轻量化铸造铝合金电机壳体的开发

2020-6-28 16:03 338 0 来自: 汽车材料网
简介
【汽车轻量化在线】在电动汽车领域,电动机外壳使用铝合金材料时,对其铸造工艺有较高的技术要求。需要实现轻便、坚固、耐用且在经济上可行。Nemak(尼玛克)针对混合动力车和纯电动车驱动电机外壳,研究了铸造铝合 ...
   【汽车轻量化在线】在电动汽车领域,电动机外壳使用铝合金材料时,对其铸造工艺有较高的技术要求。需要实现轻便、坚固、耐用且在经济上可行。Nemak(尼玛克)针对混合动力车和纯电动车驱动电机外壳,研究了铸造铝合金材料及相应的制造工艺。

驱动电机的集成化设计
 
       在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驱动器的发展。从混合动力到插电式混合动力再到纯电动汽车,驱动电机在各个阶段都发展出多类型的产品。早期的混合动力车由燃油车改装而来,其驱动电机具有多组件,集成度低。随着电机技术的发展,结构简单、组件较少、集成度高的驱动电机受到青睐。如图1为宝马i3的电机结构,主要有外部壳体、定子架、传动法兰和用于电子设备的壳体等,大部分为铝压铸件。为了实现电机的主动冷却,壳体内置液冷管路。这种方案在设计更加灵活,适用于模具铸造,最好用于小型电机。
 
汽车用铝合金
 
       随着新型电动汽车平台的不断出现,同时需要满足批量化生产条件,对电机重量轻、安装空间小、比功率和效率高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,电机集成化设计成为热点。这也就意味着,电机仅有少量的几个部件组成,如外壳、变速箱和电力电子设备等先都通过各种技术单独铸造和组装,然后整合到电机外壳中。集成化设计方案还具有制造优势,因为消除了关键的接口,其降低了制造成本。同时也可以实现减重和性能的提升。而电机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,因此电机外壳的铸造多采用CPS或重力铸造工艺。
 
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冷却通道的设计
 
       电机外壳和冷却通道的设计对于电机驱动运行至关重要,同时优化通道设计还可以提升成本效益,其设计和优化一般通过仿真分析来实现。

       冷却通道复杂的几何形状(蛇形或螺旋形)对集成电子设备外壳的生产提出了挑战。借助流体动力学(CFD)计算,研究最佳方案,CFD仿真具有缩短开发时间的优点。图3为采用AVL List GmbH工具对电机外壳进行CFD计算的结果。图3中a为冷却通道初始的弯曲设计,变体b的设计则具有较低的流动阻力,通过插入支撑肋条以增加砂芯的刚度。且流量计算表明,冷却通道的效率不受设计的影响。图3中c变体计算了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。但其缺点是电机的纵轴上的温度梯度超过30K。
 
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       螺旋形水冷管道是目前电动机壳体冷却设计的最常用解决方案之一。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。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。

       为了量化销钉水套冷却效率,使用Flow3D软件通过CFD模拟进行了冷却介质的流动和热交换模拟,内壳的温度分布计算结果如图5所示。结果表明,通过模拟预测的压力损失与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,销钉水套设计的电机表壳的外部温度仍保持在90℃以下。
 
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FIGURE 4 Cross-section of inner housing with pin water jacket (© Nemak)
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电机外壳材料的选择
 
       电机壳体材料需要选择适当的铸造铝合金和热处理工艺来满足使用需求。并且铸造工艺的选择还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,批量生产中可获得超过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或重力铸造,且该方案也更具成本效益,具体如图6。
 
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       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。如果电机壳体发生腐蚀,将可能由于渗水而导致电机故障。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。
 

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