电动汽车用永磁同步电机的温升计算与试验文献综述

文 献 综 述

1. 研究背景及研究意义

近年来，随着我国经济的飞速发展，我国的汽车产业不断地发展，汽车数量数量不断增加。虽然给人民生活出行带来了便利，但是随之而来的能源和环境问题越来越突出。传统汽车对石油的大量消耗不但造成了环境污染和全球温室效应的问题，还是造成全球能源消耗危机的主要原因，节能减排成为各国汽车研究发展的主要方向。相比于传统汽车，电动汽车具有节能环保等优点，因此新能源电动汽车的发展势在必行。

我国在2012 年电动汽车科技发展“十二五”专项规划中提出国家科技计划将加大力度，持续支持电动汽车科技创新。从车用能源角度看，电可以作为我国车用主题替代能源之一。电动汽车大规模应用后，可在电网负荷低谷时段常规充电，对电网起到“填谷”作用，提高发电设备的综合利用率，起到节能减排的效果，有效的减缓了全球环境问题和能源危机。对于发展新能源车用电机，其中重点技术方向任务布局指出要控制车用电机成本，提高驱动电机功率密度，提升系统的最高效率。开发高效率、高密度和适应极限环境条件的电机，探索下一代车用电机驱动系统解决方案，满足电动汽车可持续发展需求，已成为我国重大的科技战略需求与战略重点^[1]。

当下新能源汽车技术迅速发展，驱动电机系统作为电动汽车动力系统核心关键部件，成为行业关注的重点和研究的热点^[2] 。由于电机内部磁场分布的复杂性等因素使得电机铁耗很难准确计算，特别是用于电动汽车牵引电机时，非正弦供电产生的一系列时间谐波，使得永磁同步电机铁心损耗的分析成为一道难题，相关设计计算技术没有被完全掌握。电机的损耗直接影响温升的热源计算，且在温度场分析时电机各部件会受到温度的影响，所以永磁同步电机的温升研究也是研究的热点^[3~5]。电机的温升对电机寿命等方面有巨大影响，所以永磁同步电机的温升研究也是研究的重点。在研究温升时，利用ANSYS有限元软件分析温度场，确定其最大温升范围，避免温升带来的安全隐患以及其他影响。因此，对于温度场的分析研究对于电机的安全性和稳定性尤为重要。而且温度场的研究对电机性能的改进和提高有着重要意义。

2、电动汽车电机的发展经历

电动汽车电机是指以车载电源为动力，电动汽车电机用电机驱动车轮行驶，电动汽车电机符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前

景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动汽车电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

1. 电动汽车最早采用的是直流电动机，但是直流电动机自身电刷及机械转向器等复杂结构，制约瞬时负载能力及转速能力，同时由于电刷不仅会造成高频电池干扰，还让转子发热，浪费能量和散热困难，对电动汽车续航里程及安全驾驶产生不利影响，因而逐步被交流电动机取代。
2. 交流异步电机是应用最为广泛的工业电机，有着高功率、高效率及高运转的三大优势，因而成为直流电动机的取代者，但依旧没有解决高速运转下的转子发热、浪费能量及散热困难的问题，同时驱动控制系统复杂抬高电机成本，同时还需变频器提供额外功率来建立磁场，因而逐步被永磁电机取代，只是在大功率电动汽车保留一定市场份额。
3. 永磁电机根据定子绕组的电流波形不同可分为具有矩形脉冲波电流的无刷直流电机和具有正弦波电流的永磁同步电机，它们采用的转子都是永磁体，减少励磁所带来的损耗，定子上安装有绕组通过交流电来产生转矩，所以冷却容易，同时由于不需安装电刷及机械转向结构，工作时不会产生换向火花，运行安全可靠，维修方便，能量利用率高。但是永磁电机在高温、震动及过流条件下，转子的永磁体会产生退磁现象，永磁电机在相对复杂工作环境下容易损坏，同时永磁材料价格高，由此太高了电机及控制系统成本，当前只有稀土资源丰富的中国倾向于永磁电机驱动汽车方案，欧美日韩则多采用无稀土材料的开关磁阻电机。
4. 开关磁阻电机定子及转子皆由普通钢硅片叠压而成的双凸极结构，转子上没有绕组，定子上装有简单的集中绕组，具备简单坚固、可靠性高、质量轻、成本低、效率高、温升低、易于维修等优点，同时还具备直流调速系统的可控性优势，可适用于多种恶劣环境，非常适合作为电动汽车驱动电机适用，但是转矩波动带来的噪声问题急需解决^[6]。

3、电动汽车用电机温升研究现状

准确计算电机的温度分布对提高高速永磁同步电机的性能和可靠性显得尤为重要。常用的温度场计算方法有：简化公式法、热路法和有限元法。

(1) 简化公式法。简化公式法是利用牛顿散热公式，假设电机内由各类损耗产生的所有热量只通过机壳冷却表面散出，而槽内绕组和端部绕组之间没有热交换，所以只能将电机或其中部分看做一个整体，估算整体铁芯或绕组的平均温升。简化公式法计算简单，但是准确性较差，目前主要被电机制造厂所使用^[7]。

(2) 等效热路法。等效热路法采用少量的集中热源和等值热阻代替电机中的热源和热阻，并且认为它们与热流大小无关，将温度场转化成带有集中参数的热路问题进行计算。等效热路法的优点在于公式简单，便于手算，加之多年的运行经验，其总的结果基本上符合实际。其缺点是：只能计算绕组和铁心的平均温度，无法全面了解温度的分布情况及过热点的位置和数值。该方法因原理通俗易懂，计算公式简洁明了、剖析电机层次分明、手动计算易于实现等优点被广泛使用^[8~9]。

(3)等效热网络法。等效热网络法是一种基于电路拓扑理论的温度场计算方法，首先根据求解对象的结构特征确定其求解模型，对求解模型进行网格划分，并根据温差大小确定局部区域网格的疏密。然后利用集中等效参数替代各个单元，认为温度和热源集中分布于单元中各个节点上，用热阻连接相关节点构成等效热网络，再对网络各种参数及边界条件作相应处理，应用能量守恒定律建立其节点温度的数学方程，构成节点温度的方程组，最终借助计算机对方程组进行数值求解并得到各节点的温度值^[10]。

(4) 有限元法。有限元法将偏微分方程边值问题转化成相应的等价条件变分问题，然后将求解区域离散成多个单元，经过总体合成进而形成关于温度的代数方程组，再利用数学方法进行求解。该方法的优点在于其剖分单元灵活，边界适应性好，并且准确度高，可以分析电机任何部位的温度，便于找出电机最高温度点。但缺点是边界处理较困难，对计算机的要求较高，计算时间较长^[11]。文献[12]用有限元法对电磁场和温度场进行了多物理场分析来研究电机的温升情况，指出有限元法处理多场耦合问题非常方便。有限元法是目前学术界研究电机温升最常用的方法。

综上所述，与简化公式法和等效热路法相比，有限元法更适应电机的复杂边界条件，能够清楚了解电机的温度分布和过热点温升，因此是当今电机温度场计算最常用的方法^[13~14]。

4、电动汽车电机的发展趋势

从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后，打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式；并随着磁阻电机，永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展，交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代；新的电机拓朴结构与控制方式层出不究，推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。

汽车电机未来主要发展在以下几个方面：

（1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大

电机作为混合动力系统中一个重要的动力输出源，其自身的性能直接影响到了电动汽车的整体性能。一方面，汽车所需求的电机输出和回收功率不断提高，以满足不同工况不同车型的需求；另一方面，这种新型机电一体的传动系统尺寸收到车内空间的限制。这就需要混合动力车用电机向高性能和小尺寸发展。不断提高电机本身的功率密度，用相对小巧的电机发挥出大的功率成为各汽车及电机厂商的发展方向。
（2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽
回馈制动是混合动力机电一体化技术的一个基本特点。伴随着对混合度要求的提升，相应回馈制动范围的需求也会越来越大。采用回馈高效的电机，适当的变速系统和控制策略，可以使回馈制动的允许范围适应更多工况，使整车节能更加有效，延长行车里程，这是混合动力汽车向真正实用性必须迈出的一步。
（3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显
车用电机及其控制系统的集成化主要体现在电机与发动机、电机与变速箱、电机与底盘系统的集成度不断提高。对于混合发动机与ISG集成，其发展从结构集成到控制集成和系统集成，电机与变速箱的一体化愈加明显，汽车动力的电气化成分越来越高，不同耦合深度的机电耦合动力总成系统使得电机与变速箱两者之间的联系变得越来越紧密。在高性能电动汽车领域，全新设计开发的底盘系统、制动系统、轮系将电机和动力传动装置进行一体化集成，融合程度越来越深。
（4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加
虽然目前市场上分布了轻混、中混、强混等各种混合程度的混合动力车型，但从各种混合度车型的节能减排效果来看，混合程度越高，汽车的节能能力越强。电功率占整车功率的比例正在混合动力汽车领域逐渐提高，电机已不再单单作为发动机的附属设备。各车厂正在逐渐将小排量发动机和大功率电机运用在汽车驱动上^[15]。

参考文献

[1] 中华人民共和国科学技术部.电动汽车科技发展“十二五”专项规划（摘要）全文[R],2012.4.

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[3] Z. Q. Zhu, C. C. Chan. Electrical Machine Topologies and Technologies for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Harbin China, 2008:3~5.

[4] 温旭辉. 电动汽车电动机驱动技术及其发展[J].微电机通讯,2010(12):2~3.

[5] Bracero M, Bianchi N. Air-gap flux density distortion and iron loss in anisotropic synchronous motor. IEEE Transactions on Magnetics, 2010, 46(1): 121~126.

[6]电动汽车电机分类及历史？电机技术原理深度解读！猫视汽车 2017.8.7.

[7] 陈兴卫,阎德春.交流电机温升的计算方法[J].防爆电机.2009,3(44):50-51.

[8] D. Fodorean, A. Miraoui. Permanent Magnets Thermal Operation Limits in a Hybrid Excited Synchronous Machine Used on Wide Speed Applications[C]. 11^th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, Brasov, Romania, 2008. IEEE:21-26.

[9] Z. Kolondzovski, A. Belahcen, A. Arkkio. Comparative Thermal Analysis of Different Rotor Types for a High-Speed Permanent-Magnet Electrical Machine [J]. IET Electric Power Applications. 2009, 3(4):279-288.

[10]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.合肥工业大学.2015.10.

[11] D. Gerada, A. Mebarki, R. P. Mokhadkar, et al. Design Issues of High-Speed Permanent Magnet Machines for High-Temperature Applications[C]. 2009 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Miami, FL, USA,

2009.IEEE:1036-1042.

[12] 江善林.高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算[D].哈尔滨工业大学.2010.

[13]王朋.电动汽车用永磁同步电机损耗计算和温升研究.上海电机学院. 2016.1.20.

[14]陈薇薇. 电动汽车用永磁同步电机设计及温度场分析.南京航空航天大学.2013.1.

[15]2015年中国新能源汽车驱动电机市场现状调查与未来发展前景趋势报告.中国产业调研网.