摘要： 运用Ansys Workbench ISG温度场仿真方法，使用Ansys Workbench软件对本田雅阁ISG不同工况下的温度场进行仿真，并与电枢绕组温升试验结果做比较，同时讨论电机温度对转子磁钢和磁桥结构的影响。

    轻度混合动力汽车集成式起动-发电机ISG （ISG：Integrated Starter Generator） 功 率和转矩密度高 、运行工况多变，特别是工作环境温度高、 散热条件差，这些都给电机设计带来了新的挑战，仅按常规电磁设计是不够的，还需要对其进行温度场的仿真分析与设计。

    本田汽车公司的雅阁 （Accord） 混合动力汽车采用中度混合 （mild hybrid），即并联混合动力方案，发动机与电动机同轴，传动结构简单，与普通汽车发动机室差别不大。据本田厂方数据，雅阁混合动力汽车在城市路况下，百公里综合油耗仅为8.1 L，这对于一台3.0 L 6缸发动机来说已经相当不易了。雅阁ISG是一款在业界具有广泛影响的电机。该电机为16极 ／24槽配合永磁同步电机，采用组合式定子铁心结构，q=0.5分数槽集中绕组，见图1；转子为内置式V形磁钢 （接近一字形），每极有3个磁桥，两极之间有V形沟，见图2。

目前电机温升计算方法有3种，即简化公式法、等效热路法和温度场法。简化公式方法比较简单，只能计算电机的平均温度，计算结果不太精确；等效热路法计算精度比简化公式法高，但要提高计算精度，需要增加网络节点和热阻数，计算工作量大大增加；温度场法采用现代数值方法来求解热传导方程，将求解区域离散成许多小单元后，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。温度场法是一种快速和准确的数值计算方法，是现代电机温升计算的主流方法。

1 温度场仿真方法
电机内部存在损耗导致电机发热，使其温升增高。电机内部损耗的组成比较复杂，但主要是铜耗和铁耗。本文研究铁耗和铜耗所引起的电机发热。铜耗可按路的方法计算，而铁耗必须用有限元方法来计算。

电机铁耗由定子铁耗和转子铁耗两部分构成。对于同步运行ISG电机，由于转子铁耗较小，从简化ISG温度场仿真的角度出发，可以认为定子铁心内各处铁耗密度相等，即视定子铁心内为均匀磁场，且只考虑定子铁心内的铁耗。

然而由于电机定子铁心各处磁密并不相同，定子铁心各处的铁耗密度也会不一样；另一方面，谐波磁场也会在转子铁心中产生一定铁耗。如果均值铁耗密度代入，进行电机温度场仿真会有一定误差。为了考虑上述问题，可以采用Ansoft二维有限元与Ansys Workbench联合仿真方法分析电机中的温度场，基本步骤如下。

第1步，计算电机给定工况下的内热源，铁耗通过二维有限元动态仿真计算，即根据已知数据建立二维有限元铁耗模型并进行给定工况下ISG的铁耗仿真。
第2步，建立ISG三维温度场有限元模型，将该模型和第1步铁耗仿真结果导入Ansys Workbench软件。
第3步，给定边界条件，在Workbench环境下进行三维有限元温度场仿真。

根据数据，建立雅阁ISG的1／8 二维有限元铁 耗模型 （ 图 3） 并仿真 ；运用Solidworks 软件建立ISG三维温度场模型 （图4），并将该模型和第1步给定工况下ISG铁耗仿真结果导入Ansys Workbench软件中，图5为最高转速工况时导入后的铁耗分布。图6a为该工况下铁耗不均匀分布时定子温度场的仿真结果。如果视铁耗为均匀分布，可将内热源计算结果直接施加于ISG三维温度场模型并仿真，仿真结果见图6b。

从图6可以看出，铁耗均匀分布时，定子最高温度出现在定子齿中心，达195℃，且每个齿的温度分布相同，但这只是一种近似算法。铁耗不均匀分布时，定子最高温度出现在定子齿边缘，达197.7 ℃，且每个齿的温度分布并不相同。显然，铁耗不均匀分布时温度磁场的仿真结果更接近于实际情况，但数据导入比较费时。以上2种方法温度场最高温度计算结果比较接近，定子最高温度误差只有1.4%。

2 温度场仿真结果及分析
按前面所述方法对雅阁ISG不同工况下的温度场进行仿真分析。仿真时，ISG的环境温度设定为70℃，ISG模 型与空气对流换热系数取 5×10-6W／mm2·℃。
表1给出了雅阁ISG不同工况下铜耗的计算结果。

将不同工况时的铁耗仿真结果直接导入AnsysWorkbench软件，然后使用Ansys Workbench对雅阁ISG进行温度场仿真。考虑到最大功率为短时工作制，这里采用暂态温度场仿真，仿真时间取100 s，其它工况采用稳态温度场仿真，仿真时间取1h。额定工作点、 最大功率工作点和最高转速工作点3种工况下ISG温度场仿真结果如图7所示。表2给出了ISG内各部件的最高温度及所在的位置。

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