铝合金电动马达壳体的开发 | Nemak应用FLOW-3D
本文翻译自DEVELOPMENT Electric Motors (Further Development of Electric Motor Housings)
作者：Prof. Dr.-Ing. Franz Josef Feikus (R&D Manager at the Nemak Europe GmbH), Paul Bernsteiner(Nemak Linz GmbH), Dr. Ricardo Fernández Gutiérrez(Nemak Linz GmbH), Dr. Inż. Michał Łuszczak (Nemak Poland )
电动马达的整合化设计
在全世界对CO2排放、油耗等要求越来越严格的大环境下，新能源汽车的发展也推动了电动马达的发展。从混合动力到插电式混合动力再到纯电动汽车，电动马达在各个阶段都发展出不同类型的产品。早期的混合动力车由燃油车改装而来，其电动马达具有多组件，整合度低。
随着电动马达技术的发展，结构简单、组件较少、整合度高的电动马达受到青睐。如图1为BMW i3的电动马达结构，主要有外部壳体、定子架、变速箱和用于电子设备的壳体…等，大部分为铝压铸件。为了实现电动马达的主动冷却壳体会内置冷却管路，这种单一组件的解决方案在较小的设计更改中更加灵活，适用于压铸，并且优选用于较小的电机。
图1：分别使用内部定子架和外部壳体组装电动马达壳（BMW i3等）；压铸件生产
随着新型电动汽车平台的不断出现，同时需要满足大量生产条件，对电动马达重量轻、安装空间小、高比功率和效率以及总体成本低的要求急剧上升，这也推动了电动机架构的变化。因此，电动马达整合化设计成为关键点。这也就意味着，电动马达仅有少量的几个零件组成，如外壳、变速箱和电力电子设备等，分别通过各种技术单独铸造和组装，然后整合到电动马达外壳中。整合化设计方案还具有制造优势，如消除了组件间结合的接口，降低了制造成本。同时也可以实现减重和性能的提升。而电动马达的冷却通道可以直接在铸造时成型，如图2，具有更大的设计和优化空间。由于铸件结构复杂，因此电动马达外壳的铸造多采用CPS或重力铸造。
图2：整合化设计电动马达壳包含冷却通道及水套(通过制芯)
冷却通道的设计
电动马达外壳和冷却通道的设计对于电动马达的运转是非常重要，同时优化通道设计还可以提升成本效益，其设计和优化可通过模拟分析来实现。
冷却通道复杂的几何形状（蛇形或螺旋形）对整合电子设备外壳的生产是个挑战。可借助流体动力学（CFD）计算，研究最佳方案，CFD模拟具有缩短开发时间的优点。图3为采用AVL List GmbH工具对电动马达外壳进行CFD计算的结果。图3中a为冷却通道初始的弯曲设计， b为具有较低的流动阻力，通过插入支撑肋条以增加砂芯的强度。且流量计算后，冷却通道的效率不受设计的影响。c为螺旋形冷却通道的结果，其具有更大的冷却表面，且冷却介质的湍流增加，改善了热传递。但其缺点是电动马达的纵轴上的温度梯度超过30K。
图3：水套砂芯设计比较：（a）初始设计的弯曲冷却信道、（b）按照功能和生产优化的冷却通道设计，（c）螺旋形设计冷却通道
新的冷却通道设计用于压铸应用
螺旋形冷却通道是目前电动机壳体冷却设计最常用使用的解决方案之一。上述纵轴上的温度梯度的缺点是在保持压铸的可制造性的同时优化冷却通道几何形状的情况下造成的原因。受电子或家用供暖系统热交换器设计的启发，开发了销钉水套设计方案（pin water jacket）。图4示出了带有销钉水套的电动机内壳横截面。销钉水套和螺旋式水路的冷却表面几乎相同，主要区别在于冷却液的体积。销钉水套仅需要螺旋水路体积的四分之一，即表面与体积之比明显更好。
图4：带有销钉水套的内壳体截面
为了量化销钉水套冷却效率，使用FLOW-3D CAST软件通过CFD仿真了冷却介质的流动和热交换，内壳的温度分布计算结果如图5所示。结果显示，通过仿真预测的压力损失与实际测得的压力损失具有很好的相关性。应该强调的是，即使在7 kW的功率下，销钉水套设计的电动马达壳的外部温度仍保持在90℃以下。(如表1)
图5：上图为5和7千瓦电动马达加热功率的销钉水套内壳体温度分布（T1, T2, T3, T4：下图为蓝色点测量位置
表1 ：仿真结果主要信息
电动马达外壳材料的选择
电动马达壳体材料需要选择适当的铸造铝合金和热处理来满足使用需求。并且铸造制成的选择将影响铸件的质量和机械性能。在选材时主要考虑因素如下：
• 在运行过程中将定子压入内部壳体并承受载荷→具有高强度和伸长率的合金
• 使用中的尺寸稳定性→经过热处理的铸造材料的合适选择
• 防止表面接触腐蚀，特别是在外壳的外部密封表面上的腐蚀→使用耐腐蚀合金
• 屏蔽电磁场→确保所用材料的电磁兼容性（EMC）。
综合以上在选材时需要考虑材料是否满足上述性能要求，且还要考虑开发和应用成本。铸造铝合金需要具有一定的刚度和延展性，标准合金EN AC-AlSi9Cu3（Fe）的屈服强度（YS）最低为140 MPa，断裂伸长率为1%。在T5热处理后，生产的零件可超过180 MPa的屈服强度。为了满足更高的强度和伸长率要求，需要进行T6热处理，并使用具有较高延展性的合金，例如EN AC-AlSi8Cu3，然后采用CPS铸造或重力铸造，且该方案也更具成本效益，具体如图6。
图6：AlSiCu铸造合金在铸造后的机械性能参数（F），在单个阶段热处理后（T5）和两个阶段热处理后（T6），(T1: 从淬火成型温度和冷却时效)
材料选择的第二个决定因素是对耐腐蚀性的要求，这对于密封件尤其重要。如果电动马达壳体发生腐蚀，将可能有渗水而导致电动马达故障。铜会损害铸造合金的耐腐蚀性，AlSiMg合金（例如AlSi7Mg0.3或AlSi10Mg）则具有较高的抗腐蚀能力，同时又满足机械性能要求。此外，由于所有的铝铸造合金具有顺磁性，因此很容易满足EMC的要求。
参考文献 REFERENCES
Huber, A.; Pfitzner, M.; Nguyen-Xuan, T.; Eckstein, F.: Effiziente Strömungsführung im Wassermantel elektrischer Antriebsmaschinen. In: ATZelektronik 06/2013, pp. 478-485
Knaus, O.; Schneider, J.; Klarin, B.: Simulation in der Entwicklung automotiver E-Maschinen. In: ATZextra Automotive Engineering Partners 2018, pp. 32-37
EN 1706: Aluminium und Aluminiumlegierungen – Gussstücke – Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften.
Online: https://www.beuth.de/de/norm/din-en-1706/194230717, access: November 21, 2019
