现的，导致铜耗是峰值工作时的主要分量。连续工作时弱磁问题使得铜耗最大点出现在最高转速。
温升分析表明，绕组是电机中最热的部分，增加水流量对绕组温升的影响有限，对短时峰值工作的影响就更小。水冷电机加强散热能力的方法在于加强工艺改进和材料选择。
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