電動(dòng)客車用電機(jī)殼體設(shè)計(jì)

童莉莉 余劍 朱克非

上海汽車電驅(qū)動(dòng)有限公司 上海市 201806

近年來，在節(jié)能減排和環(huán)保需求以及國(guó)家政策的牽引與支持下，越來越多的研究機(jī)構(gòu)及汽車制造商將研發(fā)的重點(diǎn)逐步由傳統(tǒng)化石燃料汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)移，而車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源汽車的關(guān)鍵核心部件[1-2]。電機(jī)殼體作為新能源汽車電機(jī)模塊的關(guān)鍵零件，其優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、氣密性能和散熱性能是保證電機(jī)安全可靠高效工作的必備條件。目前客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有高扭矩、大功率、小體積的選用要求以及惡劣的工況環(huán)境的特點(diǎn)，決定了驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體設(shè)計(jì)需具有良好的散熱性能和機(jī)械性能才能保證電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行可靠性[1-2]。為了使電機(jī)高效、安全、可靠的運(yùn)行，需對(duì)電機(jī)殼體設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)研究。本文著重對(duì)某混合動(dòng)力客車驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體進(jìn)行了計(jì)算、建模、分析等過程，為后續(xù)研究提供幫助。

1 殼體的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路分析

由于機(jī)殼水冷的冷卻結(jié)構(gòu)有較好的性價(jià)比，除了較好的散熱效果外，成本也較低，對(duì)絕緣系統(tǒng)的要求也和傳統(tǒng)電機(jī)一致，因此在很多電機(jī)上得到了應(yīng)用，國(guó)內(nèi)多數(shù)新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用機(jī)殼水冷的方式進(jìn)行散熱，綜合考慮各項(xiàng)因素，本項(xiàng)目采用水冷機(jī)殼方案。根據(jù)電動(dòng)汽車現(xiàn)有的批量水冷機(jī)殼設(shè)計(jì)方案，如果按照加工制造來分類，主要有：（1）水道一體鑄造成形機(jī)殼（2）內(nèi)外套分體焊接機(jī)殼（3）擠壓鑄造殼體等幾種常見的結(jié)構(gòu)[3-4]。

下表1為各種結(jié)構(gòu)形式機(jī)殼特點(diǎn)對(duì)比：

針對(duì)一體鑄造機(jī)殼選用不同的水道形式對(duì)整機(jī)散熱性能以及模具加工工藝、成本等，整理了下表2中不同水道結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

本文以某型號(hào)客車用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)參數(shù)及輸入信息如表3所示，根據(jù)客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)工況及應(yīng)用特點(diǎn)，綜合考慮加工工藝及制造成本選定機(jī)殼為一體鑄造方案。通過電磁計(jì)算確定鐵芯尺寸后可對(duì)機(jī)殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，具體參數(shù)如圖3：

2 仿真分析

2.1 水道流阻分析

根據(jù)水道設(shè)計(jì)參數(shù)和模型，可確定材料參數(shù)及邊界條件如表4所示，關(guān)鍵尺寸及簡(jiǎn)要外部條件如圖4。

水壓、流速分布仿真計(jì)算結(jié)果如下表5所示。

圖1 常見機(jī)殼方案

表1 多種結(jié)構(gòu)形式機(jī)殼特點(diǎn)對(duì)比

表2 多種水道的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖2 四種典型的水道結(jié)構(gòu)

表3 電機(jī)參數(shù)及輸入

圖3 水道一體鑄造機(jī)殼設(shè)計(jì)

表4 水道流阻仿真計(jì)算邊界條件

根據(jù)水道流阻、水壓、流速分布仿真結(jié)果，可得到圖5所示水道壓損曲線，并可知該水道無明顯渦流和流動(dòng)死區(qū)。

2.2 水道散熱分析

電機(jī)機(jī)殼的設(shè)計(jì)需保證整臺(tái)電機(jī)的散熱性能滿足電機(jī)散熱要求，因此需對(duì)電機(jī)進(jìn)行額定工況下的散熱性進(jìn)行分析。該項(xiàng)目中客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型如圖6，求解域包括機(jī)殼、前后端蓋、定子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵心、永磁鐵、轉(zhuǎn)軸、前后軸承、水道內(nèi)冷卻流體、電機(jī)內(nèi)空氣，邊界及載荷條件設(shè)置如下[5-7]：

圖4 -1 水道流體模型

圖4 -2 水道流體網(wǎng)格

額定工況：100kW@1005RPM@950Nm，電機(jī)初始溫度均為65℃；流體體積1.61L，其他邊界條件如表6所示。

電機(jī)在環(huán)境溫度60℃的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，電機(jī)散熱分析結(jié)果如圖7所示。

圖7表明額定工況下，電機(jī)溫升最高點(diǎn)在繞組的端部，最高點(diǎn)溫度高達(dá)152.27℃，定子鐵芯最高點(diǎn)溫度為136.11℃。電機(jī)在額定工況下，電機(jī)溫升最高點(diǎn)在繞組的端部，最高點(diǎn)溫度152.27℃，定子鐵芯最高點(diǎn)溫度為136.11℃，由于計(jì)算結(jié)果均沒有超出電機(jī)繞組和永磁體允許的最高溫度，電機(jī)可以安全可靠運(yùn)行，電機(jī)殼體的設(shè)計(jì)滿足使用要求。

3 樣機(jī)的溫升試驗(yàn)

圖8位樣機(jī)溫升試驗(yàn)平臺(tái)，其中被測(cè)電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，陪測(cè)電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，系統(tǒng)配置了水冷系統(tǒng)，并在樣機(jī)端部繞組的內(nèi)側(cè)放置熱電偶測(cè)取溫度；散熱水箱的入、出水口分別放置測(cè)溫計(jì)測(cè)取水溫。

表7給出了進(jìn)水溫度為60℃，電機(jī)運(yùn)行在100kW@1005RPM@950Nm工況下時(shí)，繞組溫升計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電機(jī)在額定工況下，繞組溫升的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值誤差較小，驗(yàn)證了仿真分析方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)驗(yàn)證機(jī)殼水道的設(shè)計(jì)滿足電機(jī)散熱要求。

圖5 電機(jī)水道壓損曲線

圖6 電機(jī)散熱簡(jiǎn)化模型

4 結(jié)語(yǔ)

（1）電機(jī)殼體的設(shè)計(jì)不僅要考慮電機(jī)散熱要求、水道的壓力損失等基本性能，還應(yīng)該綜合考慮電機(jī)殼體的制造成本、加工工藝難易程度等因素。對(duì)于批量產(chǎn)品可考慮機(jī)殼水道一體鑄造工藝，可大幅度降低產(chǎn)品成本；而對(duì)于樣機(jī)及試制產(chǎn)品，可考慮采用內(nèi)外套分體焊接工藝，可有效縮短開發(fā)試制周期。

（2）機(jī)殼水道的設(shè)計(jì)可根據(jù)機(jī)殼制造工藝不同進(jìn)行選擇，綜合考慮工藝難度及水道流阻、散熱性能，對(duì)于重力澆鑄模具可優(yōu)先采用螺旋型水道及C型水道，對(duì)于擠壓拉伸模具，可選用軸向“Z”型水道。

（3）本文以某客車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)一款一體鑄造螺旋水道機(jī)殼，并使用仿真軟件計(jì)算水道流阻、流速變化，得出壓損曲線；仿真計(jì)算出該款電機(jī)的散熱性能并與試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了機(jī)殼水道的設(shè)計(jì)滿足電機(jī)散熱要求。