车用永磁同步电机 热计算程序 分享
本帖最后由 黑莲花123 于 2018-8-22 23:32 编辑研究生毕业后，至今已在新能源电驱动行业从事驱动产品的热管理三年多，期间做了很多有限元仿真，同时也做了不少了风冷、水冷、油冷电机的温度测试试验。
逐渐开始想自己做一点有用的东西，经历了有限元仿真的耗时，决定用Visual Studio 的C#平台自己编写一个永磁同步电机的温度计算程序，在此与诸位分享：
由于是基于热路计算理论，所以相对于有限元方法，此计算程序拥有实时的计算响应，可作为电机设计时热负荷能力的快速预判和分析。
附件中程序实现如下功能：
1.计算 永磁同步电机径向不同节点的稳态温度：覆盖不同冷却方式选择（风冷、水冷、油冷）与尺寸参数输入。计算同时输出电机节点热阻。
2. 计算 瞬态绕组温升曲线：覆盖风冷、水冷、油冷电机。
3. 程序界面可切换中文和英文两种语言。
计算与使用步骤：
1. 打开程序后，可在程序菜单栏切换至“中文”。
2. 开始计算需先点击“电机尺寸” ，输入电机尺寸参数; 确认后，回到主页选择电机冷却方式 ”cooling method" ，然后再输入损耗数据等。最后点击“计算”便可。默认参数为预设的一些样机的参数，可供参考。
3. 绕组瞬态温升曲线计算 可在菜单栏点击“瞬态温升计算”，然后在跳出的界面中依次输入参数。注：瞬态温度计算的前提是 已完成上一步：稳态计算，（需要用到其计算的此电机的热阻参数）。
综述：深入的问题与细节等可与我讨论：xu_chengze@sina.com。经过之前积累的不同冷却方式永磁同步电机的温度试验数据，此程序结果接近试验值。可供设计初期的快速分析与参考。随着功率密度不断增加的趋势，热负荷能力将直接定性产品的持续输出能力及寿命性价比等。
在电控产品的热计算方面，由于每款电控的流道与芯片封装的独特性，目前我只在算法层面做了一些已有产品的计算，尚未开发程序界面。且电控热管理和电池热管理中非常注重均温性设计，将影响产品寿命及可靠性。
另外磁钢温度的实时计算模型集成到控制算法中将会是一个很重要的方向，将有利于提高电机控制精度，减小磁钢设计余量（成本）等。
输入电机尺寸后没有确定键啊？ 点赞 热阻系数是通过试验后采用系数校正的么 材料的导热系数是取了一个定值么 还是同类材料的均值？ huanhuangui 发表于 2018-8-23 08:17
输入电机尺寸后没有确定键啊？
点击“更改”按钮就是确认尺寸输入完毕 法法 发表于 2018-8-23 10:11
点赞 热阻系数是通过试验后采用系数校正的么 材料的导热系数是取了一个定值么 还是同类材料的均值？
热阻系数 是根据输入的电机的尺寸和材料的导热系数 计算得到，根据实测样机的温度与软件计算温度的误差，需要对热阻做略微修正。（修正的原因是装配间隙和零部件的真实导热参数与理论计算值必然存在略微差异）。导热系数目前取的永磁同步电机各部件材料的典型值，目前没有在程序中开放给用户输入。 我将会根据诸位使用中所提到的问题，更新界面或增加更多深入的功能。可按帖子中的邮箱地址咨询有无更新版本等。 黑莲花123 发表于 2018-8-23 10:50
热阻系数 是根据输入的电机的尺寸和材料的导热系数 计算得到，根据实测样机的温度与软件计算温度的误差， ...
还有几个问题希望解惑一下
1.电机端部是灌封的么？
2.计算时候的损耗是实际测试还是通过仿真计算得到的，或者是通过计算之后在测试当中修正的
法法 发表于 2018-8-23 11:15
还有几个问题希望解惑一下
1.电机端部是灌封的么？
2.计算时候的损耗是实际测试还是通过仿真计算得到的 ...
1.绕组端部未灌封。
2.损耗可咨询电磁工程师的有限元仿真得到，目前熟练的电磁工程师在通用商用有限元计算的帮助下得到的损耗精度是可以的，包括了绕组交流铜耗补偿，铁耗计算的相关系数等这些在商用电磁设计软件中已成熟。 另外实际测试可以根据效率标定出实际的总损耗。
好像是只有环形水道哦 没有轴向水道 黑夜中的ALIAN 发表于 2018-8-23 13:20
好像是只有环形水道哦 没有轴向水道
我之前用有限元研究过两种水道了，同条件下，换成轴向水道的电机最高温度和环形水道的电机最高温度很接近，轴向水道温度高几度，但温度差别较小；因为表面积接近，且流量一致。 楼主威武，请问楼主面积是指水道横截面积还是整个水流表面积？ 浮尘 发表于 2018-8-23 15:55
楼主威武，请问楼主面积是指水道横截面积还是整个水流表面积？
电机尺寸参数设置中，水道尺寸等，是用来自动计算主界面的“冷却面积"，在"Cooling method"选择水冷电机后，会自动根据电机尺寸与水道尺寸计算冷却表面积。 绕组灌封后续是否会考虑？ 特别感谢楼主无私分享，有个问题请教下，软件中有磁钢的温度，但是输入参数中没有找到磁钢尺寸写入，是不是少了？ 非常感谢楼主的分享，初步就算了一个，觉得还不错
对水道参数有一点疑问，以邮箱发过去了，麻烦楼主有时间时看看，谢谢！ letianjue 发表于 2018-8-23 17:36
绕组灌封后续是否会考虑？
可以考虑，但需要样机的测试数据来对最终的热阻进行试验标定，我们公司尚未有端部灌封的产品。如果你有灌封样机的温度测试结果可发至我帖子中我注的邮箱一同讨论添加。 小北斗 发表于 2018-8-24 10:31
非常感谢楼主的分享，初步就算了一个，觉得还不错
对水道参数有一点疑问，以邮箱发过去了，麻烦楼主有时间 ...
好的，一起学习。就积累的一点热路计算经验的总结，我的计算模型还是使用了不同冷却类型的永磁同步电机的测试数据进行了对标，包括有限元仿真结果的对标等等。不过还有很多功能可以完善与增加，取决于用户需求。但我个人并不是写软件出身的，没有花特别多时间关注于软件本身。 大神，太厉害了，您研究生研究的方向是哪块呢？请问 yangchaohjp 发表于 2018-8-24 08:58
特别感谢楼主无私分享，有个问题请教下，软件中有磁钢的温度，但是输入参数中没有找到磁钢尺寸写入，是不是 ...
如果做的很细，理论上是可以细究到磁钢的细节尺寸。但我目前计算用的是转子冲片的均温来近似作为磁钢温度，尚没细究区分。原因有两个，1.通过有限元仿真的温度分布可看出，稳态时转子硅钢和磁钢温度很接近。2.转子温度本身的计算误差受其他两个重要因素影响，相比之下细致到磁钢尺寸暂无法带来更高的准确度：因为主要影响因素是：转子损耗（包括转子硅钢片的涡流损耗、磁滞损耗、磁钢涡流损耗）、转子气隙的对流换热系数的波动。特别是转子损耗的计算对温度结果的变化很敏感，所以对输入的转子损耗的准确度要求较高。
目前，这边正在做转子磁钢温度实测试验，然后通过测得的温度曲线，来对理论计算的瞬态温度曲线进行标定，来确定合理的等效热阻和等效比热容等。
有时候工程问题遇到很复杂的结构往往简化的模型和经过实验标定系数会带来更可靠的结果。当然模型在这个细节分支上的精细程度根据计算者对实际物理结构的把握程度有所不同；举一个很简单的例子，在我们对流换热中，曾看到一篇经典的德国亚琛工大的论文写的电机温度计算中，电机转子气隙换热系数的计算时，作者列了一大堆经典的流体力学中雷诺数、普朗特数、怒塞尔数等等计算公式，最终其自己评价是复杂的流体力学计算公式，并不能带来更加精确的结果，然后写了一个实验上得到的经验公式：h=15.5*(0.39*v+1) ，即气隙空气的速度与对流换热系数的直接关系。 这可能跟工作量和可靠性有关吧。
天空sky 发表于 2018-8-24 11:17
大神，太厉害了，您研究生研究的方向是哪块呢？请问
噢，我研究生阶段是学传热学和流体力学、流体机械等。