1. 概述
本文旨在说明如何通过电机设计软件的输出结果，在Simcenter Amesim中创建电机的集总参数的等效热路模型。本文中所用到的电机为内嵌式永磁同步电机（IPMSM），电机的几何设计和性能数据来自Nissan leaf 2012车型在参考文献中所公开的数据。电机设计工具可以是例如Simcenter SPEED、Motor-CAD等软件。
2. 热模型建立
本文介绍的电机热模型是在整车环境下验证电热耦合设计的基础，从定子以及转子上的各个零部件沿径向以及圆周方向的热传导角度出发，建立等效热路模型如下图所示。
图1 Amesim中的等效热路模型（左）及热路结构示意图（右）
本文中的电机集总参数热模型详细建模原理详见参考文献[1]。针对Nissan Leaf所采用的这款电机采用18个热节点进行描述，这些节点的定义如下图所示：
图2 电机热节点分布（左）及等效热路原理图（右）
热节点之间采用等效热阻进行连接，等效热阻的参数确定详见参考文献[1]。下面给出分别从径向和圆周方向对热阻的数学描述：
图3 径向和周向的热阻计算
Nissan Leaf 2012所用电机的几何设计和性能数据可以从参考文献[5]-[7]中得到，将这些参数值在Simcenter Amesim中定义为全局变量以便引用。下表是从文献中查到的该款电机的一些关键参数。
电机端部绕组与端部密闭空间之间的换热系数定义如下，详见参考文献[2][5]。
其中，根据参考文献[4]，修正系数的取值为k1=41.4,k2=0.15,k3=1.0。
努塞尔数可表示为：
其中C1=0.01658，n=0.8003，详见参考文献[2]。
端盖内部空间的换热对温升会产生重要影响，因此不可忽略。端盖内部空间和电机的旋转以及固定部件都有热交换，尤其是端部绕组。对于转子端面而言，空气与转子的相对速度以半径1/2处的对应速度为基准进行计算；对于定子端面而言，由于空气会被转子带动，这里以转子外缘处的空气流速为基准，进行适当修正后用于计算。修正系数的取值取决于转子端面的外形，如有无沟槽等，以及端部绕组的几何设计。因此如果需要得到精确的修正系数，推荐采用CFD软件对特定端部外形进行详细分析。
该电机的冷却回路由壳体内的三条冷却水道构成，因此壳体的在热模型上以冷却水道为界被划分为内部壳体和外部壳体。内部壳体与定子轭存在热交换，外部壳体与空气存在热交换，同时两者都与端盖存在热交换。结构上，三条水道为串联关系，因此在建立热模型时将它们用一个换热模块表示，该模块参数包含了三条水道的总长度。
图5 电机水道实物图（左）及其模型（右）
3. 仿真计算
通过建立电机的等效热路模型，根据使用工况可以计算出所有关键部位（18个热节点）的温度变化过程。从而帮助设计人员掌握关键部位可能出现的温度极值，进而一方面为确定使用过程中的最大许用边界提供参考依据，另一方面为电机的设计改进提供参考基准。
图7 电机各部位的温度极值
在Simcenter Amesim中的控件面板上，设计人员可以对照热路原理图查看任何时刻电机内部的温度分布情况，如下图所示。
最后，文献[2]将端部绕组的温度与实测数据以及Motor-CAD（© Motor Design Ltd）的计算结果进行了对比，无论是仿真计算结果还是实测数据，三组数据均呈现出较高的一致性，从而验证了通过simcenter Amesim搭建的热路模型的正确性。该模型可进一步用于整车级复杂工况分析。
图9 端部绕组温度仿真结果与实测数据对比
4. 结论
根据参考文献中的描述，通过Simcenter Amesim能够建立高度灵活以及详细的永磁同步电机热路模型。用户可以以该模型为模板，根据自身的研究对象，对等效热模型中的参数进行修改，异或对热节点进行删减或扩充，从而使电机热模型不仅能够精确反映出实际电机的温升情况，同时还能够准确描述电机的瞬态热过程。
5. 参考文献
[1] Bjorn Andersson, "Lumped Parameter Thermal Modelling of Electric Machines", Chalmers University of Technology, 2013,
[2] Gabriele Luca Basso, "Improved Thermal Models for Predicting End Winding Heat Transfer", KTH Royal Institute of Technology, 2013,
[3] S. Touhami, "Lumped parameter thermal model of permanent magnet synchronous machines", LAPLACE, CNRS, University of Toulouse, ENSMA, 2017,
[4] A. Boglietti & A. Cavagnino, "Analysis of the Endwinding Cooling Effects in TEFC Induction Motors", IEEE transactions on industry applications VOL. 43 NO. 5, 2007,
[5] Giuseppe Volpe, "Reverse engineering of an electric vehicle motor and tests of a charging station ", Universita degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, 2014,
[6] Rong Yan, "Electrified Vehicle Traction Machine Design with manufacturing considerations", McMaster University , 2016,
[7] Dr David Staton, Dr James Goss, "Open Source Electric Motor Models for Commercial EV & Hybrid Traction Motors", Motor Design Limited - CWIEME Berlin, 2017
2023年1月13日 13:08
