[发明专利]一种基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，具体的说是一种适用于新能源汽车用永磁同步电机或其他工业用永磁同步电机电磁生热-热传导-流体散热的耦合分析技术，本发明可以有效提高电机温升散热的分析精度，并优化电机设计分析。

背景技术

随着不可再生能源危机的日趋严峻和环境问题对人类生存威胁的日益加剧，设计和生产代替石油的混合动力汽车或电动汽车已经成为各国关注的焦点。电机驱动装置作为新型动力汽车与传统燃油汽车的主要区别，无疑成为新能源汽车成功设计的关键。电机不同工作状态下的温度分布不仅影响电磁材料的特性，同时也对永磁体的失磁特性有着至关重要的影响，因此温度控制和高精度仿真分析成为新能源汽车用永磁同步电机设计的关键。

目前比较通用的电机分析软件JMAG和ANSOFT-Maxwell自身没有CFD软件模块，传统上，对电机进行温度和冷却分析时，一般采用第三方CFD软件，对冷却液的流体边界进行简化处理。具体的，首先对冷却液在假定的流固耦合界面温度条件下进行求解，获得流固耦合界面的近似散热系数和温度分布，然后将该结果作为电机热分析的输入边界条件进行准静态分析，这样无法保证耦合界面温度连续性和能量守恒，影响温升散热分析的精度，从而影响电机设计的可靠性。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于多场耦合技术分析永磁同步电机温升散热的分析方法，该方法能够依据电机的实际几何设计、材料参数、工作条件对电机的电磁场分布、电磁生热、转子定子固体热传导、流体散热进行多场耦合分析，获得高精度的温度分布，保证电机的正常工作状态。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种基于多场耦合技术分析永磁同步电机温升散热的方法集成了电磁-温度-流体场三场分析功能，其实现步骤如下：

步骤1:通过建立电机电磁场模型进行电磁损耗分析，获得线圈上的铜损、铁芯中的铁损以及永磁材料上的涡流损耗；

步骤2:建立电机结构温度场分析和流体散热分析的流固强耦合共轭热传导模型，采用多点约束法即MPC技术确保电机流道固体界面和冷却液界面温度的连续性以及热流的守恒性，以下流固强耦合共轭热传导简称为流固共轭热传导；

步骤3:建立电磁损耗分析和流固共轭热传导分析的双向弱耦合模型：将电磁损耗分析得到的损耗作为生热量通过体积映射和插值方法加载到流固共轭热传导分析中，并将流固共轭热传导分析的温度分布结果映射传递到电磁损耗分析中；

步骤4:利用重复循环迭代方法实现单独物理模型的收敛以及电磁场模型和流固共轭热传导模型之间的载荷传递的收敛性，当收敛条件满足用户设定条件时，耦合平衡，计算结束。所述单独物理模型为电磁场模型和流固共轭热传导模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明集成了强耦合方法与弱耦合方法的优势，提出了全新的电机电磁生热-热传导-流体散热的多场双向耦合技术和方法，实现了电机的多物理场高精度温升散热分析；本发明实现了在统一软件平台下对电机工作中的温升和散热过程进行精确的仿真，采用强耦合与弱耦合相结合的方式，增加了计算时收敛的稳定性，提高了计算精度和计算效率。

附图说明

图1：本发明基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法的步骤流程图；

图2：本发明基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法功能集成图；

图3：本发明基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法模型关系图；

图4：本发明实施例电机电流分布及磁化方向示意图；

图5：本发明实施例永磁同步电机的有限元模型示意图；

图6：本发明实施例永磁铁的磁场强度矢量图；

图7：本发明实施例定子的磁场强度矢量图；

图中：1、流体，2、空气，3、气隙，4、定子，5、线圈，6、永磁铁，7、转子。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例进一步说明本发明的技术方案：

如图2所示，本发明集成了电磁-温度-流体场三场分析功能，实现了在统一的软件平台下电磁损耗分析功能、结构热传导分析功能以及流体散热分析功能的集成。具体的，如图3所示，通过多点约束法实现了结构温度场分析和流体散热分析的非匹配网格的强耦合；通过求解间耦合接口的载荷传递耦合技术实现了电磁损耗分析和流固共轭热传导分析的双向弱耦合。

如图1所示，本发明主要涉及步骤如下：

步骤1:通过建立电磁场模型进行电磁损耗分析，获得线圈上的铜损、铁芯中的铁损以及永磁铁材料上的涡流损耗；