【摘要】 电机的热性能，特别是定子绕组和转子磁体的温升，决定了电机的寿命和运行可靠性。电机温度的急剧上升将导致绕组绝缘失效，永磁体性能大幅下降，甚至完全丧失驱动能力。

高密度永磁同步电机追求高密度、轻量化、高可靠性、低转速高输出和恒功率宽调速[1]。通过在有限的空间内尽可能增加电磁负载来提高电机的功率密度，导致高密度永磁同步电机的尺寸有限，电磁负载和热负载高于普通电机。这些特性对于正确评价电机的热性能是非常严格的要求。电机的热性能，特别是定子绕组和转子磁体的温升，决定了电机的寿命和运行可靠性。电机温度的急剧上升将导致绕组绝缘失效，永磁体性能大幅下降，甚至完全丧失驱动能力。只要电机发生局部高温击穿，电机就会被迫停机维修。

 

因此，在设计和制造电机时，不仅要充分考虑电机本体的潜力和功率密度的提高，还要充分考虑局部热点的产生。保证了电传动系统的安全可靠运行。

 

因此，准确分析电机的温度分布成为电机设计中一个极其重要的步骤。这也是实现车用电机高功率密度和可靠性的关键。准确计算损耗及其分布是准确模拟电机热性能的前提。电机控制电路造成的损耗是不可忽略的，特别是对于电机温升的精确计算。

 

图1. 多物理域耦合仿真计算过程[1]

 

如图1所示，电路、电磁、热耦合仿真的主要过程为:1)通过输入尺寸参数建立电机模型。假设永磁体、定子、转子铁芯、绕组的工作温度均为Tpm0，Tsfe0, Trfe0, TW0。。2)基于电机的电阻、电感等参数，建立了基于参数查表法的矢量控制系统模型。3)通过热耦合仿真计算得到电机关键部件的温升分布，包括水路入口、定子和转子铁芯、定子绕组、永磁体。4)将关键部件的温升计算值与假定工作温度进行比较，如果相同，输出关键部件的温升分布结果并结束计算过程。

 

在电机设计中，考虑到电机的实际运行情况，电机运行在基准转速以下时采用最大转矩/电流比控制方式，电机运行在基准转速以上时采用弱磁控制方式。矢量控制框图如图2所示，主要包括主电路、电压控制模块、定子电流优化控制模块和电机参数计算模块。

 

总之，在多物理域耦合仿真计算技术中，电感参数的计算、矢量控制电路的设计和损耗的精确计算是三个重要技术。在电感参数的计算中，考虑了电流交叉耦合效应，使得电感参数的计算比传统方法更加精确。

 

图2. 矢量控制系统[1]

 

[1] Chen, S., Zhang, Q., He, B., Huang, S., & Hui, D.-D. (2017, January 2). Thermal Analysis of High Density Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Multi Physical Domain Coupling Simulation. Journal of Electrical Engineering and Technology. The Korean Institute of Electrical Engineers. https://doi.org/10.5370/jeet.2017.12.1.091.

 

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