纯电动汽车驱动电机定子温度场仿真与散热优化

【摘要】：作为纯电动汽车的关键零部件，车用永磁同步电机具有体积小、功率密度高等特点，其发热和散热问题是电机设计过程中的关键问题之一。本文以一台永磁同步驱动电机为研究对象，以提高电机散热效率为目的，借助FLUENT分析软件，对电机进行了定子温度场仿真和散热优化。 本文按照“发热功率计算—热仿真—散热优化—仿真验证”的思路对电机进行散热优化研究。首先采用公式法和样机实验数据结合的方法求出了样机主要发热部件的发热功率，然后对绕组、铁芯等复杂部件进行了等效和简化，建立了定子热仿真的有限元模型，仿真计算得到了电机定子在额定工况下的稳态和瞬态温度分布。经过与温升实验数据的对比，验证了仿真结果的准确性和有效性。采用仿真方法对三种不同的散热水道结构、不同的冷却水流量进行了研究，得出平行水道和较高的流量有利于散热。为了进一步对平行水道的结构进行优化，建立了水道的热阻数学模型，通过求解目标函数最小值得到了最优的水道高度和宽度。提出了一种增大电机水道散热面积的方法，即在水道中设置三排散热肋片，该方法将水道内散热面积提高了40.16%。最后对上述优化结果进行了总结，得到了最终优化方案，仿真结果显示优化后电机温升降低了9.6%，优化方案的有效性得到了验证。 【关键词】：电机 温度场 仿真 优化
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.72;TM303.3
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• Abstract9-10
• 目录10-12
• 插图清单12-14
• 表格清单14-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 目的与意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-19
• 1.2.1 电机热分析研究现状16-18
• 1.2.2 冷却结构研究现状18-19
• 1.3 本文的主要内容19-20
• 1.4 本章总结20-21
• 第二章 电机的发热与散热21-30
• 2.1 电机内热交换的理论基础21-24
• 2.1.1 电机内热交换的传热学基础21-23
• 2.1.2 电机内热交换的流体力学基础23-24
• 2.2 电机内的热传递24-27
• 2.2.1 电机的发热与散热概况24-26
• 2.2.2 电机的温升限度26-27
• 2.3 电机的发热功率计算27-29
• 2.3.1 电机的损耗分析27-28
• 2.3.2 绕组损耗计算28-29
• 2.3.3. 定子铁芯损耗计算29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 基于 CFD 的电机定子热仿真30-51
• 3.1 流体和热仿真基础30-32
• 3.1.1 CFD 流固耦合计算基础30-31
• 3.1.2 CFD 仿真过程31-32
• 3.2 样机的结构和基本参数32-33
• 3.3 模型的等效与简化33-36
• 3.4 主要边界参数计算36-38
• 3.4.1 外表面散热系数36-37
• 3.4.2 生热率37-38
• 3.5 网格生成和求解38-40
• 3.5.1 网格划分38-39
• 3.5.2 Fluent 求解39-40
• 3.6 结果分析40-45
• 3.6.1 稳态仿真结果40-42
• 3.6.2 瞬态仿真结果42-45
• 3.7 实验验证45-50
• 3.7.1 电机温升实验概述45-46
• 3.7.2 实验设备46-47
• 3.7.3 实验方法与结果47-49
• 3.7.4 误差分析49-50
• 3.8 本章小结50-51
• 第四章 电机的冷却系统优化51-70
• 4.1 水道形式对电机温升的影响研究51-55
• 4.1.1 水道结构的不同形式51-52
• 4.1.2 水道内湍流强制对流换热数学模型52-55
• 4.1.3 不同水道形式的散热性能对比55
• 4.2 冷却水流量对电机温升的影响研究55-57
• 4.2.1 流量对散热的影响分析55-56
• 4.2.2 仿真结果56-57
• 4.2.3 流量的选择57
• 4.3 水道截面参数的优化57-63
• 4.3.1 水道热阻数学模型57-60
• 4.3.2 目标函数与约束条件60
• 4.3.3 计算方法与结果60-63
• 4.4 关于对水道结构进一步改进的讨论63-66
• 4.4.1 增加散热面积的的方法63-64
• 4.4.2 水道内肋片的设计64-66
• 4.5 优化方案和基于 Fluent 仿真的优化结果分析66-69
• 4.6 本章小结69-70
• 第五章 总结与展望70-72
• 5.1 总结70
• 5.2 展望70-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况75-76

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