车用永磁同步电机冷却系统设计与优化

摘要

永磁同步电机因其具有功率密度大、效率高、过载能力强等优点在电动汽车上应用广泛。同时，由于永磁同步电机体积小、转速高、安装空间密闭，在恶劣工况下或长时间运行时极易造成温升过高，从而导致电机绝缘材料失效、永磁体退磁、结构变形等，严重影响电机的工作效率、使用寿命和运行安全性。为了使电机能够长时间、高效率、稳定可靠地工作，通过电机冷却系统的合理设计，将电机温度维持在正常允许范围内十分必要。本文针对某车用永磁同步电机开发过程中需解决的电机冷却问题，采用数值仿真方法对电机损耗进行计算，然后根据电机结构特点并综合考虑电机冷却性能及制造与运行成本，确定冷却水道结构型式，最后采用优化方法对水道结构和冷却水流量参数进行优化设计与匹配。所做工作及主要结论如下：　　①电机损耗仿真计算。基于ANSYS Maxwell电磁场仿真软件，结合电机结构特点及相关参数，建立电机电磁场二维有限元仿真模型并进行电磁场仿真计算，获得电机在典型工况下的损耗数据，为电机冷却系统设计奠定基础。　　②电机冷却水道结构型式确定。以电机在额定工况下的损耗为基础，基于传热学基本理论公式确定冷却水道总换热面积，并在保持总换热面积和通路面积相同的条件下，设计了3种不同布置型式的冷却水道结构，在此基础上，应用Fluent软件对电机温度场和流场进行耦合仿真，通过对比分析电机最高温度、水道流动损失并综合考虑制造及运行成本，确定轴向Z字型为电机冷却水道结构型式。　　③BP神经网络代理模型建立与验证。以牛顿冷却公式为基础，通过分析结构与运行参数对冷却系统散热能力的影响，确定水道宽度、水道数目和冷却水流量为设计变量，电机最高温度和水道流动损失为响应变量，结合正交试验设计与电机温度场和流场耦合仿真构建代理模型样本库，在此基础上，基于BP神经网络建立描述水道宽度、水道数目、冷却水流量与电机最高温度、水道流动损失之间关系的代理模型，并利用测试样本对代理模型的预测精度进行验证。　　④冷却水道结构与冷却水流量参数优化设计。应用第二代快速非支配排序遗传算法NSGA-II结合构建的BP神经网络代理模型，对冷却水道结构参数和流量参数进行多目标优化设计，根据Pareto最优解集，以电机最高温度和水道流动损失均较低为原则选取优化方案，并通过电机温度场和流场三维仿真对优化方案的响应量预测结果进行验证，结果表明所取优化方案的三维仿真结果与预测结果相吻合，电机最高温度和水道流动损失的绝对误差分别为0.05K和43.24Pa。　　⑤峰值工况下冷却水流量匹配。以电机在峰值转速和峰值转矩工况下的损耗为基础，通过电机温度场与流场三维仿真，研究不同冷却水流量对电机热特性与水道流动特性的影响规律，确定两种工况下电机所需的冷却水流量。结果表明，在峰值转速工况下，冷却水流量取9~10L/min时，电机冷却效果较好，且水泵功率损失较低；在峰值转矩工况下，冷却水流量取20L/min时，电机绕组温度和绝缘材料温度均在许可范围内。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电机损耗研究现状

1.2.2 电机温升研究现状

1.2.3 电机冷却系统研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 电机冷却系统设计理论基础

2.1 电磁场基本理论

2.1.1 电磁场能量守恒定律

2.1.2 麦克斯韦方程组

2.2 电机损耗理论

2.2.1 铁芯损耗

2.2.2 绕组铜耗

2.2.3 永磁体涡流损耗

2.2.4 机械损耗

2.3 计算流体力学基本理论

2.3.1 流体力学基础

2.3.2 基本控制方程

2.4 传热学基础

2.4.1 导热

2.4.2 对流

2.4.3 热辐射

2.4.4 导热微分方程和边界条件

2.5 本章小结

3 电机电磁场仿真及损耗计算

3.1 电机主要参数

3.2 电磁场仿真模型建立与空载仿真分析

3.2.1 电磁场仿真模型建立

3.2.2 空载磁场有限元分析

3.2.3 空载气隙磁密有限元分析

3.2.4 空载反电势有限元分析

3.3 负载工况下电磁场仿真及损耗计算

3.3.1 仿真工况

3.3.2 电机损耗计算

3.3.3 生热率计算

3.4 本章小结

4 电机冷却水道结构设计

4.1 冷却水道设计原则

4.2 冷却水道结构型式及结构参数确定

4.2.1 水道截面形状及总换热面积

4.2.2 水道布置型式及结构参数

4.3 电机温度场和流场耦合仿真模型建立

4.3.1 电机模型等效与三维几何建模

4.3.2 求解域网格划分

4.3.3 边界条件确定

4.4 电机温度场与流场耦合仿真

4.4.1 温度场仿真结果分析

4.4.2 流场仿真结果分析

4.5 本章小结

5 电机冷却水道结构及流量参数优化设计

5.1 基于代理模型的优化方法

5.2 正交试验设计

5.2.1 正交试验设计原理

5.2.2 试验参数和水平

5.2.3 试验仿真计算

5.3 代理模型建立与验证

5.3.1 样本数据处理