电动汽车开关磁阻电机磁-热耦合与冷却研究

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随着石油资源日益枯竭,环境污染以及国家政策等因素,使得新能源汽车得到快速发展。电机作为新能源汽车的核心部件,为汽车提供了充足的动力输出。开关磁阻电机因具有体积小,结构简单,调速范围广,成本低等优点,被使用在新能源汽车中。由于电机在运行时会因为功率损耗的问题产生大量的热,从而影响电机的性能,降低其使用寿命,因此对电机进行温升与冷却研究是十分必要的。本文首先对三相12/8极开关磁阻电机的结构和工作原理进行了阐述,并对电机的数学模型和电机的传热理论进行了介绍。利用Ansoft Maxwell软件对开关磁阻电机进行磁场分析,得到了电机在不同位置的磁力线分布与磁密云图。分析了电机定转子的轭部和齿部的铁心磁密波形以及变化规律,并对其进行了傅里叶分解。使用谐波分析法计算了电机的铁心损耗,并根据公式得到电机绕组损耗、机械损耗和杂散损耗的值。然后对电机各部进行等效计算,确定了电机定转子铁心、定子槽以及定子和转子间气隙的等效导热系数,并计算了电机各表面的对流换热系数。接着利用Ansys Workbench有限元软件建立开关磁阻电机热模型,将电机的损耗值映射到温度场中,对其进行磁-热耦合分析,得到电机定子、转子以及绕组的温升情况。最后根据电机的温升情况,利用三维建模软件Catia设计电机的冷却结构。利用Fluent有限元软件研究了冷却水道数目、截面形状和进出水口布置角度对电机最高温度和管流压降的影响。结果表明随着冷却水道数目的增加,电机的最高温度逐渐降低,进出水口的压力差逐渐增大;合理设计冷却水道截面形状能改善电机的散热性能,降低管流压降;进出水口管道与机壳的布置角度从垂直变为相切过程中,电机最高温度基本不变,但进出水口的压力差越来越低。然后综合考虑了冷却水道数目,截面形状以及进出水口布置角度这三种影响因素,设计了正交试验,对冷却水道结构进行多目标优化。根据得到的仿真结果,采用综合平衡法,得到了对电机散热和管流压降最优的参数组合。
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