电动客车用电机壳体设计

童莉莉 余剑 朱克非

上海汽车电驱动有限公司 上海市 201806

近年来，在节能减排和环保需求以及国家政策的牵引与支持下，越来越多的研究机构及汽车制造商将研发的重点逐步由传统化石燃料汽车向新能源汽车转移，而车用驱动电机是新能源汽车的关键核心部件[1-2]。电机壳体作为新能源汽车电机模块的关键零件，其优良的机械强度、气密性能和散热性能是保证电机安全可靠高效工作的必备条件。目前客车用驱动电机具有高扭矩、大功率、小体积的选用要求以及恶劣的工况环境的特点，决定了驱动电机壳体设计需具有良好的散热性能和机械性能才能保证电机的使用寿命和运行可靠性[1-2]。为了使电机高效、安全、可靠的运行，需对电机壳体设计进行重点研究。本文着重对某混合动力客车驱动电机壳体进行了计算、建模、分析等过程，为后续研究提供帮助。

1 壳体的设计

1.1 设计思路分析

由于机壳水冷的冷却结构有较好的性价比，除了较好的散热效果外，成本也较低，对绝缘系统的要求也和传统电机一致，因此在很多电机上得到了应用，国内多数新能源驱动电机均采用机壳水冷的方式进行散热，综合考虑各项因素，本项目采用水冷机壳方案。根据电动汽车现有的批量水冷机壳设计方案，如果按照加工制造来分类，主要有：（1）水道一体铸造成形机壳（2）内外套分体焊接机壳（3）挤压铸造壳体等几种常见的结构[3-4]。

下表1为各种结构形式机壳特点对比：

针对一体铸造机壳选用不同的水道形式对整机散热性能以及模具加工工艺、成本等，整理了下表2中不同水道结构优缺点。

1.2 设计方案

本文以某型号客车用永磁同步驱动电机为研究对象，电机参数及输入信息如表3所示，根据客车用驱动电机工况及应用特点，综合考虑加工工艺及制造成本选定机壳为一体铸造方案。通过电磁计算确定铁芯尺寸后可对机壳进行结构尺寸设计，具体参数如图3：

2 仿真分析

2.1 水道流阻分析

根据水道设计参数和模型，可确定材料参数及边界条件如表4所示，关键尺寸及简要外部条件如图4。

水压、流速分布仿真计算结果如下表5所示。

图1 常见机壳方案

表1 多种结构形式机壳特点对比

表2 多种水道的优缺点对比

图2 四种典型的水道结构

表3 电机参数及输入

图3 水道一体铸造机壳设计

表4 水道流阻仿真计算边界条件

根据水道流阻、水压、流速分布仿真结果，可得到图5所示水道压损曲线，并可知该水道无明显涡流和流动死区。

2.2 水道散热分析

电机机壳的设计需保证整台电机的散热性能满足电机散热要求，因此需对电机进行额定工况下的散热性进行分析。该项目中客车用驱动电机模型如图6，求解域包括机壳、前后端盖、定子铁心、定子绕组、转子铁心、永磁铁、转轴、前后轴承、水道内冷却流体、电机内空气，边界及载荷条件设置如下[5-7]：

图4 -1 水道流体模型

图4 -2 水道流体网格

额定工况：100kW@1005RPM@950Nm，电机初始温度均为65℃；流体体积1.61L，其他边界条件如表6所示。

电机在环境温度60℃的环境下稳定运行，电机散热分析结果如图7所示。

图7表明额定工况下，电机温升最高点在绕组的端部，最高点温度高达152.27℃，定子铁芯最高点温度为136.11℃。电机在额定工况下，电机温升最高点在绕组的端部，最高点温度152.27℃，定子铁芯最高点温度为136.11℃，由于计算结果均没有超出电机绕组和永磁体允许的最高温度，电机可以安全可靠运行，电机壳体的设计满足使用要求。

3 样机的温升试验

图8位样机温升试验平台，其中被测电机采用转矩控制，陪测电机采用转速控制，系统配置了水冷系统，并在样机端部绕组的内侧放置热电偶测取温度；散热水箱的入、出水口分别放置测温计测取水温。

表7给出了进水温度为60℃，电机运行在100kW@1005RPM@950Nm工况下时，绕组温升计算值与试验数据。

由试验数据可知，电机在额定工况下，绕组温升的实验值与计算值误差较小，验证了仿真分析方法的准确性，同时验证机壳水道的设计满足电机散热要求。

图5 电机水道压损曲线

图6 电机散热简化模型

4 结语

（1）电机壳体的设计不仅要考虑电机散热要求、水道的压力损失等基本性能，还应该综合考虑电机壳体的制造成本、加工工艺难易程度等因素。对于批量产品可考虑机壳水道一体铸造工艺，可大幅度降低产品成本；而对于样机及试制产品，可考虑采用内外套分体焊接工艺，可有效缩短开发试制周期。

（2）机壳水道的设计可根据机壳制造工艺不同进行选择，综合考虑工艺难度及水道流阻、散热性能，对于重力浇铸模具可优先采用螺旋型水道及C型水道，对于挤压拉伸模具，可选用轴向“Z”型水道。

（3）本文以某客车用驱动电机壳体设计为例，设计一款一体铸造螺旋水道机壳，并使用仿真软件计算水道流阻、流速变化，得出压损曲线；仿真计算出该款电机的散热性能并与试验样机测得数据进行比较，验证了机壳水道的设计满足电机散热要求。