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摘要：在工业化生产的背景下，我国的混合动力汽车永磁同步电机的生产技术也在不断更新。因为永磁同步电机性能要求高，在运行时易受到温升影响，进而加大机电的损耗，本文以直接喷油式的永磁同步电机的温度场进行分析，设计喷油管冷却结构，并结合实际的散热需求，分析额定工况和峰值工况的温度场内容，相关设计研究如下。
关键词：直接喷油式;永磁同步电机;温度场研究
电机的运行不可避免存在温升问题，在现有的电磁方案下，电机的冷却方式也决定了电机散热性能的好坏。目前按照电机的冷却方式分类，可以将电机分为风冷、水冷和油冷电机。不同的装置设计特点有所不同且散热效率也有所差异。
1.电机温度场的研究方法简述
电机的温度场研究方法包括了有限元体积法、热网络法和等效热路法等。其中等效热路法主要计算电机内的各部件平均温度;热网络法所示采用热点网络矩阵来分析温度分布情况，在合理的条件下可以有效计算电机的温度场，并同时兼顾冷却油和电机传热等作用，进而精准求解电机的温度场。
永磁同步电机的启动力矩大、具有效率高，体积小，力学指标理想等特点。混合动力汽车永磁同步电机在启动驱动力、发电机启动等工况时，需要满足其性能和稳定性，进而让设备能够安全运作[1]。电机在正常运作时，转子铁芯和永磁体涡流和机械损耗等都会引起电机升温，整体而言，电机内的传热和散热环境都较为复杂，而电机的温升问题不光需要考虑电机的自身损耗，其内部也存在损耗问题，通过科学分析电机内热部问题可对温度场研究提供参考依据。
2.电机的冷却方式
降低热损耗主要途径主要为利用一些油，水浇淋进行内部冷却。目前市场上的永磁同步电机的冷却方式包括了风冷、水冷、直接油冷和间接油冷等。一般风冷的输出功率低，损耗小，一般是在电机的机壳安装散热筋，通过空气对流来减少内热堆积;水冷的散热性好，可以保证有较大的输出功率和转矩，在纯电动车上的普及率较高;间接油冷电机处理方式也常见，但是内部的油性物质散热效果比冷却水差，效率不高，因此不常见;直接油冷却电机是在绕组端喷洒冷却油，通过挥发带走热量。
3.案例分析
本次研究对象为车用永磁同步电机，设计前需要确定各个参数、电磁方案合计分析、做好结构设计;后期进行热仿真和实验验证。
整体而言，电机需要结合整个车辆的参数为分析对象，确定基本参数后要保证电机的输出满足各个要求，确定合理的电磁方案后对电机的整体结构进行设计优化，保证冷却结构的设计合理。本次实验中因为电机的功率要求高，因此采用直接喷油冷却结构作为散热方案，为了满足喷油散热的效率，对喷油管道进行结构仿真分析，确定喷油孔数量、直径等因素，以此来实现电机散热目标。
3.1参数确定
混合动力汽车需要依据其功能和工作环境来确定设计参数，如确定驱动电机的效率，让其满足高能低耗、动力性能理想的要求;此外，要保证驱动电机有较大范围的调速功能，需要确定主控制器相关参数，进而实现加速、制动等目标;最后要减少装置的噪音，保证电机的电压符合国家的安全性能的各個标准。
3.2电机设计
永磁同步电机设计前期需要了解客户的要求，进而确定直流电压值、电流和转矩脉动等;此外要结合电机拓扑结构确定电机的关键尺寸和绕组，之后对其建模，确定电磁方案[2];最后电机的设计满足各项要求后，可对其进行温升试验。
3.3直接喷油式冷却方式
通过三维建模确定绕组端的喷油管布局，让冷却油从进油口1 和进油口2进入喷油管，流经喷油管路，冷却油可通过喷油管在绕组端实现散热，整个冷却油也会经过转子、主轴等零件部件，实现全面散热目标。
按照本次案例设计，结合仿真对比设计确定数量为9个、直径为8mm的配置最为合理，其中设置冷却油的最大压力差为2.3MPa，将其均匀分布在各个喷油管路上，控制喷油空的出口压力;控制喷油孔的最大速度为10.5m/s，且速度均匀，减少速度差。
3.4电机的整体结构设计研究
电机的结构还包括了三相线、变速器、轴承盖等，这些零部件的数量较多，其中部分为非标准件如三相线盒，压板等，可按照用户的基本要求来进行综合设计。
4.电机的温度场求解
永磁电动机是整个混合动力汽车的关键组成部分，其主要运用于汽车的定速巡航、加速和爬坡等工况，在长期的运行下，电机可能出现温度过高的问题，一方面会降低各个设备的运行质量，对电机的寿命和可靠性会造成影响;另一方面可能导致汽车安全是事故，对此电机温度场对电动机的运行至关重要[3]。现针对电机额定工况和峰值工况的两种情况下的温度场进行分析，结合直接喷油式永磁同步电机温度场进行如下研究。
4.1电机温度场的基本模型
对电机温度场的直接求解的难度较大，因此建议对电机的内部零部件进行简化，采用三维建模的方式进行分析，内容包括了定子、转子、绕组以及冷却油模型，在实际的简化过程中需要结合结构的特点删除对温度场明显影响的零部件，如三相线盒等，因为喷油管冷却油速差和压力差不大，因此需要计算喷油孔的内部平均速度，比将其作为冷却油入口建立冷却油模型，后依据流动方式特点来确定冷却油区域模型[4]。
4.2工况求解
现在针对额定工况、峰值功率，额定转速、峰值转速，额定功率的条件下进行温度场的仿真分析求解，进而得到了电机工作中关键零部件、温度场的特点。在额定工况运行中，额定功率转速条件下，最高温度可达106.3摄氏度，其中最高温度主要分布在绕组的中下部分，整个结构都满足电机升温设计的具体要求;而电机在峰值功率运行中，90s时电机的最高温度可以达到120.3摄氏度，主要分布在绕组的中下部，也符合升温设计的基本要求[5];电机在峰值转速和额定工况条件下运行时，最高温度可以达到160.0摄氏度，最高温度分布在定子的中上部，其中绕组最高温度已经达到了135设施湿度;此时定子的温度和绕组温度有明显的温度差，但是最高温度也能够满足电机温升控制的基本设计要求[6]。
4.3实验验证
额定转速工况条件下，电机稳态时的仿真值和实验值温差为3%，实验误差为3.5%;峰值功率、额定转速工况条件下，电机工作到100s时仿真值和实验值误差为2.35摄氏度，三种工况条件下绕组端部测温点的仿真值和实验值误差均控制在4%，误差极小。
5.结语
本文结合混合动力的驱动电机温度场控制进行分析，结合冷驱动电机为研究对象，通过设计仿真实验等步骤验证了冷电机发热和散热理论，并从不同的工况环境下观测温度场的变化，验证了电机工作的关键点的温度场情况。
[参考文献]
[1]陈辰，钱华，李志鹏，秦倩倩，杨可新.真空环境用有刷直流电机三维瞬态温度场的计算与分析[J].微特电机，2020，49（06）：34-37.
[2]吴尧辉，宋贺，董雪，吴昊珍，方鑫.多场耦合的电机温度场热关键参数等效[J].武汉大学学报（工学版），2020，54（05）：438-444.
[3]朱高嘉，李龙女.基于有限公式法的永磁电机温升仿真实验教学平台与应用[J].实验技术与管理，2020，38（02）：136-139.
[4]吴尧辉，方鑫.不同负载下的电机温度场计算[J].微特电机，2020，48（12）：27-31.
[5]张宗熠，高殿荣，许森浩，孙亚楠，张琰.高速电机泵温度场数值模拟分析及优化[J].重庆理工大学学报（自然科学），2020，34（12）：111-120.
[6]刘马林. 直接喷油式永磁同步电机温度场研究[D].合肥工业大学，2016.
关键词：直接喷油式;永磁同步电机;温度场研究
电机的运行不可避免存在温升问题，在现有的电磁方案下，电机的冷却方式也决定了电机散热性能的好坏。目前按照电机的冷却方式分类，可以将电机分为风冷、水冷和油冷电机。不同的装置设计特点有所不同且散热效率也有所差异。
1.电机温度场的研究方法简述
电机的温度场研究方法包括了有限元体积法、热网络法和等效热路法等。其中等效热路法主要计算电机内的各部件平均温度;热网络法所示采用热点网络矩阵来分析温度分布情况，在合理的条件下可以有效计算电机的温度场，并同时兼顾冷却油和电机传热等作用，进而精准求解电机的温度场。
永磁同步电机的启动力矩大、具有效率高，体积小，力学指标理想等特点。混合动力汽车永磁同步电机在启动驱动力、发电机启动等工况时，需要满足其性能和稳定性，进而让设备能够安全运作[1]。电机在正常运作时，转子铁芯和永磁体涡流和机械损耗等都会引起电机升温，整体而言，电机内的传热和散热环境都较为复杂，而电机的温升问题不光需要考虑电机的自身损耗，其内部也存在损耗问题，通过科学分析电机内热部问题可对温度场研究提供参考依据。
2.电机的冷却方式
降低热损耗主要途径主要为利用一些油，水浇淋进行内部冷却。目前市场上的永磁同步电机的冷却方式包括了风冷、水冷、直接油冷和间接油冷等。一般风冷的输出功率低，损耗小，一般是在电机的机壳安装散热筋，通过空气对流来减少内热堆积;水冷的散热性好，可以保证有较大的输出功率和转矩，在纯电动车上的普及率较高;间接油冷电机处理方式也常见，但是内部的油性物质散热效果比冷却水差，效率不高，因此不常见;直接油冷却电机是在绕组端喷洒冷却油，通过挥发带走热量。
3.案例分析
本次研究对象为车用永磁同步电机，设计前需要确定各个参数、电磁方案合计分析、做好结构设计;后期进行热仿真和实验验证。
整体而言，电机需要结合整个车辆的参数为分析对象，确定基本参数后要保证电机的输出满足各个要求，确定合理的电磁方案后对电机的整体结构进行设计优化，保证冷却结构的设计合理。本次实验中因为电机的功率要求高，因此采用直接喷油冷却结构作为散热方案，为了满足喷油散热的效率，对喷油管道进行结构仿真分析，确定喷油孔数量、直径等因素，以此来实现电机散热目标。
3.1参数确定
混合动力汽车需要依据其功能和工作环境来确定设计参数，如确定驱动电机的效率，让其满足高能低耗、动力性能理想的要求;此外，要保证驱动电机有较大范围的调速功能，需要确定主控制器相关参数，进而实现加速、制动等目标;最后要减少装置的噪音，保证电机的电压符合国家的安全性能的各個标准。
3.2电机设计
永磁同步电机设计前期需要了解客户的要求，进而确定直流电压值、电流和转矩脉动等;此外要结合电机拓扑结构确定电机的关键尺寸和绕组，之后对其建模，确定电磁方案[2];最后电机的设计满足各项要求后，可对其进行温升试验。
3.3直接喷油式冷却方式
通过三维建模确定绕组端的喷油管布局，让冷却油从进油口1 和进油口2进入喷油管，流经喷油管路，冷却油可通过喷油管在绕组端实现散热，整个冷却油也会经过转子、主轴等零件部件，实现全面散热目标。
按照本次案例设计，结合仿真对比设计确定数量为9个、直径为8mm的配置最为合理，其中设置冷却油的最大压力差为2.3MPa，将其均匀分布在各个喷油管路上，控制喷油空的出口压力;控制喷油孔的最大速度为10.5m/s，且速度均匀，减少速度差。
3.4电机的整体结构设计研究
电机的结构还包括了三相线、变速器、轴承盖等，这些零部件的数量较多，其中部分为非标准件如三相线盒，压板等，可按照用户的基本要求来进行综合设计。
4.电机的温度场求解
永磁电动机是整个混合动力汽车的关键组成部分，其主要运用于汽车的定速巡航、加速和爬坡等工况，在长期的运行下，电机可能出现温度过高的问题，一方面会降低各个设备的运行质量，对电机的寿命和可靠性会造成影响;另一方面可能导致汽车安全是事故，对此电机温度场对电动机的运行至关重要[3]。现针对电机额定工况和峰值工况的两种情况下的温度场进行分析，结合直接喷油式永磁同步电机温度场进行如下研究。
4.1电机温度场的基本模型
对电机温度场的直接求解的难度较大，因此建议对电机的内部零部件进行简化，采用三维建模的方式进行分析，内容包括了定子、转子、绕组以及冷却油模型，在实际的简化过程中需要结合结构的特点删除对温度场明显影响的零部件，如三相线盒等，因为喷油管冷却油速差和压力差不大，因此需要计算喷油孔的内部平均速度，比将其作为冷却油入口建立冷却油模型，后依据流动方式特点来确定冷却油区域模型[4]。
4.2工况求解
现在针对额定工况、峰值功率，额定转速、峰值转速，额定功率的条件下进行温度场的仿真分析求解，进而得到了电机工作中关键零部件、温度场的特点。在额定工况运行中，额定功率转速条件下，最高温度可达106.3摄氏度，其中最高温度主要分布在绕组的中下部分，整个结构都满足电机升温设计的具体要求;而电机在峰值功率运行中，90s时电机的最高温度可以达到120.3摄氏度，主要分布在绕组的中下部，也符合升温设计的基本要求[5];电机在峰值转速和额定工况条件下运行时，最高温度可以达到160.0摄氏度，最高温度分布在定子的中上部，其中绕组最高温度已经达到了135设施湿度;此时定子的温度和绕组温度有明显的温度差，但是最高温度也能够满足电机温升控制的基本设计要求[6]。
4.3实验验证
额定转速工况条件下，电机稳态时的仿真值和实验值温差为3%，实验误差为3.5%;峰值功率、额定转速工况条件下，电机工作到100s时仿真值和实验值误差为2.35摄氏度，三种工况条件下绕组端部测温点的仿真值和实验值误差均控制在4%，误差极小。
5.结语
本文结合混合动力的驱动电机温度场控制进行分析，结合冷驱动电机为研究对象，通过设计仿真实验等步骤验证了冷电机发热和散热理论，并从不同的工况环境下观测温度场的变化，验证了电机工作的关键点的温度场情况。
[参考文献]
[1]陈辰，钱华，李志鹏，秦倩倩，杨可新.真空环境用有刷直流电机三维瞬态温度场的计算与分析[J].微特电机，2020，49（06）：34-37.
[2]吴尧辉，宋贺，董雪，吴昊珍，方鑫.多场耦合的电机温度场热关键参数等效[J].武汉大学学报（工学版），2020，54（05）：438-444.
[3]朱高嘉，李龙女.基于有限公式法的永磁电机温升仿真实验教学平台与应用[J].实验技术与管理，2020，38（02）：136-139.
[4]吴尧辉，方鑫.不同负载下的电机温度场计算[J].微特电机，2020，48（12）：27-31.
[5]张宗熠，高殿荣，许森浩，孙亚楠，张琰.高速电机泵温度场数值模拟分析及优化[J].重庆理工大学学报（自然科学），2020，34（12）：111-120.
[6]刘马林. 直接喷油式永磁同步电机温度场研究[D].合肥工业大学，2016.