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2013PLM征文:基于CAE技术的电动车电机机壳组件设计

2013/11/16    来源:e-works    作者:李凯  李大永  曹红飞  张小发      
关键字:CAE技术应用  电机设计  热分析  
CAE为现代汽车行业的发展提供了技术保障,仿真技术在新能源汽车的设计中取得了广泛应用,显著体现在电动车每一个关键零部件的研制上。本文以电动车电机机壳组件设计为对象,实现了对机壳组件密封和散热的数值模拟分析,对CAE技术在零部件设计上的典型应用予以例证;通过比较两种设计方案,探究密封结构失效的机理,评估冷却系统的散热能力。文中所用CAE设计方法同样适用于其他零件和系统的设计和分析。

1 前言

    CAE技术广泛应用于传统汽车行业,对汽车设计产生了深远的影响。很多汽车企业把CAE分析作为新产品或重大产品验收的一个依据,缩短了开发周期,提高了产品性能,获得了巨大的经济回报。面对日益严峻的能源危机和环境污染问题,电动汽车获得了前所未有的发展机遇。计算机辅助设计在电动车主要零部件的研发中,同样发挥着关键作用,展现出其在产品研发和制造中的潜力。电动汽车生产制造的方方面面都涉及CAE分析,分析内容包括;设计校核,优化设计,工艺性分析,质量事故分析,虚拟原型设计和问题研究等。本文在介绍仿真模拟技术在电动车结构设计领域典型应用的基础上,以电动车主驱电机机壳组件设计为例,介绍CAE技术在组件设计上的一般应用过程。

2 CAE技术的典型应用

    2.1 密封研究

    电动汽车性能的提高有赖于技术进步,当前电动车发展的关键是其动力组成系统的发展,系统主要包括电机,控制器和电池组。

    新型电动汽车对组成动力系统的零部件提出了严格的防护等级要求,期望其实现IP67防护等级,即完全防止灰尘进入壳内,完全防止触及壳内带电体或运动部分;在规定的压力和时间下浸在水中,进水量应无有害影响。电机端盖和外壳之间及控制器端盖和冷却系统之间都具有密封结构,这些密封结构的可靠性直接关系到防护等级的实现,是电机和控制器设计的重点关注环节之一。

    目前,电动车驱动电机正朝着小型化,高功率密度、高可靠性等方向发展。车用驱动电机,体积越小即能量密度越高越好。电机由于能量损耗,在狭小的空间内产生了大量的热量。液体冷却适用于拥有高能量密度的电动车电机,可迅速将电机运行过程中由于能量损耗产生的热量带出电机本体。采用液冷方式的部件需要在结构上包含有密封垫或密封圈,防止冷却液的渗漏,尤其是防止液体进入到内腔,这提高了对电机运行和维护的要求。

    作为实用高效的数值分析方法,有限元分析技术在密封装置设计中得到了广泛应用。汤斌等人使用有限元法探讨了应用在水下电机密封装置中的O型密封圈的变形和应力,建立了车氏动密封结构的有限元模型;毛剑峰应用蠕变模型对汽轮机进汽阀U型密封开展了有限元分析,探讨了蠕变和接触应力间的关系;赵俊杰等人对钢丝绳葫芦电机端盖的密封性能做出了非线性接触分析,通过计算应力和接触间隙研究密封垫的密封能力;范杰等人对汽车发动机控制器密封胶接强度做出了模拟计算,获得了有效的结构设计结果。

    2.2 散热分析

    汽车行业中的产品设计也越来越受散热问题的困扰,如果在设计阶段未充分考虑产品的散热问题,产品的正常使用将会受到影响。电池组是一个储存和释放电能的装置;电机是一个将电能转化为机械能的装置;控制器是调节能量使用的装置。电池组和电机在能量转化过程中不可避免地会产生能量损耗。电池组在电能和化学能相互转换的过程中,伴有热能的产生,电池本体成为热源;电池组的温度过高,会引起电池组的爆炸,成为汽车安全的隐患。电机损耗包括铜耗,铁耗和杂质损耗;损耗是导致电机温度升高的原因。温度过高会引起电机性能失稳,难以实现对电机的有效控制,甚至会直接造成电机烧毁。控制器中电子元器件的性能显著受到温度变化的影响,散热问题也是控制器设计过程中必须解决的问题。

    温度场法和基于温度场的耦合场法是对实现散热分析的主要方法。周黎民基于电机热流场数值计算结果,验证结构设计的合理性;杨明国对一种永磁电机在额定功率下的温度场做了计算,通过数值结果与实测数据的比对,说明模型的准确性;李新华基于雅阁ISG不同工况下的温度场数值计算和试验结果,讨论了电机温度对磁钢和磁桥结构的影响;杨志刚等人使用计算流体力学方法对电动汽车锂离子电池组散热方案进行优化设计;乐智等人基于计算流体力学方法对冷却器和功率模块的温度场进行了分析,并根据分析结果对水道进行了结构改进。

    在传统设计中,产品的方案往往来自于设计者的经验。依据经验做出的产品设计还有很大的优化空间,但可能包含有设计隐患。以电机设计为例,工程师在样件装配完成后,才有条件评估样件是否达到了防护等级的要求;在整机制作出以后,方可做出对水道散热能力的准确评估。随着CAE技术的发展,应力分析和热流体计算的可信度越来越高;产品的模块化和参数化设计成为可能。在设计过程中,花费小的成本即可对多种方案做出评估和取舍。本文结合Ansys软件中的Mechanical和Fluent模块,以机壳组件的密封和散热分析为例,例述CAE技术在组件设计的一般过程。

责任编辑:程玥
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