Имитационное моделирование теплового состояния электродвигателя в цикле движения одноколейного электрифицированного транспортного средства

Введение (постановка задачи и актуальность). Имитационное моделирование и расчёт теплового состояния электродвигателей важны в современных условиях развития автомобилестроения. Одним из ключевых компонентов электрифицированных транспортных средств является электродвигатель, удельные показатели которого достигают 10 кВт/кг для электротранспорта. Безусловно, такие высокие показатели невозможны без инновационных подходов к моделированию и применения передовых материалов.

Цель исследования – анализ тепловых процессов внутри электродвигателя и определение коэффициента теплоотдачи.

Методология и методы. Используемые методы базируются на основных положениях тепломассообмена, электротехники, а также методов инженерного анализа и исследовательских испытаний.

Результаты и научная новизна. По результатам исследований получена верифицированная тепловая 1D-модель электродвигателя. Разработанная модель показала погрешность менее 10% по результатам дорожных испытаний по циклу в составе транспортного средства. В отличие от существующих подходов, основанных на упрощённых стационарных тепловых схемах или вычислительно затратных трёхмерных CFD-моделях, в данной работе разработана верифицированная нестационарная 1D-модель теплового состояния электродвигателя в среде Matlab/Simulink (Simscape). Модель учитывает взаимосвязанные процессы теплопроводности, конвективного теплообмена в системе жидкостного охлаждения и принудительной конвекции ротора, а также зависимость теплофизических свойств охлаждающей жидкости от температуры и расхода. Новизна подхода состоит в совместном рассмотрении тепловых процессов в активных частях электродвигателя и в системе охлаждения модели, пригодной для встраивания в общую тепловую систему транспортного средства.

Практическая значимость. Современные вызовы в автомобилестроении направлены на улучшение удельных показателей, что неизбежно приводит к необходимости решения проблем отвода тепла. Данная модель позволяет оценивать тепловое состояние обмоток и других компонентов в процессе эксплуатации транспортного средства, она может быть встроена в более общую модель, например, теплового менеджмента автомобиля или тягового привода, а также позволяет получить данные о тепловом состоянии системы с высокой сходимостью результатов и без проведения предварительных натурных испытаний.

1. Брякин И.В., Бочкарев И.В., Багиев Х.Г., Келебаев К.К. Контроль температуры обмоток и защита от перегрева электрических машин переменного тока // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2019. – Т. 19, № 1. – С. 75–84. DOI: 10.14529/power190109. EDN: DEGBOC.

2. EV Drivetrain Technology to Enable Lower Cost Vehicles. Electric motors for electric vehicles 2025–2035: Technologies, materials, markets, and forecasts: IDTechEx Webinar. URL: https://www.idtechex.com/en/webinar/evdrivetrain-technology-to-enable-lower-cost-vehicles/619 (дата обращения: 02.02.2026).

3. Terenchenko A.S., Karpukhin K.E., Shorin A.A., Sklyarinskii S.F. Optimizing the losses in a tractional induction motor within a hybrid system // Russian engineering research. – 2015. – V. 35. – No. 3. – P. 171–713. DOI: 10.3103/S1068798X15030193. EDN: UAJNTD.

4. EXHIBIT 99.1. LUCID. URL: https://www.sec.gov/Archives/edgar/data/1811210/000110465921065929/tm2116247d2_ex991.htm?utm_medium=organic&utm_source=yandexsmartcamera (дата обращения: 13.01.2026).

5. Lipo T.A. Introduction to AC machine design. – John Wiley & Sons, 2017. – 544 p.

6. Hemsen J., Nowak N., Eckstein L. Production cost modeling for permanent magnet synchronous machines for electric vehicles // Automotive and Engine Technology. – 2023. – V. 8. – No. 2. – P. 109–126. DOI: 10.1007/s41104-023-00128-w.

7. Тепловые расчёты узлов электропривода: учебное пособие / сост.: В.И. Доманов, А.В. Сердцева. – Ульяновск: УлГТУ, 2019. – 107 с.

8. Метельков В.П. Развитие теории и разработка методов оценки теплового состояния электродвигателей при проектировании и эксплуатации асинхронных электроприводов: дис. … д-ра техн. наук: 05.09.01; 05.09.03. – Екатеринбург: УрФУ, 2019. – 437 с. EDN: MNTQLF.

9. AF130. everythingPE. URL: https://www.everythingpe.com/products/ev-traction-motors/turntide-technologies/1069-1919-af130 (дата обращения: 17.12.2025).

10. Biksaleev R., Zherdev P., Karpukhin K. Determination of evaluation parameters of heat exchangers and review of modern cooling solutions for electric vehicle motors // International conference on engineering research and applications. – Springer Nature, 2024. – P. 256–265.

11. Pipe (TL). The MathWorks, Inc. URL: https://www.mathworks.com/help/simscape/ref/pipetl.html (дата обращения: 19.11.2025).

12. Уонг X. Основные формулы и данные по теплотеплообмену для инженеров: Справочник / Пер. с англ. В.В. Яковлева и В.И. Колядина. – М.: Атомиздат, 1979. – 216 с.

13. Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle (WLTC). DieselNet. URL: https://dieselnet.com/standards/cycles/wltp.php (дата обращения: 19.01.2026).