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车用永磁同步电机温升与冷却研究

杨皓然  
【摘要】:随着人们对保护环境和节约能源意识的提升,电动汽车的开发在全球范围内掀起了热潮,其中驱动电机的研究是电动汽车领域的重点内容之一。电动汽车的运行工况十分复杂,导致电机发热严重,电机的温升问题直接影响电机的性能以及寿命,尤其在瞬态情况下,电机的温升更加严重,因此研究电机在高转矩、高功率输出等工况下的瞬态热特性、温升抑制以及冷却系统设计等相关问题具有重要的意义。本文以一台车用永磁同步电机作为研究对象,针对电机温升计算、温升优化以及冷却系统设计等问题,对电机进行了研究。具体研究内容分为以下几个部分:第一部分,根据热网络法分析原理以及电磁仿真结果,对电机结构进行了温度节点划分,搭建了车用永磁同步电机热网络图。通过分析电动汽车的实际运行工况以及电机外特性图,设计了四种不同温升方案,并计算出对应方案的温升结果,得到车用永磁同步电机的热特性。为解决电机在高转矩、高功率瞬态工况下绕组温升过高问题,以热平衡方程为基础,分析影响电机绕组温升的相关因素,为后文分析电机绕组温升规律提供了理论基础。第二部分,以热负荷评价标准为基础,分析出电流密度对绕组温升速率以及幅值的影响规律,得出绕组温升幅值与电流密度的平方成正比,绕组温升速率与电流密度正相关。以一台短时工作制的永磁同步电机为例,设计了抑制绕组温升对比方案,对原方案以及改进方案进行了温升仿真以及温升试验,结果表明通过降低电流密度可以有效抑制电机绕组温升速率。第三部分,采用流固耦合的方法对电机的风冷系统进行了分析,得出了不同冷却结构、轴向长度和流体流速对电机冷却能力的影响规律。运用温度场和流体场耦合的方法对电机水冷系统进行了研究,通过对水道截面和水流速度两个方面的分析,设计出车用永磁同步电机的水冷方案。最后对电机进行了温升实验,实验结果与仿真计算结果保持一致,验证了水冷系统设计的正确性以及仿真计算的准确性。


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