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内置式永磁同步电机双层磁钢结构优化设计李维1，王慧敏2，张智峰1，邓强1，张志强1，唐源1，付国忠1（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计重点实验室，成都610213；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津300387）摘要：为有效改善永磁同步电机的转矩输出能力和弱磁扩速能力，将双层磁钢结构用于电动车辆用内置式永磁同步电机中，在不增加转子径向尺寸的前提下放置更多的永磁体，从而提高了永磁体工作点和电机凸极率。
同时，以提高电机输出转矩性能和增强电机弱磁扩速能力为优化目标，以双层磁钢磁极结构参数为优化变量，基于Taguchi 法实现了内置式永磁同步电机转子磁极结构的多目标优化设计，在有效抑制电机电磁转矩波动的同时扩大了电机转速运行范围。
在此基础上，对空载运行、额定负载运行、最大转矩运行、最高转速运行等4种电动车辆用内置式永磁同步电机典型工况进行了有限元仿真分析。
结果表明：通过优化磁极结构，电机最大转矩点和最高转速点的电磁转矩平均值分别达到164.18N ·m 和34.81N ·m ，均高于设计要求，最大转矩点和最高转速点性能得到了提升，验证了所提双层磁钢结构和优化设计方案的有效性。
关键词：电动车辆；内置式永磁同步电机；双层磁钢结构；Taguchi 法中图分类号：TM351文献标志码：A 文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园20）园6原园园76原07第39卷第6期圆园20年12月Vol.39No.6December 2020DOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2020.06.012天津工业大学学报允韵哉砸晕粤蕴韵云栽陨粤晕GONG 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再Optimization design of double-layer interior permanent magnet synchronous motor LI Wei 1，WANG Hui-min 2，ZHANG Zhi-feng 1，DENG Qiang 1，ZHANG Zhi-qiang 1，TANG Yuan 1，FU Guo-zhong 1（1.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory ，Nuclear Power Institute of China ，Chengdu 610213，China ；2.School of Electrical Engineering and Automation ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：In order to improve the performances of the permanent magnet synchronous motor 渊PMSM冤such as high torqueoutput and wide speed range袁the double-layer structure is adopted as the magnetic pole structure for the interior PMSM applied in electric vehicles.More permanent magnets are placed under the same size of the rotor to im鄄prove the working point of the permanent magnet and obtain the higher motor salient rate.Meanwhile the geomet鄄rical parameters of the double-layer structure are chosen as the optimization variables.And the multi-objective optimization design of the double-layer pole structure for the interior PMSM is realized based on the Taguchi method袁to improve the performance of output torque as well as the ability of flux weakening and speed expand鄄ing.On this basis袁the finite element simulation analyses are carried out for four typical working conditions of the interior PMSM applied in electric vehicles袁including no-load operation袁rated load operation袁maximum torque operation and maximum speed operation.It is shown that by the optimization of the double-layer structure the av鄄erage values of electromagnetic torque at the maximum torque point and maximum speed point of the motor reach 164.18N 窑m and 34.81N 窑m袁respectively袁which were higher than the design requirements.The performances ofthe maximum torque point and maximum speed point are improved袁and the effectiveness of the proposed structure and its optimization design are verified by the simulation results.Key words ：electric vehicle曰interior permanent magnet synchronous motor渊PMSM冤曰double-layer pole structure曰Taguchimethod收稿日期：2020-06-29基金项目：国家自然科学基金资助项目（51507111）第一作者：李维（1983—），男，高级工程师，主要研究方向为反应堆结构设计。
永磁同步电机性能分析摘要：在永磁同步电机的设计制作中，时刻都要关注降低电机损耗，提高电机运行的效能。
关键词：永磁同步电机；性能；分析；首先我们看电机的损耗，在已知电机参数电阻R1、X1、X ad、X aq和E0的情况下，就可以计算不同功角下永磁同步电机的性能。
1 绕组计算绕组直流电阻式中电阻率为式中α为铜材半导体电阻的温度变化系数，铜材电阻α≈0.004/。
C。
计算绕组损耗时，要考虑折算到相应的基准工作温度。
一般在75。
C。
考虑集肤效应，绕组交流电阻应为式中k1r为电枢绕组的集肤效应系数。
用圆导线双线并绕的定子电枢绕组，输入工频电流时电枢绕组铜损耗2 电枢铁损耗式中p t1d、p j1d可以根据磁密查系数和铁芯的损耗系数曲线计算得到；v t1、v j1定子齿部和铁芯共轭部的体积；k1和k2为考虑由于机械加工和磁场的分布不均匀等原因而引进的损耗系数，小型电机k1=2.5，k2=2.0。
3.杂散损耗杂散作用产生的辐射损耗主要原因是由于在电磁场的高次杂散作用谐波和电磁铁芯中的开槽谐波引起的高次杂散及该谐波在电磁铁芯中高次杂散作用产生的电磁能量辐射损耗，计算困难且不准确。
常用到的经验函数计算公式：4.机械损耗机械损耗p fw是风摩损耗。
小型永磁电机，参考感应电机的经验公式计算。
接着，我们看电磁转换。
1.给定功角θ2.已知U、E0、R1、X1、Xd、Xq直轴电流Id交轴电流I q3.计算功率因素4.确定气隙磁通5.输出功率和效率计算电磁功率和功角特性1.输入功率2.电磁功率只考虑主要损耗定子绕组的电阻r1较小，忽略其影响，电磁绕组的功率为3.电磁转矩将上式两端同除以机械转矩的夹角速度ω，得电磁转矩下面，我们研究影响电机性能的因素。
由上式可以看出：异步起动永磁牵入同步电机的功率和电磁转矩由上式第一项永磁转矩和上式第二项磁阻转矩两个组成部分共同构成，磁阻转矩的功率和大小直接影响电机永磁牵入起动的同步，由上式第二项可以很清楚地看出磁阻转矩的大小是由电机的交轴和直轴电抗之间的x q、x d的倒数差大小决定的。
永磁同步电机存在的问题永磁同步电机是一种高效、高性能的电机，被广泛应用于各个领域。
然而，它也存在一些问题需要解决。
本文将探讨永磁同步电机存在的问题，并提出相应的解决方案。
首先，永磁同步电机存在着温升问题。
由于电机工作时会产生热量，如果无法有效散热，电机温度会升高，从而影响电机的性能和寿命。
为了解决这个问题，可以采用散热器、风扇等散热设备，提高电机的散热效果。
此外，还可以通过优化电机的设计和控制算法，减少电机的功率损耗，从而降低温升的程度。
其次，永磁同步电机存在着磁场衰减问题。
由于永磁材料在长时间使用后会出现磁场衰减现象，导致电机性能下降。
为了解决这个问题，可以采用高性能的永磁材料，延长电机的使用寿命。
此外，还可以通过定期检测和维护电机，及时更换老化的永磁材料，保持电机的性能稳定。
再次，永磁同步电机存在着控制复杂度高的问题。
由于永磁同步电机的控制需要考虑到转子位置、转速等多个参数，使得控制算法相对复杂。
为了解决这个问题，可以采用先进的控制算法，如矢量控制、模型预测控制等，提高控制精度和稳定性。
此外，还可以利用现代化的控制器和传感器，实时监测电机运行状态，进行智能化控制。
最后，永磁同步电机存在着成本较高的问题。
由于永磁材料价格较高，并且制造工艺相对复杂，导致永磁同步电机的成本较高。
为了解决这个问题，可以通过技术创新和工艺改进，降低永磁材料的成本和制造工艺的复杂度。
此外，还可以提高电机的效率和性能，降低电机运行成本，从而降低整体成本。
综上所述，虽然永磁同步电机存在一些问题，但通过技术创新和改进，这些问题是可以得到解决的。
未来随着科技的进步和工艺的改进，相信永磁同步电机将会在各个领域得到更广泛的应用。
电动汽车用永磁同步电机冷却系统及温升的研究电动汽车用永磁同步电机冷却系统及温升的研究随着环保意识的提高和能源危机的日益严重，电动汽车作为一种绿色能源替代品，逐渐得到了广泛的关注和推广。
而永磁同步电机作为电动汽车的核心驱动装置，其性能的优劣直接影响整车的行驶性能和效率。
然而，高功率运行下的永磁同步电机，由于工作时需要吸收大量的电能，在运行过程中会产生大量的热量。
因此，在电动汽车的设计中，充分考虑电机的冷却系统以及温升问题，对于其安全性、可靠性和寿命等方面具有重要意义。
电动汽车用永磁同步电机冷却系统的设计目标是在保证电机正常工作温度的同时，尽可能降低电机受热量对其他系统的影响，提高整车的能效。
目前，常见的电机冷却方法主要有风冷、传导冷却和液冷三种。
首先，风冷系统是指通过电机周围的风道或风扇实现对电机进行冷却。
这种方法简单实用，成本较低，适用于一些功率较小的小型电机。
但是，由于电机内部空间有限，风冷系统的风量和散热面积会受限制，导致冷却效果不佳，容易出现过热现象。
其次，传导冷却系统是指通过电机外壳和壳体进行热传导，将电机产生的热量散发到空气中。
这种方法相对于风冷系统，具有较好的散热性能，可以应用于中小型电机。
但是，在高功率运行下，热量传导速度较慢，容易产生局部过热现象，且无法满足对电机全面的冷却需求。
最后，液冷系统是目前电动汽车中应用较广泛的一种冷却方式，其核心是通过循环水或冷却液将电机热量带走，以保持电机的正常工作温度。
液冷系统相对于其他两种冷却方式，具有更好的散热效果，能够充分满足电机的冷却需求，适用于高功率运行时的大功率电机。
但是，液冷系统需要额外的冷却装置，如水泵、散热器等，增加了整车的重量和复杂性，同时也增加了成本和能耗。
电动汽车用永磁同步电机冷却系统的目标是将电机工作温度控制在合理的范围内。
电机在运行过程中，由于电流和转速的增大，电机内部会产生大量的热量，同时温升现象也会对电机的性能和寿命产生重要影响。
第22卷第2期 2018年2月电机与控制学报Electric Machines and ControlVol.22 No.2Feb.2018高频非晶合金轴向磁通永磁电机不同冷却方案温度场分析孙明灿1!2，唐任远$，韩雪岩$，佟文明1(1.沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，辽宁沈阳110870;2.齐鲁工业大学电气工程与自动化学院，山东济南250353)摘要：针对高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗大、永磁体温升高的问题，对定子连接板上开设水道冷却系统和电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统的冷却效果进行了对比分析。
对于定子连接板上开设水道冷却系统，计算了不同水道数和不同水速时永磁体温升，给出了水道数选择依据。
对电机两侧端盖加装冷却水套冷却系统，分析了冷却水套中有无扰流板以及扰流板形状及其放置位置对冷却效果的影响，并对几种方案水头损失进行了对比分析。
计算了不同水速时定子连接板水道冷却系统和无扰流板水套冷却系统永磁体温升和水头损失，指出定子连接板水道冷却系统更适合于非晶合金轴向磁通永磁电机。
对一台7 kW、无扰流板水套冷却系统非晶合金轴向磁通永磁样机进行了温升实验，实验结果验证了仿真分析的正确性。
关键词％轴向磁通永磁电机；冷却系统；温度场；扰流板；温升DOI:10.15938/j.emc.2018.02.001中图分类号:TM 351 文献标志码:A 文章编号:1007-449X(2018)02- 0001-08 Temperature field analysis of a hi^^h frequency amorphous alloy axialflux permanent magnet machine with different cooling schemesSUN Ming-can1,2, TANG Ren-yuan1 , HAN Xue-yan1 , TONG Wen-ming1(1. National Engineering Research Center for Rare-eartli Permanent Magnetic Machines，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870,China；2. School of Electrical Engineering and Automation，Qilu University of Technology，Jinan 250353，China)Abstract%According to the l arge eddy current loss and temperature rise of permanent magnets (PMs)existing in high frequency amorjDhous alloy"AA)axial flux permanent magnet^AFPM)machines，the cooling effect comparisons between the cooling system withi water channels i n stator connecting p ter ponds fixed on end covers were analyzed.For t!ie former，the temperature rise result ferent channel numbers a nd water velocities were calculated，and the selection rules of channel numberware were given.For the latter，the influences of cooling system with or without spoilers and their shapesand locations were a nalyzed，and the head losses of t!ie above several schemes were carried on.The PMstemperature rises and head losses of stator connecting cooling system and water pond cooling system wit!i-out spoiler were c alculated，and the results proved that tiie stator cooling system is more suitable for the收稿日期％2016-12-20基金项目：国家重点研发计划（2016YFB0300503);国家自然科学基金（51677122)作者简介：孙明灿（1980—)，男，博士研究生，研究方向为永磁电机设计及其智能控制；唐任远（1931—)，男，教授，博士生导师，中国工程院院士，研究方向为特种电机及其控制；韩雪岩（1978—)，女，博士，副教授，研究方向为特种电机及其控制；佟文明（1984—)，男，博士，副教授，研究方向为特种电机及其控制。
电动汽车电机冷却水道设计目录一、项目概述 (2)1. 电动汽车电机简介 (2)2. 冷却水道设计的重要性 (4)3. 设计目标及要求 (5)二、设计原则 (6)1. 高效冷却原则 (7)2. 结构优化原则 (8)3. 可靠性原则 (9)4. 便于维护原则 (10)三、设计要素 (11)1. 电机结构及布局 (12)（1）电机类型选择 (12)（2）电机内部结构 (14)（3）电机布局规划 (15)2. 冷却介质选择及流动路径规划 (16)（1）冷却介质类型选择 (17)（2）冷却介质流动路径设计 (18)（3）流量与压力控制 (19)3. 水道结构设计及优化 (20)（1）水道类型选择 (21)（2）水道结构布局 (22)（3）水道尺寸计算与优化 (23)四、设计流程 (24)1. 初步设计 (26)（1）设计输入分析 (27)（2）设计概念提出 (28)（3）初步方案制定 (30)2. 详细设计 (31)（1）结构设计细节确定 (32)（2）性能参数计算与优化 (33)（3）工艺性分析 (34)3. 验证与测试 (36)（1）设计验证 (37)（2）模拟仿真测试 (38)一、项目概述本项目旨在设计高效的电动汽车电机冷却水道，以确保电机在高负荷工作情况下保持最佳温度并延长使用寿命。
随着电动汽车产业的快速发展，性能、效率和耐用性已成为电机设计的核心考量。
电机冷却水道作为电机关键部件之一，其设计直接影响电机整体性能。
降低电机工作温度:通过优化水道结构和流量，有效提升散热效率，降低电机工作温度。
提高电机效率:降低温度可以提高电机转子材料的抗磁性，提高电机效率和功率输出。
延长电机寿命:持续的高温会加速电机材料老化，而合理的冷却设计可以有效延长电机的使用寿命。
优化空间布局:设计紧凑高效的水道结构，最大限度地利用机车内部空间。
通过本项目的深入研究和创新设计，期望为电动汽车电机冷却带来新的解决方案，助力电动汽车产业的蓬勃发展。
永磁同步电机效率优化的foc控制
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种重要的电力传动装置，具有高效率、高功率密度、小体积等优点，在工业生产、交通运输等方面都得到广泛应用。
为了提高永磁同步电机的效率，FOC控制（Field Oriented Control，场向量控制）技术被广泛采用。
FOC控制可将不同方向的磁通分离，
使电机产生在机轴方向的转矩，增强电机性能，进而提高电机效率。
FOC控制的关键是准确地分离速度和磁通信息，并使两个量保持同步。
这需要精确的测量、计算和控制。
其中，速度信息可以通过编码器、
霍尔传感器等探头测量，磁通信息则需要根据电机电流测量获得。
通
过PWM技术交替控制电压和电流，经过计算和控制引导电流方向，
提高电机效率。
FOC控制还可以实现动态调节，使电机在不同负载下拥有更高的效率。
例如，在低负载时，可以通过降低磁通大小，减少铁耗，提高效率；
在高负载时，则可增大磁通大小，提高电机输出功率。
除了FOC控制技术，永磁同步电机的结构设计也对效率有很大影响。
其中，磁铁的选用、转子和定子间隙的设计和电机绕组等方面都需要
优化。
总之，FOC控制技术是永磁同步电机效率优化的核心技术之一。
通过FOC控制技术，电机的效率可以得到显著提高，在工业生产和交通运输等领域中发挥更大的作用。
永磁同步发电机的电磁场分析的开题报告
一、研究背景
永磁同步发电机作为一种新型的发电机，由于其具有高效、低成本、小体积、可靠性高等优点，在风力、水力等可再生能源领域得到了广泛的应用。
在永磁同步发电
机的设计和制造中，电磁场分析是非常重要的一部分，它可以帮助研究人员评估发电
机的性能和输出特性，优化发电机的结构和设计。
二、研究目的
本文主要研究永磁同步发电机的电磁场分析，包括永磁同步发电机的结构模型、电磁场模型的建立和计算方法等。
通过对永磁同步发电机电磁场分析的研究，提高我
们对永磁同步发电机的认识，并且有助于进一步提高永磁同步发电机的性能和可靠性。
三、研究内容
1.永磁同步发电机的基本结构及特点
2.永磁同步发电机的电磁场分析方法
3.永磁同步发电机电磁场模型的建立和计算
4.永磁同步发电机的性能分析及优化
四、研究方法
本文采用理论研究和实验相结合的方法，对永磁同步发电机的电磁场进行分析。
在理论研究方面，采用有限元方法进行建模和计算，通过MATLAB等软件对计算结果
进行分析和处理。
在实验方面，采用实验测试的方法，验证理论计算的结果。
五、研究意义
本文的研究对于优化永磁同步发电机的性能和结构设计具有重要的意义。
同时，也可以为永磁同步发电机的应用和推广提供有益的技术支持和参考。
微电机MEROMOTORS Voe.53.No.9 Sep.2020第53卷第9期2020年9月内置式永磁同步电机转子结构基于灵敏性研究的分析蔡锋宾，林启芳，刘伟（厦门鸨业有限公司技术中心，福建361000）摘要：提出对内置式永磁同步电机的转子结构参数进行灵敏性分析的方法。
以72槽12极的内置式“V”型永磁同步电机和72槽12极内置式“U”型永磁同步电机为例，利用ANSYS EM有限元分析软件分析内置式永磁电机永磁体的长度、厚度和位置，对电机的输出转矩、转动率的影响的灵敏性进行，旨在提高永磁体的利用率及电机的转矩密度。
文中依据72槽12电模型，制了样机，对电机的输出转行了试验，了性优化分析法的有效性与优异性。
关键词：永磁同步电机；输出转矩；灵敏性分析中图分类号：TM351；TM341文献标志码：A文章编号：1001-6848（2020）09-0107-05Optimization of a Synchronous Motor With Interior Permanent Magnet Basedon Sensitivity AnalysieCAI Fengbin1，LIP Qifang1，LI Wei1(Xiamen Tungsten Co.，Ltd.，Technology Center，Xiamen Fujian.361000，China)Abstract:A method for sensitivity analysis of etor stectue paemetee of synchronous motor with inteeor pvmanent magne-was presented.This method was used to inipnv tie utilization rate of pe/nanent magne-and the torque density of the motor.Taking the V-shape and the U-shape inteeor pe/nanent magne-synchro-nousmoo/wch72seospoeesasexampees，NhesensccvcyoaNheeengNh，NheNhcckne s oape/manenNmagneNo the air gap Oux density，output torque and torque epple of tie synchronous motor was analyzed and studied by Onite element analysis softoaro ANSYS EM.In this paper，a72slots12poles motor mode-was selected to make a prototype to test tie output torque of the motor，and tie effectivenss and excallenca of tie optimi-zatton bysenstttvttyanaeystsmethod we/eve/ttted.Key words:pe/nanent magne-synchronous motor;tie output torque;sensitivity analysiso引言内置式永磁同步电机具有体积小、效率高、功率密度高、调速范围宽等特点，已用于家电、伺服电机、电动汽车、国军工等领域[1]%在对电有高性能要求的场合，对电机的转矩密度、转矩波动等性能有高的要求[2]%在对永磁电机的转行优计时，可以发与电机磁路的各个参数有关，可以从不同极、槽数配比，不同参数及等行优化[3-5]%由于电、等的限制，一台电机的绕励大小往往被限制在一定范围内，在同的定子绕励下，要提高内置式永磁同步电机的转矩，优化转子磁为％而永磁体的价格占永磁同电制造中极大一部分％提高相同绕组励下输出转矩与永磁％文通过对影响内置式永磁同步电机电磁转矩的参数建立数学模型进行分析％对永磁度及厚度、相同拓不同位置永磁体的参数进行参数性分析，通维图对不同的参数对于电气隙磁密、输出转行性分析，并通过样机对性分析行％收稿日期：2019—10—31作者简介：蔡锋宾（1995）,男，学士，助理工程师，研究方向为永磁电机磁路设计。
科学技术创新2021.11随着能源问题和环境污染问题的日益严重，新能源汽车越发受到各国的高度关注，驱动电机作为电动汽车核心部件，其性能优劣直接影响电动汽车的品质。
永磁同步电机凭借其具有优越的调速性能、高效率、恒转矩区长等优点，在电动汽车行业被选用得最多[1]。
目前消费者对汽车的舒适性要求越来越高，而电动汽车运行时的主要噪音来自于驱动电机，严重影响了行驶过程中的乘坐舒适性。
本文以某电动汽车永磁同步电机为研究对象，从解决实际项目开发中遇到的问题为出发点，对该电机的电磁振动噪声进行仿真研究与优化改进。
首先对永磁同步电机初始电磁方案进行电磁结构振动噪声仿真分析，并着重对电机径向磁密与径向电磁力展开分析。
然后针对初始方案仿真分析结果对电机电磁方案进行优化改进。
最后对比初始方案与优化改进方案的仿真结果，证实了优化方案的有效性。
1电磁激励分析对于电动汽车电机而言，电机的电磁振动是导致电磁噪声进而引发电机噪声的根本原因。
永磁同步电机的定子和转子之间有较强的电磁吸引力，其振动主要是由电磁吸引力的径向分量引起的，径向分量会导致定子变形，所以当电机的转子转动时，会直接导致定子的机械振动[2]。
因此，在对永磁同步电机电磁振动振动噪声进行分析前，应该先对电磁吸引力进行研究。
永磁同步电机的电磁吸引力切向分量产生电磁转矩，对电机振动的影响较小，故只考虑径向分量对电机振动的影响，根据麦克斯韦应力张量法，对作用在电机定子齿面单位面积上的径向电磁力的瞬时值为[3]：（1）其中，f n （θ，t ）为单位面积瞬时电磁力；b （θ，t ）为电机气隙磁密，t 为时间，θ为空间角度；μ0为真空磁导率。
从上式可看出分析电磁力关键在于对其时空二维进行谐波分析，电机电磁力谐波主要由转子磁场自身、定子绕组电枢反应、以及定转子磁场谐波相互作用产生。
对于整数槽永磁同步电机，其电磁噪声主要由电机定转子高次谐波磁场相互耦合作用所致[4]。
定子绕组与转子谐波磁场次数分别为：（2）（3）其中，γ为定子磁场谐波次数，μ为转子磁场谐波次数，p为电机极对数。
迫扎再控制应闭２０１６，４３（７） 研究与设计ＥＭＣＡ 永磁同步电机温度场分析与水道结构优化木 王淑旺， 高月仙， 谭立真 （合肥工业大学汽车与机械工程学院，安徽合肥２３０００９）
摘要：以一台额定功率为３０ ｋＷ的车用永磁同步电机为例，建立三维瞬态热分析模型，分析散热边界 条件。针对定转子问气隙处理问题，提出一种改进的泰勒数判别与计算等效导热系数的方法，合理处理定转 子间复杂的对流换热情况，并进行试验验证。根据传热学和流体力学的理论知识，建立对流换热系数以及压 降与水道结构参数间的关系，给出一种水道截面尺寸的选择方法，结合ＭＡＴＬＡＢ和ＣＦＤ数值计算软件找出合 适的水道结构截面尺寸范围并进行仿真，对实际工程中电机的水道结构设计具有一定的指导意义。 关键词：永磁同步电机；边界条件；温度场；对流换热系数；截面尺寸；水道结构 中图分类号：ＴＭ ３５１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３￣５４０（２０１６）０７—００５１—０６
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｊａｃｋｅｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ⅣＧ Ｓｈｕｗａｎｇ． ＧＡ０ Ｙｕｅｘｉａｎ．ＴＡＮ Ｌ￣ｈｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ３０ ｋＷ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｄｅａｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ，ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｅｓｔｉｆｉｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ— ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ＳＯ ａ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ＣＦＤ ｔｏ ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｈｅｌｐ，ｗｈｅｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｏｔｏｒ ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）；ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ； ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ·ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｊａｃｋｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
０ 引 言 电动汽车有限的安装空间使得电机须具备较 高的功率密度和效率，加之复杂的路况和驾驶习 惯等使电机运行工况十分复杂，温升严重。电机 温升或局部温升过高，不仅会导致结构变形，还会 使电机耐压和绝缘性降低，严重影响使用寿 命…。反之，则造成生产过程中材料的浪费，增 加制造成本。因此对电机各部分温升的准确计算 以及冷却系统的合理设计对电机安全运行具有十 分重要的意义 。 对温升的计算，国内外主要采用简化公式法、 等效热路法、数值计算法 Ｊ。等效热路法精度较 简化公式法高，但依赖于所建模型节点数 ；数 值计算法计算精度高，现已得到广泛应用。目前 要准确分析电机温度场还存在一定困难，首先，热 源的准确确定有一定难度；其次，绕组的简化方法 尚不成熟；再者，转子旋转问题尚未能较好地解 决＿５ Ｊ。电机电磁结构确定后，温升的主要影响因 素是冷却系统的设计，合理的冷却结构对提高电
项目基金：混合动力乘用车机电耦合系统开发及产业化（１５０１０２１００４） 作者简介：王淑旺（１９７８一），男，博士，副教授，研究方向为电动汽车电驱动系统和汽车自动化装备。
一５１— 研究与设计ＥＭＣＡ 、亳｝札再控制应用２０１６，４３（７） 道结构尺寸如表３所示。 表３初始壳体水道结构基本尺寸 壳体水道结构参数 参数值 壳体内径／ｍｍ 壳体外径／ｍｍ 水道轴向总长ｌ／ｍｍ 水道截面高／ｍｍ 水道截面宽／ｍｍ 水道数
２ｏｏ ２３８ １５２ ８．５ ４４ ３
３．１水道评价标准 ３．１．１ 对流换热 电机工作过程中生成的热量主要由冷却水和 壳体间的对流换热带走。对流换热带走的热量可 由牛顿冷却公式计算： ＝ＡｆｈｆＡＴ （５） 由式（５）可知，要提高对流换热量，必须提高 对流换热面积Ａ 、对流换热系数ｈ 和流体和固体 间温差△ 。对温差△ 的控制一般通过降低冷 却液温度，不涉及水道结构，故不作考虑。 该电机中水道对流换热面面积计算为 Ａｆ ２＂ｒｒｒ·２ａｎ＋２７ｒｒ·２ｈｎ＝ ４，ｔｒｒｎ（口＋ｈ） （６） 忽略相邻水道连通处的面积，其中：ｒ＝ ｒ． ｒ ，ｒｉ为壳体内径，ｒ０为壳体外径，凡为水道数。
厶 对流换热是一个复杂的热量交换过程，其换
热系数受流体介质、流体状态、是否有相变以及换 热表面几何形状等很多因素的影响。单相强制对 流换热系数可按式（７） 表示： ｈ＝（Ａ，Ｚ， ， ，Ａ，Ｃ。） （７） 式中：Ｚ——特征尺寸；
——流速； ｃ。——流体的恒压热容。 ３．１．２管流压降 管流压降在工程计算中十分重要且常用，设 计水道时要综合考虑压降的影响。它的计算公 式为 Ｂ］
局部压降： Ａｐ：＝ｋ （ｎ一１） （９） 二 式中： ——局部阻力系数。
冷却液管道的总压降为管流压降和局部压降 之和，即 △ｐ：△ｐ ＋△ｐ （１ｏ） ３．２参数范围选择 对流换热需同时取得最大对流换热面积和对 流换热系数方可获得最佳散热效果，故根据牛顿 冷却公式，采用换热系数和换热面积的乘积为选 择依据。 根据式（５）一式（７），利用ＭＡＴＬＡＢ绘制出 对流换热面积与换热系数乘积随ｎ、ｈ变化关系， 如图５所示。
图５对流换热系数与换热面积乘积 随截面参数变化关系
由图５可看出，流量一定时，由于ｈ的范围有 限，ｏ的影响要比ｈ更显著，因此将ｈ选为５ ｍｍ， 在后面的分析中作为常量。 仅考虑水道截面宽度。时，根据式（７）、式 （１０）分别绘出截面宽度。与对流换热系数及流 阻的变化关系图，如图６、图７所示。根据图形的 变化趋势及实际情况，选出合适的参数范围。
△ｐ。＝／旦ｄ． ２ （８） 图６对流换热系数随截面长度。的变化关系
由于电机采用的是折返式水道，相邻水道连 通处存在折弯，水流经过时方向会发生变化，导致
一５４一
从图６可知，截面宽度０越小，对流换热系数 越大，则散热能力也在增强；且随。的减小，其变 电札与粒制应同２０１６，４３（７） 研究与设计Ｅ№Ａ 图７管流压降随截面长度ａ的变化关系 化率越大，２５ ｍｍ以上变化趋势比较平缓。压降 与ａ的关系与对流换热系数与ａ的关系相似，从 图７可知，１５ ｍｍ以下时，压降变化十分显著；所 以取较小的ａ值虽然可以获得较大的对流换热系 数，增大换热量，但由于相应水流速度的增大，使 得进水口所需要压力随之增大，且会使得流阻增 加，管流总压降变大，流体流经管道的沿程损失也 越大。因此结合图６一图７的曲线变化趋势，确 定口的取值范围为１５～２５ ｍｍ，计算出相应的水 道数目在５—８之间，其对应关系如表４所示。
表４不同水道数和截面宽度下参数分布表
冷却水流量保持１０ Ｌ／ｍｉｎ不变，根据模型求 解得到不同水道下温度和压力分布，如表５、表６ 所示。
表５水道数和最高温度的关系
由表５可知，初始水道结构绕组的最高温度达 １０４．１ ｏＣ，优化后绕组温度均有所降低，水道数为５ 时，最高温度为１０２．０℃，比原来降低２．１℃；６、７、８ 水道数分别降低２．３ ｏＣ、２．５℃和２．３℃。 由表６可知，当水道数增加时，流体的压降也 在迅速增加，水道数为８的压降要远大于５、６、７ 水道数，与理论分析结果一致。 综上分析，本电机水道截面宽度在１７— ２５ ｍｍ，即水道数目在５～７比较合理，可以达到较 好的散热效果，同时水道流阻又控制在较小范 围内。 ４ 数值计算进一步优选结果 ５ 结 语
为进一步确定几种水道的散热效果，继续用 ＣＦＤ仿真软件分别进行热仿真并验证，选出散热 效果最佳的模型。 电机最高温度出现在绕组端部，优化水道结 构时可忽略转子影响，将绕组、绝缘等复杂结构等 效为一个均匀的发热体，着重分析水道结构尺寸 对散热的影响。水道的简化模型如图８所示。
图８简化后的电机求解域模型
本文对一台永磁同步电机热边界条件进行分 析，并进行额定转速下瞬态温度场的数值模拟计 算。在定转子问气隙的处理上，通过泰勒数考虑 定子表面粗糙度和开槽的影响，保证仿真的精度， 并为电机温度场计算和理论分析提供了依据，同 时辅以试验对仿真结果进行验证，证明了仿真的 准确性。 通过构建对流换热系数、流体压降与水道截 面参数间的关系，对其进行定量分析，运用数学 软件绘制出关系图，根据参数问关系的变化趋 势，对水道结构进行优选，确定出合理的截面 参数范围，同时确定水道数目；利用数值计算 软件得出相应结构下的温度分布，结果与理论 计算相符，故水道数目取在５～７比较合适，即 水道截面宽度在１７～２５ ｍｍ，验证了理论的正 确性。这对电机的水道结构设计具有一定的 指导意义。 一５５—
