電動客車用電機殼體設(shè)計

童莉莉 余劍 朱克非

上海汽車電驅(qū)動有限公司 上海市 201806

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

1 殼體的設(shè)計

1.1 設(shè)計思路分析

由于機殼水冷的冷卻結(jié)構(gòu)有較好的性價比，除了較好的散熱效果外，成本也較低，對絕緣系統(tǒng)的要求也和傳統(tǒng)電機一致，因此在很多電機上得到了應(yīng)用，國內(nèi)多數(shù)新能源驅(qū)動電機均采用機殼水冷的方式進行散熱，綜合考慮各項因素，本項目采用水冷機殼方案。根據(jù)電動汽車現(xiàn)有的批量水冷機殼設(shè)計方案，如果按照加工制造來分類，主要有：（1）水道一體鑄造成形機殼（2）內(nèi)外套分體焊接機殼（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)形式機殼特點對比：

針對一體鑄造機殼選用不同的水道形式對整機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。

1.2 設(shè)計方案

本文以某型號客車用永磁同步驅(qū)動電機為研究對象，電機參數(shù)及輸入信息如表3所示，根據(jù)客車用驅(qū)動電機工況及應(yīng)用特點，綜合考慮加工工藝及制造成本選定機殼為一體鑄造方案。通過電磁計算確定鐵芯尺寸后可對機殼進行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，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)鍵尺寸及簡要外部條件如圖4。

水壓、流速分布仿真計算結(jié)果如下表5所示。

圖1 常見機殼方案

表1 多種結(jié)構(gòu)形式機殼特點對比

表2 多種水道的優(yōu)缺點對比

圖2 四種典型的水道結(jié)構(gòu)

表3 電機參數(shù)及輸入

圖3 水道一體鑄造機殼設(shè)計

表4 水道流阻仿真計算邊界條件

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死區(qū)。

2.2 水道散熱分析

電機機殼的設(shè)計需保證整臺電機的散熱性能滿足電機散熱要求，因此需對電機進行額定工況下的散熱性進行分析。該項目中客車用驅(qū)動電機模型如圖6，求解域包括機殼、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。

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

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

3 樣機的溫升試驗

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

表7給出了進水溫度為60℃，電機運行在100kW@1005RPM@950Nm工況下時，繞組溫升計算值與試驗數(shù)據(jù)。

由試驗數(shù)據(jù)可知，電機在額定工況下，繞組溫升的實驗值與計算值誤差較小，驗證了仿真分析方法的準確性，同時驗證機殼水道的設(shè)計滿足電機散熱要求。

圖5 電機水道壓損曲線

圖6 電機散熱簡化模型

4 結(jié)語

（1）電機殼體的設(shè)計不僅要考慮電機散熱要求、水道的壓力損失等基本性能，還應(yīng)該綜合考慮電機殼體的制造成本、加工工藝難易程度等因素。對于批量產(chǎn)品可考慮機殼水道一體鑄造工藝，可大幅度降低產(chǎn)品成本；而對于樣機及試制產(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）機殼水道的設(shè)計可根據(jù)機殼制造工藝不同進行選擇，綜合考慮工藝難度及水道流阻、散熱性能，對于重力澆鑄模具可優(yōu)先采用螺旋型水道及C型水道，對于擠壓拉伸模具，可選用軸向“Z”型水道。

（3）本文以某客車用驅(qū)動電機殼體設(shè)計為例，設(shè)計一款一體鑄造螺旋水道機殼，并使用仿真軟件計算水道流阻、流速變化，得出壓損曲線；仿真計算出該款電機的散熱性能并與試驗樣機測得數(shù)據(jù)進行比較，驗證了機殼水道的設(shè)計滿足電機散熱要求。