车用永磁电机电热耦合仿真

作者：臧儒振、张志金、钟修林

单位：艾迪捷信息科技（上海）有限公司北京分公司 北京市 100022

计算成本和模型分辨率之间的矛盾是车用永磁电机电热耦合仿真面临的主要挑战。本文基于GT-SUITE和JMAG-RT提出一种实用的电机电热耦合仿真方法，兼顾分辨率和计算成本。该方法包含高精度的电机模型、详细的电机内部热管理、电机外部冷却回路、电机控制器以及整车模型。该方法既能得到电机内部详细的温度分布，也能反映温度对电机性能的影响。同时计算成本可接受（1800秒的CLTC-P瞬态工况，用时30小时）。  

1.前言

永磁电机是新能源汽车的主要动力装置。更小、更轻、更高效率的电机是电机设计者的目标。而更高的电机功率密度，使得电机内部的电和热成为强相关。这种强耦合关系既会影响电机在整车上的匹配又会影响电机的设计。故一个高精度的、计算成本又可接受的电机电热耦合仿真方法对于主机厂或供应商的电机设计工程师都是很有用的。

车用永磁电机的电热耦合仿真应包含三个部分：高精度的电机模型、详细的电机内部热管理以及电机控制。当前电机的电热耦合仿真面临一些挑战。首先，它是一个典型的多物理仿真，包含电磁、传热、控制理论以及整车动力学等。其次，计算成本与模型分辨率之间难以找到一个最优的折中。最后，该仿真会涉及多个软件，给工程师带来了不便。

目前电机仿真工程师多集中在电机的零部件级仿真，如采用JMAG或Maxwell等有限元仿真软件进行电机电磁场仿真，或采用CFD进行电机流固耦合仿真。由于过高的计算成本，CFD与有限元电磁场软件的联合仿真并不实用。而系统仿真工程师多集中在整车水平的能量管理仿真，电机只是作为一个“黑盒子”，其重点在于评价电机的热管理回路匹配等问题，而非关注电机本身。故电机的电热耦合系统仿真是一个当前较少涉及的领域。

GT-SUITE是一款世界领先的多物理系统仿真工具，在汽车领域得到了广泛的使用。JMAG-RT是一种基于JMAG-Designer有限元分析结果来获得所需的电机参数（线圈磁链、电感、电阻等），为电路/控制仿真创建专用数据模型。JMAG-RT模型创建完成之后可直接在控制电路中使用，在控制仿真时无需再次进行有限元分析。

本文将基于GT-SUITE和JMAG-RT提出一种实用的电机电热耦合仿真方法，兼顾分辨率和计算成本。

2.电机电热耦合仿真方法

2.1

电机仿真方法

当前的电机仿真一般有4种方法：

（1）基于效率map的模型。该模型非常简单，计算速度最快，主要应用于整车级别的仿真中，如动力性经济性、包含电机冷却回路的整车能量管理。该模型的缺点在于其忽略了电机的动态特性，通过简单的查表计算电机的性能，无法集成电机的控制。

图 1电机效率map

（2）基于等效电路的模型。该模型也很简单，计算速度也很快（时间步长可以达到0.01s）。该模型可以集成电机控制，可以反映电机低频的动态特性，也可以反映温度对电机性能的影响。但模型精度有限。

图 2永磁电机的等效电路模型

（3）基于JMAG-Designer（或其他软件）的有限元模型。该类模型能够计算电机内部的电磁场，具有最高的模型保真度，但只适合于零部件仿真，不适合进行电热耦合这类系统仿真。

图 3JMAG-Designer

（4）基于JMAG-RT（或其他软件）的模型。该模型基于JMAG有限元的计算结果，结合等效电路模型进行模型标定。该模型计算精度高，且计算速度较快。既可以集成电机控制，也可反映温度对性能的影响。故该模型最适合于电机的电热耦合仿真。

2.2

电机热管理仿真方法

当前的电机热管理，一般也有4种仿真方法：

（1）电机“黑盒子”热模型。该模型将电机简化成一个“黑盒子”，与电机冷却回路进行换热。故电机内部处处的温度相同。该模型分辨率最低，主要与基于效率map的电机模型联合使用，应用于整车能量管理。

图 4电机“黑盒子”热模型

（2）电机简单热阻模型。该方法将电机内部分为几个部分，定义部件之间的热阻，这样结合流体回路就可以得到简单的电机内部温度分布。该方法分辨率仍然很低。

（3）电机详细的一维热管理。该方法的流体部分采用一维CFD进行模拟，直接求解NS方程。固体部分采用有限元（可多达数十万个网格）。该方法分辨率高，计算成本可接受，适合于具有高分辨率要求的系统仿真。本文即采用该方法。

（4）CFD 流固耦合仿真。该方法具有最高的模型保真度。流体部分采用三维CFD，固体部分采用有限元。但该方法计算成本高，且难以与电机模型进行实时耦合。故适合于零部件仿真。

另外，电机控制一般在SIMULINK等工具中搭建。本文将在GT-SUITE中搭建控制模块，以减少所用软件的数量。GT-SUITE负责电机的详细热管理、电路、电机控制以及整车动力学模型的搭建，而JMAG-RT负责电机本身的建模。两者在GT-SUITE中进行耦合。

3.仿真模型介绍

3.1

电机JMAG模型

本文采用的是一个内置式的永磁电机。电机性能参数如下表所示。

表1 电机参数

图 5电机模型

由于当前JMAG-RT文件无法分别输出定、转子铁耗，故需要JMAG导出两个RT模型。一个RT模型的铁耗只包含定子铁耗，另一个RT模型的铁耗只包含转子铁耗。

3.2

整车模型和电路模型

本文所用乘用车的整车参数如下表所示。

表2 整车参数

所搭建的整车和电机电路模型如下图所示。电机通过3个电压源驱动。图中所示重复的两个JMAG-RT电机是为了将定子铁耗和转子铁耗分别输出。

图 6GT-SUITE整车和电路模型

3.3

来源：艾迪捷信息科技（上海）有限公司