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【技術電子報】鋁合金鑄造於電動馬達殼體的開發

本文翻譯自DEVELOPMENT Electric Motors (Further Development

of Electric Motor Housings)

Prof. Dr.-Ing. Franz Josef Feikus

is R&D Manager at the Nemak Europe GmbH in Frankfurt am Main (Germany)

Paul Bernsteiner

is Sales Advanced Engineer E-Mobility at the Nemak Linz GmbH in Linz (Austria)

Dr. Ricardo Fernández Gutiérrez

is R&D Manager at the Nemak Linz GmbH in Linz (Austria)

Dr. Inż. MichałŁuszczak

is R&D and E-Engine Development Manager at the Nemak Poland Sp. z o.o. in Bielsko-Biała (Poland)


電動馬達的整合化設計

在全世界對CO2排放、油耗等要求越來越嚴格的大環境下，新能源汽車的發展也推動了電動馬達的發展。從混合動力到插電式混合動力再到純電動汽車，電動馬達在各個階段都發展出不同類型的產品。早期的混合動力車由燃油車改裝而來，其電動馬達具有多組件，整合度低。


隨著電動馬達技術的發展，結構簡單、組件較少、整合度高的電動馬達受到青睞。如圖1為BMW i3的電動馬達結構，主要有外部殼體、定子架、變速箱和用於電子設備的殼體…等，大部分為鋁壓鑄件。為了實現電動馬達的主動冷卻殼體會內置冷卻管路，這種單一組件的解決方案在較小的設計更改中更加靈活，適用於壓鑄，並且優選用於較小的電機。


圖1 分別使用內部定子架和外部殼體組裝電動馬達殼(BMW i3等);壓鑄件生產
圖1 分別使用內部定子架和外部殼體組裝電動馬達殼(BMW i3等);壓鑄件生產

隨著新型電動汽車平臺的不斷出現，同時需要滿足大量生產條件，對電動馬達重量輕、安裝空間小、高比功率和效率以及總體成本低的要求急劇上升，這也推動了電動機架構的變化。因此，電動馬達整合化設計成為關鍵點。這也就意味著，電動馬達僅有少量的幾個零件組成，如外殼、變速箱和電力電子設備等，分別透過各種技術單獨鑄造和組裝，然後整合到電動馬達外殼中。整合化設計方案還具有製造優勢，如消除了組件間結合的介面，降低了製造成本。同時也可以實現減重和性能的提升。而電動馬達的冷卻通道可以直接在鑄造時成型，如圖2，具有更大的設計和優化空間。由於鑄件結構複雜，因此電動馬達外殼的鑄造多採用CPS或重力鑄造。


圖2 整合化設計電動馬達殼包含冷卻通道及水套(透過芯製作)
圖2 整合化設計電動馬達殼包含冷卻通道及水套(透過芯製作)

冷卻通道的設計

電動馬達外殼和冷卻通道的設計對於電動馬達的運轉是非常重要，同時優化通道設計還可以提升成本效益，其設計和優化可通過模擬分析來實現。


冷卻通道複雜的幾何形狀（蛇形或螺旋形）對整合電子設備外殼的生產是個挑戰。可借助流體動力學（CFD）計算，研究最佳方案，CFD模擬具有縮短開發時間的優點。圖3為採用AVL List GmbH工具對電動馬達外殼進行CFD計算的結果。圖3中a為冷卻通道初始的彎曲設計， b為具有較低的流動阻力，通過插入支撐肋條以增加砂芯的強度。且流量計算後，冷卻通道的效率不受設計的影響。c為螺旋形冷卻通道的結果，其具有更大的冷卻表面，且冷卻介質的湍流增加，改善了熱傳遞。但其缺點是電動馬達的縱軸上的溫度梯度超過30K。


圖3 水套砂芯設計比較：(a)初始設計的彎曲冷卻通道、(b)按照功能和生產優化的冷卻通道設計、(c)螺旋形設計冷卻通道
圖3 水套砂芯設計比較：(a)初始設計的彎曲冷卻通道、(b)按照功能和生產優化的冷卻通道設計、(c)螺旋形設計冷卻通道


新的冷卻通道設計用於壓鑄應用

螺旋形冷卻通道是目前電動機殼體冷卻設計最常用使用的解決方案之一。上述縱軸上的溫度梯度的缺點是在保持壓鑄的可製造性的同時優化冷卻通道幾何形狀的情況下造成的原因。受電子或家用供暖系統熱交換器設計的啟發，開發了銷釘水套設計方案（pin water jacket）。圖4示出了帶有銷釘水套的電動機內殼橫截面。銷釘水套和螺旋式水路的冷卻表面幾乎相同，主要區別在於冷卻液的體積。銷釘水套僅需要螺旋水路體積的四分之一，即表面與體積之比明顯更好。


圖4 帶有銷釘水套的內殼體截面
圖4 帶有銷釘水套的內殼體截面

為了量化銷釘水套冷卻效率，使用FLOW-3D軟體通過CFD模擬了冷卻介質的流動和熱交換，內殼的溫度分佈計算結果如圖5所示。結果顯示，透過模擬預測的壓力損失與實際測得的壓力損失具有很好的相關性。應該強調的是，即使在7 kW的功率下，銷釘水套設計的電動馬達殼的外部溫度仍保持在90℃以下。(如表1)


圖5 上圖為5和7千瓦電動馬達加熱功率的銷釘水套內殼體溫度分佈(T1, T2, T3, T4：下圖為藍色點測量位置)

圖5 上圖為5和7千瓦電動馬達加熱功率的銷釘水套內殼體溫度分佈(T1, T2, T3, T4：下圖為藍色點測量位置)



表1 模擬結果主要資訊
表1 模擬結果主要資訊

電動馬達外殼材料的選擇

電動馬達殼體材料需要選擇適當的鑄造鋁合金和熱處理來滿足使用需求。並且鑄造製成的選擇將影響鑄件的品質和機械性能。在選材時主要考慮因素如下：

  • 在運行過程中將定子壓入內部殼體並承受載荷→具有高強度和伸長率的合金

  • 使用中的尺寸穩定性→經過熱處理的鑄造材料的合適選擇

  • 防止表面接觸腐蝕，特別是在外殼的外部密封表面上的腐蝕→使用耐腐蝕合金

  • 遮罩電磁場→確保所用材料的電磁相容性（EMC）。


綜合以上在選材時需要考慮材料是否滿足上述性能要求，且還要考慮開發和應用成本。鑄造鋁合金需要具有一定的剛度和延展性，標準合金EN AC-AlSi9Cu3（Fe）的降伏強度（YS）最低為140 MPa，斷裂伸長率為1%。在T5熱處理後，生產的零件可超過180 MPa的降伏強度。為了滿足更高的強度和伸長率要求，需要進行T6熱處理，並使用具有較高延展性的合金，例如EN AC-AlSi8Cu3，然後採用CPS鑄造或重力鑄造，且該方案也更具成本效益，具體如圖6。


圖6：AlSiCu鑄造合金在鑄造後的機械性能參數（F），在單個階段熱處理後（T5）和兩個階段熱處理後（T6），(T1: 從淬火成型溫度和冷卻時效)

圖6 AlSiCu鑄造合金在鑄造後的機械性能參數(F)，在單個階段熱處理後(T5)和兩個階段熱處理後(T6)，(T1: 從淬火成型溫度和冷卻時效)



材料選擇的第二個決定因素是對耐腐蝕性的要求，這對於密封件尤其重要。如果電動馬達殼體發生腐蝕，將可能有滲水而導致電動馬達故障。銅會損害鑄造合金的耐腐蝕性，AlSiMg合金（例如AlSi7Mg0.3或AlSi10Mg）則具有較高的抗腐蝕能力，同時又滿足機械性能要求。此外，由於所有的鋁鑄造合金具有順磁性，因此很容易滿足EMC的要求。


參考文獻 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

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