摘 要

本文基于有限元法分析永磁无刷直流电机的电磁和温度情况，借助计算机电磁学仿真软件和协同温度场仿真软件进行耦合，仿真分析以计算本文所取研究对象电机的损耗和温度等电磁参数和温度场参数。再对所获取的数据进行整理分析，找出一些影响电机运行时温度变化的规律。本文选取的电机是运用于轮毂上额定功率为2500W的永磁无刷直流电机，额定转速为750r/min。使用有限元法求解温度场平衡方程，得到结果曲线和运行参数，并参数化研究永磁无刷直流电机频率、气隙厚度、电流大小、电机转速等因素对电机两种热源损耗的影响，进而找到它们影响电机温度变化的方式。本文首先仿真了研究对象电机正常工作时的二维电磁场，并利用其结果耦合仿真了研究对象电机的三维稳态温度场。本文所得结果对于研究电机内部温度场具有重要指导意义。

关键词：永磁无刷直流电机；有限元法；损耗；温度场

Abstract

Based on the finite element method, the electromagnetic and temperature conditions of the permanent magnet brushless DC motor are analyzed. The temperature field analysis software is coupled with the electromagnetism simulation software. They are used to simulate the loss and temperature field of the prototype. And then the data obtained by simulation is processed to find out some laws affect temperature while the motor is running well. The motor selected in this paper is used in the wheel, it’s a permanent magnet brushless DC motor on the rated power of 2500W and rated speed of 750r/min. The effects of parameters such as frequency, air gap thickness, current and speed on the motor loss are studied by using finite element method to calculate the result curve and operating parameters. And then find the way which they can affect the motor temperature. In this paper, the electromagnetism simulation software is used to simulate the permanent magnet brushless DC motor. Simultaneous coupling of the temperature field analysis software is carried out to simulate the steady-state temperature field of the 3D model of the prototype. The results obtained in this paper have important guiding significance for studying the internal temperature field of the motor.

Key Words：permanent magnet brushless DC motor；the finite element method；the loss；the steady-state temperature field

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究的现状 2

1.3 永磁无刷直流电机关键问题及研究现状 3

1.4 本文主要研究内容 4

第2章 永磁无刷直流电机的理论模型 5

2.1 永磁无刷直流电机的工作原理 5

2.2 永磁无刷直流电机的数学模型 6

2.2.1 电压方程 6

2.2.2 反电动势方程 7

2.2.3 转矩方程 8

2.2.4 运动方程 8

2.3 永磁无刷直流电机的温度场模型 8

2.3.1 热传导方程 9

2.3.2 对流换热方程 10

2.3.3 永磁无刷直流电机温度场求解模型 10

第3章 永磁无刷直流电机的损耗计算 12

3.1 定子绕组铜损 12

3.2 定转子铁心损耗 13

第4章 永磁无刷直流电机温度场分析 16

4.1 引言 16

4.2 温度场计算方法 16

4.3 永磁无刷直流电机三维稳态温度场仿真 18

4.3.1 求解域及边界条件 18

4.3.2 导热系数及散热系数的确定 19

4.3.3 稳态温度场仿真结果分析 21

第5章 参数化分析影响热源的因素 24

5.1 影响电机内部温度的因素 24

5.2 参数化结果的分析 24

5.2.1 电枢电流大小 24

5.2.2 电枢电流频率 26

5.2.3 气隙厚度 27

5.2.4 电机转速 29

5.3 本章小结 31

第6章 冷却的优化设计 32

6.1 常见的冷却方式 32

6.2 冷却结构设计和仿真 33

第7章 全文总结 36

7.1 全文总结 36

7.2 未来展望 36

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

工业技术是人类文明发展前进的重要载具，而今的我们正站在第三次工业革命潮流的顶端。人类利用着包括石油、页岩气、天然气在内的许多化石燃料以及核燃料、水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、潮汐能等等自然界拥有的一次能源驱动着自己文明高速前行。但是随着社会发展，考虑到不可再生能源越用越少，使用成本必然将逐渐增大，而且化石能源污染严重，不符合中国提出的社会可持续发展思路的推进，所以谋求使用更加清洁和可再生的新能源替代化石能源作为主要的使用能源是非常有必要的。当然，这些能源的利用明显离不开能量转换的过程，人类需要将一次能源转变为机械能、内能、电能等形式后，才能加以利用。而作为电能-机械能之间能量发生转换的工具，永磁电机无疑是非常重要的研究课题。在近些年对新能源利用和推广的探索中，大量的涉及到永磁电机的应用。其中在汽车领域的应用和影响是极其明显的，诸如混合动力汽车、纯电动汽车等，各种类型的永磁电机都得到了长足的完善和发展。在可见的未来，足以预见到燃油等化石燃料驱动的产品市场份额将会越来越少，逐渐被使用新能源电机驱动的产品挤占市场。

轮毂电机的概念提出相对来说还是很早的，辆的前轮上装备有轮毂电机^[1、4]。而且在此后一个世纪里，逐渐拓展并且丰富了轮毂电机的概念和技术。轮毂电机从它的特有的结构上来看，因为轮毂内完整的集合了驱动、传动以及制动三个重要部分，从而极大的缩减了整体设备的机械结构，减小了机器整体的体积。而这种特点使得轮毂电机十分适合应用于汽车产品上，尤其是现在提倡增大车辆空间利用率的市场环境中。但是轮毂电机本身也面临着许多问题需要被关注。轮毂电机的结构注定了，密集的轮毂内结构增大了轮毂转动惯量而使得轮毂本身操控变的更加困难；轮毂电机的电制动需要消耗不少电能，故而节能性能上存在争议；此外，最重要的问题就是轮毂电机工作环境复杂，安装环境狭小，受到各种因素影响和干扰，所以密封要求严格，电机损耗较大，从而导致散热问题的突出，对于应用在轮毂上的电机进行温度场的仿真分析是十分有必要的。根据IEEE工业应用社会(IEEE Industries Applications Society)和电力研究所(Electric Power Research Institute)的调查结果显示，30%~40%的永磁电机正是因为定子绕组的绝缘层受高温影响而破坏、铁心破损和永磁体的热稳定性消减从而导致电机寿命极大的被缩减，而导致这些问题产生的重要因素就是电机在运行的过程中产生的热量过高或者热量无法正常散去^[6]。现今，分析计算电机的各个损耗诸如铁损、铜损以及杂散损耗，对电机的设计阶段确定准确的效率值来说也是非常重要的。这些损耗正是电机在运行时热量的主要来源，为了电机结构设计时的紧凑且能尽可能降低系统的操作成本，在设计电机时应尽量的去减少这些损耗，尤其是在高速时明显增大的铁心损耗。过高的温升威胁着电机在运行过程中的安全状况和寿命时长。为了趋利避害，使得电机的正常运行有所保障，通过仿真永磁电机内部在正常运转时的温度场分布，对于电机在设计阶段考虑安全等因素也是极为重要的一方面。