ANSYS 电机热有限元仿真：永磁同步电机温升与退磁风险评估

本项目为一台 35 kW 级永磁同步电机做额定工况下的热仿真，评估绕组、永磁体与转子的稳态温升，确保永磁体工作温度低于退磁限值。电机额定转速 8000 rpm，总损耗 2.79 kW，其中铜损 795 W、铁损 512 W、磁钢涡流损耗 147 W，其余为机械损耗与杂散损耗。仿真在 ANSYS Workbench 中完成，采用 Fluent 求解电机内部空气流与冷却水套共轭传热，固体导热与 Fluent 耦合计算。

几何模型包括定子铁心、绕组、绝缘层、永磁体、转子、机壳与水套。绕组端部区域单独划分区域，以考虑端部散热较差导致的局部高温。冷却水套为机壳内的螺旋水道，进水温度 25 °C，流量 4 L/min。稳态求解约 38 分钟后达到热平衡。瞬态仿真也做了 60 min 的启动过程，以观察温升曲线。

案例分析

稳态结果：端部绕组温度最高，达到 121 °C，低于 F 级绝缘 155 °C 限值；永磁体平均温度 96 °C，峰值 104 °C，低于 120 °C 退磁限值，但裕量较小。转子铁心温度约 85 °C，轴约 65 °C。冷却水套带走大部分热量，水道出口水温约 35 °C。从损耗分布看，铜损占 28.5%，铁损占 18.3%，磁钢涡流占 5.3%，总损耗 2.79 kW 是温升的主因。

若将冷却水流量从 4 L/min 提高到 8 L/min，永磁体温度可降至 88 °C，绕组降至 108 °C，但水泵功耗增加约 60 W。若转速提升到 12000 rpm，铁损与涡流损耗会按近平方关系上升，总损耗增至约 4.1 kW，必须同步提升冷却能力。仿真还发现，若冷却水进口温度升高到 40 °C（高温环境），永磁体温度将达 112 °C，接近退磁限值，建议设计时预留 15 °C 以上裕量。

总结教训

本项目的第一个教训是永磁体退磁温度不仅取决于平均温度，还与局部最高温度有关。若只看平均 96 °C，裕量较大；但局部 104 °C 已接近限值。第二个教训是绕组端部散热最难处理，因其被绝缘漆包线包围，对流换热系数低，温度通常比槽内绕组高 15–20 °C。第三个教训是损耗计算必须准确。项目组先用电磁仿真得到各部件损耗分布，再映射到热模型，避免了简单按体积平均带来的误差。

项目经验

1. 永磁电机热仿真应耦合 Fluent 共轭传热与固体导热模型。
2. 额定 8000 rpm 时总损耗 2.79 kW，铜损 795 W、铁损 512 W、磁钢涡流 147 W。
3. 端部绕组最高温度 121 °C，永磁体平均 96 °C、峰值 104 °C。
4. 永磁体退磁限值 120 °C，当前设计裕量约 16 °C，高温环境下偏紧。
5. 冷却水套 25 °C、4 L/min，38 min 达到稳态热平衡。
6. 水流量提升至 8 L/min，永磁体温度可降至 88 °C。
7. 绕组端部是温度最高区域，需重点监控，建议做灌胶或增加端部通风。
8. 高温环境（进水 40 °C）下永磁体温度将达 112 °C，需预留裕量。
9. 损耗应按部件映射到热模型，避免体积平均化处理。
10. 转速升高时铁损与涡流损耗近平方增长，冷却能力需同步提升。
11. 瞬态启动过程前 10 min 温升最快，建议重点关注启动-峰值工况。
12. 本项目方法可推广到新能源汽车驱动电机的热设计验证。

补充经验

1. 扁线绕组相比圆线绕组端部更短、散热更好，可将端部绕组温度降低 10–15 °C。
2. 高速电机转子风摩损耗随转速三次方增长，12000 rpm 以上建议采用油冷或全封闭水冷。
3. 永磁体局部温度超过 120 °C 时，磁通不可逆损失首先出现在边缘棱角处，建议倒角并做磁钢分段。

复现参数速查（案例图硬参数）

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