ARTICLE · 1122021
利用Motor-CAD软件计算永磁电机温升
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1 前言 Motor-CAD软件是全球唯一一款基于热路法和磁路法的电机电磁、热分析和优化的仿真设计软件，是唯一可以方便进行磁热互耦的仿真工具。基于其简单方便快捷的操作，在企业、科研院所及高校都得到了广泛的应用。本文主要是利用Motor-CAD软件来对一台应用于电动汽车用的永磁电机进行温升的计算。
2 设置流程
本电机是8极48槽永磁电机，应用在电动汽车上。为了增大电机的励磁，永磁体采用V型上面再一字型的永磁体结构。为了降低电机的温升，冷却采用机壳螺旋水道的冷却方式。
2.1 几何模型的建立
要进行温升计算，首先要建立几何模型，Motor-CAD建立几何模型方便快捷，只需填写选项卡的方式输入模型的几何参数，无需画出电机的几何模型。Motor-CAD几何模型的输入包括径向尺寸的输入、轴向尺寸的输入及绕组尺寸的输入。本电机最终输入径向尺寸及轴向尺寸得到的模型分别如图1和图2所示：
图1 电机径向图形
图2 电机轴向图形
输入完绕组参数后的模型如图3所示：绕组的输入只需输入每槽导体数、线规、槽绝缘等相关参数即可，方便快捷。
图3 绕组的图形
当把模型的几何尺寸输入完成后，Motor-CAD可以查看电机的三维模型结构，如图4所示：这样电机设计人员可以清楚地看到电机的总体设计结构，避免了设计中尺寸出现错误。并且Motor-CAD可以保存电机的三维模型，并且可以动画显示电机的装配过程。
图4 电机三维模型
2.2 冷却结构的设置
本电机采用径向螺旋水道的形式进行冷却。在选择机壳的种类的时候就要选择径向水道的结构，如下图5所示：
图5 选择径向水道的机壳
选择好了径向水道，冷却系统设置界面就会自动勾选了Housing Water Jacket，如图所6所示：
图6 冷却系统的选择
在冷却系统设置界面需要设置冷却介质的流量、冷却介质的类型、进口温度、是否螺旋、冷却介质的流向等相关设置，如图7所示：
图7 冷却系统的设置
2.3 损耗的输入
因为要计算电机的温升，必须要给电机各个部分附加损耗值。图8是通过输入电机的各个部分的损耗来计算电机的温升。主要输入的损耗包括定子铜耗、定转子铁耗、永磁体损耗及机械损耗。
图8 损耗的输入
这里有一个公式
这个主要是考虑到铁耗和风磨耗随转轴转速的变化，假如转轴转速变大，在电机极数不变的情况下，自然电机的频率会增大，频率增大导致电机的铁耗增大，一般情况下，在铁耗的coef[A]取值为1.5，风磨耗coef[A]取值为3。
这里还要注意一点，就是当勾选上
意味着考虑了电机的铜耗随温度变化的影响，并且此时输入的铜耗是在60℃时的铜耗值。
2.4 材料的设置
Motor-CAD软件提供了丰富的材料类型供使用者进行选择。在相应电机部件后面的下拉菜单中即可选择材料，非常方便。当所需的材料在材料库中没有时，也可以方便进行创建材料。图9为本电机的材料设置，材料属相包括导热系数、比热容、密度等属性。
图9 电机材料的设置
Motor-CAD软件能够自动计算对流散热系数及辐射散热系数，不需人工进行设置。
2.5 温升的计算
Motor-CAD能够快速计算出电机各个部分的温升情况。点击菜单栏中的temperatures按键，就可快速计算出电机各个部分的温升，并且能够自动生成热路图。图10和图11分别为电机的径向温升及轴向温升情况。
图10 电机径向温升
图11 电机轴向温升
表1为计算值与试验值的对比
表1 温升计算结果
项目 试验值
Motor-CAD 绕组端部
温升/K
85.8 （埋置热电阻） 85.6 绕组平均 温升/K 76.7（电阻法） 76.6
通过表1可知，用Motor-CAD计算出的温升结果与试验值非常接近，也证明了Motor-CAD软件计算的准确性。Motor-CAD软件不仅能够显示电机各个部分的温升情况，还可以显示电机温度云图，图12为本电机定子槽内的温度云图。
图12 电机定子槽内的温度云图
3 结论
通过Motor-CAD的电机温升计算，电机设计人员能够非常快速得到电机总体的温升情况。并且Motor-CAD能够自动计算出电机的对流换热系数等参数，计算结果与试验值非常吻合。
如果您对本篇Motor-CAD用户大会的文章还意犹未尽，也欢迎10月24日-26日来北京参加“永磁电机的原理、设计及制造工艺”研修班，现场聆听路洋博士和吴炜桦老师为您详细解读Motor-CAD更多最新功能在电机设计中的应用，并通过现场实操演示教您如何应用Motor-CAD更好地完成新能源汽车及机器人关节模组用永磁电机的仿真设计！
Motor-CAD软件是全球唯一一款基于热路法和磁路法的电机电磁、热分析和优化的仿真设计软件，是唯一可以方便进行磁热互耦的仿真工具。基于其简单方便快捷的操作，在企业、科研院所及高校都得到了广泛的应用。本文主要是利用Motor-CAD软件来对一台应用于电动汽车用的永磁电机进行温升的计算。
2 设置流程
本电机是8极48槽永磁电机，应用在电动汽车上。为了增大电机的励磁，永磁体采用V型上面再一字型的永磁体结构。为了降低电机的温升，冷却采用机壳螺旋水道的冷却方式。
2.1 几何模型的建立
要进行温升计算，首先要建立几何模型，Motor-CAD建立几何模型方便快捷，只需填写选项卡的方式输入模型的几何参数，无需画出电机的几何模型。Motor-CAD几何模型的输入包括径向尺寸的输入、轴向尺寸的输入及绕组尺寸的输入。本电机最终输入径向尺寸及轴向尺寸得到的模型分别如图1和图2所示：
图1 电机径向图形
图2 电机轴向图形
输入完绕组参数后的模型如图3所示：绕组的输入只需输入每槽导体数、线规、槽绝缘等相关参数即可，方便快捷。
图3 绕组的图形
当把模型的几何尺寸输入完成后，Motor-CAD可以查看电机的三维模型结构，如图4所示：这样电机设计人员可以清楚地看到电机的总体设计结构，避免了设计中尺寸出现错误。并且Motor-CAD可以保存电机的三维模型，并且可以动画显示电机的装配过程。
图4 电机三维模型
2.2 冷却结构的设置
本电机采用径向螺旋水道的形式进行冷却。在选择机壳的种类的时候就要选择径向水道的结构，如下图5所示：
图5 选择径向水道的机壳
选择好了径向水道，冷却系统设置界面就会自动勾选了Housing Water Jacket，如图所6所示：
图6 冷却系统的选择
在冷却系统设置界面需要设置冷却介质的流量、冷却介质的类型、进口温度、是否螺旋、冷却介质的流向等相关设置，如图7所示：
图7 冷却系统的设置
2.3 损耗的输入
因为要计算电机的温升，必须要给电机各个部分附加损耗值。图8是通过输入电机的各个部分的损耗来计算电机的温升。主要输入的损耗包括定子铜耗、定转子铁耗、永磁体损耗及机械损耗。
图8 损耗的输入
这里有一个公式
这个主要是考虑到铁耗和风磨耗随转轴转速的变化，假如转轴转速变大，在电机极数不变的情况下，自然电机的频率会增大，频率增大导致电机的铁耗增大，一般情况下，在铁耗的coef[A]取值为1.5，风磨耗coef[A]取值为3。
这里还要注意一点，就是当勾选上
意味着考虑了电机的铜耗随温度变化的影响，并且此时输入的铜耗是在60℃时的铜耗值。
2.4 材料的设置
Motor-CAD软件提供了丰富的材料类型供使用者进行选择。在相应电机部件后面的下拉菜单中即可选择材料，非常方便。当所需的材料在材料库中没有时，也可以方便进行创建材料。图9为本电机的材料设置，材料属相包括导热系数、比热容、密度等属性。
图9 电机材料的设置
Motor-CAD软件能够自动计算对流散热系数及辐射散热系数，不需人工进行设置。
2.5 温升的计算
Motor-CAD能够快速计算出电机各个部分的温升情况。点击菜单栏中的temperatures按键，就可快速计算出电机各个部分的温升，并且能够自动生成热路图。图10和图11分别为电机的径向温升及轴向温升情况。
图10 电机径向温升
图11 电机轴向温升
表1为计算值与试验值的对比
表1 温升计算结果
试验值 | ||
绕组端部 温升/K | ||
通过表1可知，用Motor-CAD计算出的温升结果与试验值非常接近，也证明了Motor-CAD软件计算的准确性。Motor-CAD软件不仅能够显示电机各个部分的温升情况，还可以显示电机温度云图，图12为本电机定子槽内的温度云图。
图12 电机定子槽内的温度云图
3 结论
通过Motor-CAD的电机温升计算，电机设计人员能够非常快速得到电机总体的温升情况。并且Motor-CAD能够自动计算出电机的对流换热系数等参数，计算结果与试验值非常吻合。
如果您对本篇Motor-CAD用户大会的文章还意犹未尽，也欢迎10月24日-26日来北京参加“永磁电机的原理、设计及制造工艺”研修班，现场聆听路洋博士和吴炜桦老师为您详细解读Motor-CAD更多最新功能在电机设计中的应用，并通过现场实操演示教您如何应用Motor-CAD更好地完成新能源汽车及机器人关节模组用永磁电机的仿真设计！
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