周志光

(江蘇雷利電機(jī)股份有限公司,江蘇 常州 213000)

隨著行業(yè)的發(fā)展,電機(jī)作為新能源汽車、機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等設(shè)備中的動力輸出部件,對其輸出效率與響應(yīng)速度等性能的要求越來越高。與此同時,電機(jī)的發(fā)展也趨向小型化、高功率密度化和高精度化,這種發(fā)展趨勢帶來了新的問題:電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量迅速增加,但可用于散熱的空間卻愈加有限。過高的內(nèi)部溫度不僅會縮短絕緣材料使用壽命,還可能導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部的永磁體磁性衰減,這不僅影響電機(jī)的效率,更會對電機(jī)的整體工作壽命和運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響[1]。因此電機(jī)散熱已成為制約電機(jī)性能與使用壽命的關(guān)鍵因素。基于上述情況,設(shè)計高效的電機(jī)散熱系統(tǒng)對電機(jī)的正常運(yùn)行具有極其重要的意義。

風(fēng)冷、液冷、相變散熱和額外熱路增強(qiáng)型散熱是常見的幾種電機(jī)散熱技術(shù)。其中風(fēng)冷散熱在小型電機(jī)中應(yīng)用廣泛,該技術(shù)主要通過增加翅片來增加對流換熱面積,具有工藝簡單、成本低廉和適用范圍廣的優(yōu)點。風(fēng)冷散熱分為自然對流散熱和強(qiáng)制對流散熱,后者借助動力機(jī)構(gòu)增強(qiáng)流速,提升散熱效率。不少學(xué)者已經(jīng)在提高風(fēng)冷散熱系統(tǒng)效率方面進(jìn)行了深入研究。例如關(guān)穎等[2]以動車組牽引電機(jī)為研究對象,對電機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析,根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,從而降低電機(jī)工作溫度; Ghahfarokhi等[3]提出利用增材制造技術(shù),從設(shè)計環(huán)節(jié)開始優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)或隔熱材料,并從幾何結(jié)構(gòu)角度考慮電機(jī)的熱負(fù)荷設(shè)計。

三周期極小曲面(triply periodic minimal surface, TPMS)是一種沿3個獨立方向的周期性無限結(jié)構(gòu),其表面平均曲率為0。TPMS結(jié)構(gòu)具有曲面光滑、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可控性好的特點,在散熱工程[4]、組織工程等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通?？梢圆捎脜?shù)法、隱函數(shù)法和邊界法對TPMS建模,并通過特定映射算法映射到非立方體單元中[5],從而實現(xiàn)復(fù)雜實體的TPMS結(jié)構(gòu)化。

本文設(shè)計了一種外層為TPMS結(jié)構(gòu)的電機(jī)機(jī)殼,并通過有限元仿真分析其與原始結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)翅片結(jié)構(gòu)在散熱性能上的差異。隨后利用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)技術(shù)成型了TPMS結(jié)構(gòu)和翅片結(jié)構(gòu)機(jī)殼的實體樣品,并經(jīng)過實際裝機(jī)溫升測試,測量了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不同結(jié)構(gòu)機(jī)殼表面與內(nèi)部線圈的溫度變化,驗證TPMS結(jié)構(gòu)對比原始結(jié)構(gòu)和翅片結(jié)構(gòu)在散熱方面的提升效果。

1 電機(jī)外殼構(gòu)型設(shè)計分析

1.1 散熱外殼構(gòu)型建模設(shè)計

原始電機(jī)機(jī)殼整體為薄壁圓筒狀,機(jī)殼包含兩處特征:螺栓孔與定位孔,前者負(fù)責(zé)電機(jī)與外部機(jī)構(gòu)之間的固定,后者負(fù)責(zé)電機(jī)裝配過程中滿足機(jī)殼與電機(jī)磁瓦之間的定位要求。機(jī)殼整體長146 mm,殼體壁厚4.5 mm。本文設(shè)計兩種散熱結(jié)構(gòu),分別為TPMS結(jié)構(gòu)與翅片結(jié)構(gòu)。TPMS結(jié)構(gòu)建模使用nTopology軟件實現(xiàn),考慮機(jī)殼在實際裝配過程中與內(nèi)部磁瓦有較高裝配要求,需要保持機(jī)殼內(nèi)壁完整性,因此選擇距離外表面向內(nèi)延伸3.5 mm的區(qū)域為結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域,TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼總厚度與原始機(jī)殼厚度相同。結(jié)合Kaur等[4]的研究可知,Gyroid單元相較于其他單元具有更高的對流散熱系數(shù)和更好的散熱性能,因此本文采用Gyroid單元對機(jī)殼外側(cè)區(qū)域進(jìn)行填充。填充單元曲面壁厚為2 mm,框架徑向單元長度為6 mm,框架高度方向單元長度為15 mm,圓周單元總數(shù)量為20,單元壁厚為2 mm。翅片結(jié)構(gòu)建模利用SolidWorks軟件完成,同樣選擇距離外表面向內(nèi)延伸3.5 mm的區(qū)域為結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域,該區(qū)域沿周向均勻分布翅片,翅片總數(shù)量為30個,寬度2 mm,高度3.5 mm,該結(jié)構(gòu)機(jī)殼總厚度為4.5 mm,與原機(jī)殼厚度相同。

1.2 傳熱數(shù)學(xué)模型

傳熱行為一般包括3種模式:熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。電機(jī)的傳熱行為可以概括為電機(jī)線圈發(fā)熱,熱量通過對流和輻射方式傳遞至機(jī)殼內(nèi)表面,然后在機(jī)殼內(nèi)部以熱傳導(dǎo)方式傳遞至機(jī)殼外表面,最后在機(jī)殼外表面與空氣發(fā)生熱對流將熱量耗散。本文重點關(guān)注機(jī)殼結(jié)構(gòu)的散熱效果,因此簡化線圈熱源到機(jī)殼內(nèi)表面的傳熱過程,僅考慮機(jī)殼內(nèi)部熱傳導(dǎo)與外表面熱對流行為。由于機(jī)殼厚度較小,故機(jī)殼結(jié)構(gòu)散熱性能差異主要受外表面熱對流效率影響。熱對流行為可以使用牛頓冷卻方程進(jìn)行描述:

q*=α(TS-TB)

(1)

式中:q*為熱流密度;α為對流換熱系數(shù)或稱膜傳熱系數(shù),考慮到實際機(jī)殼裝配情況,采用不同的對流換熱系數(shù)來模擬機(jī)殼外表面與側(cè)面之間傳熱差異;TS為固體表面溫度;TB為周圍流體溫度,模型假設(shè)周圍流體溫度與室溫相等。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律:

(2)

1.3 外殼散熱性能仿真分析

采用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行熱力學(xué)仿真,為節(jié)省計算資源,對計算模型進(jìn)行合理簡化,忽略定位孔和安裝孔等對散熱影響不大的特征,僅保留機(jī)殼主體部分。將模型導(dǎo)入ANSYS后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選擇網(wǎng)格單元尺寸為1 mm,并進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。圖1為有限元網(wǎng)格劃分示意圖。通過仿真模擬電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的溫升變化和電機(jī)停機(jī)后的散熱過程。邊界條件一:設(shè)內(nèi)表面為熱源面,施加恒定熱流密度載荷,外表面和側(cè)面為散熱面,用不同對流換熱系數(shù)模擬不同散熱條件。邊界條件二:給定初始溫度載荷,保留相同散熱邊界條件,但不施加熱流密度載荷。不同邊界條件的具體參數(shù)見表1。

表1 有限元仿真邊界參數(shù)

圖1 不同結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分示意圖

圖2為3種結(jié)構(gòu)機(jī)殼在相同熱流密度下機(jī)殼升溫的仿真結(jié)果。由圖2(a)可知,原始機(jī)殼大約在4 800 s后溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),耗時最久,升溫速度最慢;翅片結(jié)構(gòu)900 s左右溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);TPMS結(jié)構(gòu)在600 s左右溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),耗時最短。由圖2(b)、(c)、(d)可知,3種結(jié)構(gòu)最高溫度均出現(xiàn)在機(jī)殼內(nèi)側(cè)表面中部位置,溫度沿軸向和徑向衰減,周向溫度保持一致,具有軸心對稱性。在相同熱流密度載荷下,原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼內(nèi)表面最高溫度達(dá)到169.5 ℃,翅片結(jié)構(gòu)機(jī)殼最高溫度降低到109.5 ℃,下降幅度35.4%,而TPMS結(jié)構(gòu)內(nèi)表面最高溫度僅有64.4 ℃,下降幅度約62.0%。

圖2 不同結(jié)構(gòu)機(jī)殼的溫升仿真結(jié)果

圖3是3種結(jié)構(gòu)機(jī)殼在130 ℃初始溫度下散熱過程的仿真結(jié)果。由圖3(a)可知,TPMS結(jié)構(gòu)的散熱速度最快,翅片結(jié)構(gòu)次之,原始結(jié)構(gòu)的散熱效果最差。原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼冷卻4 460 s后,溫度從130.0 ℃降低到26.3 ℃,翅片結(jié)構(gòu)降低到26.2 ℃,耗時983 s,TPMS結(jié)構(gòu)降溫到相同溫度耗時810 s,散熱速度約為原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼的5.5倍、翅片結(jié)構(gòu)的1.2倍。由圖3(b)、(c)、(d)可知,原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼在冷卻5 000 s后溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而翅片結(jié)構(gòu)機(jī)殼和TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼均在冷卻1 000 s后溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);同時,3種結(jié)構(gòu)機(jī)殼的溫度分布均呈現(xiàn)出軸心對稱性,最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)表面中部區(qū)域,并沿軸向和徑向衰減。這種溫度分布與電機(jī)溫升達(dá)到穩(wěn)定后的溫度分布相似。

圖3 不同結(jié)構(gòu)機(jī)殼的散熱仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果來看,TPMS結(jié)構(gòu)在溫升過程中具有更低的穩(wěn)態(tài)溫度,同時能更快地到達(dá)到平衡狀態(tài);而在散熱過程中則表現(xiàn)出更快的散熱速度。這是由于TPMS結(jié)構(gòu)具有更大的表面積[6],測得原始結(jié)構(gòu)表面積約為7.4×104mm2,TPMS結(jié)構(gòu)表面積約為1.5×105mm2,約是原始結(jié)構(gòu)的2倍,翅片結(jié)構(gòu)表面積約為1.1×105mm2,約是原始結(jié)構(gòu)的1.4倍。表面積增加是由于TPMS結(jié)構(gòu)本身具有較高的孔隙率,孔隙率P的計算公式為:

(3)

式中:V0為原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼體積,V為TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼體積。原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼體積約為1.6×105mm3,TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼體積約為8.7×104mm3,可得孔隙率大小為46.1%。在TPMS結(jié)構(gòu)具有較高孔隙率的情況下,TPMS結(jié)構(gòu)的宏觀外輪廓以及翅片結(jié)構(gòu)的翅片對機(jī)殼表面積的提升,相對TPMS結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙帶來的表面積增加可以忽略不計。

2 實驗驗證

本文采用激光粉末床熔融技術(shù)對TPMS機(jī)殼和翅片機(jī)殼進(jìn)行加工制造,圖4為所用設(shè)備及粉末粒徑形貌圖,激光增材設(shè)備為南京前知科技公司的Ti150單激光金屬打印機(jī),打印材料為17-4PH金屬粉末材料,17-4PH的物理屬性見表2。打印采用的激光掃描策略為平行線掃描,每層掃描線旋轉(zhuǎn)角度為67°,其他加工工藝參數(shù)見表3。

表2 17-4PH物理屬性

表3 打印工藝參數(shù)

圖4 實驗設(shè)備及粉末粒徑形貌圖

圖5(a)為分別裝配3種結(jié)構(gòu)機(jī)殼的測試電機(jī),由上至下分別為TPMS結(jié)構(gòu)、原始結(jié)構(gòu)和翅片結(jié)構(gòu);圖5(b)為搭建的專用測試平臺。該實驗臺配備電機(jī)自動測試系統(tǒng),可以檢測并輸出電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電壓、電流、輸出扭矩以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)。電機(jī)裝配機(jī)殼后安裝在測試平臺上,并由專用夾具進(jìn)行固定。為了監(jiān)測電機(jī)機(jī)殼溫度與電機(jī)線圈的溫度變化情況,實驗中使用了兩個溫度傳感器。一個傳感器貼在機(jī)殼表面,另一個傳感器安置在電機(jī)內(nèi)部。所有傳感器的數(shù)據(jù)都由測試系統(tǒng)實時采集,并傳輸至與實驗臺連接的計算機(jī)進(jìn)行記錄和分析。實驗過程持續(xù)了140 min,在實驗期間,電機(jī)電壓被穩(wěn)定控制在100 V。測試結(jié)束后,獲得電機(jī)機(jī)殼溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)曲線,以及電機(jī)內(nèi)部線圈的平均溫度。

圖5 測試電機(jī)及專用實驗臺示意圖

圖6展示了3種結(jié)構(gòu)機(jī)殼表面溫度隨時間變化曲線。隨著運(yùn)行時間增加,3種結(jié)構(gòu)的機(jī)殼溫度均呈現(xiàn)先升高后穩(wěn)定的趨勢。電機(jī)運(yùn)行35～140 min這段時間內(nèi),TPMS結(jié)構(gòu)的最高溫度為46.2 ℃;原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼溫度稍高于TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼,最高溫度56.8 ℃,采用TPMS結(jié)構(gòu)后機(jī)殼溫度下降約18.7%;翅片結(jié)構(gòu)機(jī)殼溫度最高,最高溫度達(dá)到80 ℃,與其相比,TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼溫度下降42.2%。翅片結(jié)構(gòu)機(jī)殼溫度在電機(jī)運(yùn)行0～100 min內(nèi)溫升速率高于原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼。

圖6 3種結(jié)構(gòu)機(jī)殼實驗測試的溫度變化曲線

圖7展示了不同結(jié)構(gòu)的機(jī)殼質(zhì)量與電機(jī)線圈溫度,原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼質(zhì)量為1.3 kg,翅片結(jié)構(gòu)質(zhì)量為0.5 kg,而采用TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼質(zhì)量下降至0.7 kg,對比原始結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降46.2%。裝配原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼的電機(jī)線圈溫度為162.4 ℃,裝配翅片結(jié)構(gòu)機(jī)殼后,線圈溫度為120.5 ℃,較原始結(jié)構(gòu)下降約25.8%;裝配TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼的線圈溫度為107.7 ℃,較原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼下降33.7%,較翅片結(jié)構(gòu)機(jī)殼下降10.6%。實驗結(jié)果表明,TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼的散熱效果優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)。

圖7 不同結(jié)構(gòu)的機(jī)殼質(zhì)量和線圈溫度

各結(jié)構(gòu)機(jī)殼的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果之間存在一定差異,這主要由于仿真模型忽略了線圈到機(jī)殼內(nèi)表面之間的復(fù)雜傳熱過程,導(dǎo)致簡化后的邊界條件無法全面反映實際散熱情況。此外打印模型與設(shè)計模型存在的細(xì)微偏差,特別是TPMS結(jié)構(gòu)曲面不光滑,會影響散熱過程中周圍流體的流動,進(jìn)一步影響散熱效率。同時,實驗過程中機(jī)殼與流體的對流系數(shù)并非恒定,而仿真中默認(rèn)將其設(shè)為固定值,這也會造成計算結(jié)果與實際情況間的偏差。

值得注意的是,翅片結(jié)構(gòu)的溫度變化趨勢與仿真結(jié)果存在一定差異。這主要是因為實際加工的翅片內(nèi)壁較薄,線圈產(chǎn)生的熱量能迅速傳導(dǎo)至整個機(jī)殼,導(dǎo)致更大的升溫速率,進(jìn)而降低了線圈溫度。同時翅片表面的散熱效果不如TPMS結(jié)構(gòu),無法及時散去聚集的熱量,最終導(dǎo)致溫度升高。仿真云圖中兩相鄰翅片區(qū)域溫度高于兩側(cè)的情況也從側(cè)面反映了這一點。通過分析實驗結(jié)果與仿真結(jié)果之間的差異原因,在未來的工作中可以進(jìn)一步改進(jìn)仿真模型,提高仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的一致性。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種TPMS結(jié)構(gòu)的電機(jī)機(jī)殼,通過有限元仿真和實機(jī)裝配實驗對其散熱性能進(jìn)行了驗證,并與翅片結(jié)構(gòu)和原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較,得到以下結(jié)論:

1)在相同熱流密度條件下,原始機(jī)殼運(yùn)行4 800 s后溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),最高溫度達(dá)到169.5 ℃;翅片結(jié)構(gòu)900 s后溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),最高溫度為109.5 ℃;TPMS達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)耗時最短,大約為600 s,最高溫度僅有64.4 ℃,相比原始機(jī)殼穩(wěn)態(tài)溫度下降約62%。

2)初始溫度130 ℃條件下,降溫到室溫附近原始結(jié)構(gòu)耗時4 460 s,翅片結(jié)構(gòu)耗時983 s,TPMS結(jié)構(gòu)耗時810 s,TPMS結(jié)構(gòu)散熱速度約為原始結(jié)構(gòu)機(jī)殼的5.5倍、翅片結(jié)構(gòu)的1.2倍。

3)溫升實驗測試中,電機(jī)運(yùn)行35 min后TPMS結(jié)構(gòu)機(jī)殼溫度最低,其最高溫度為46.2 ℃,對比原始結(jié)構(gòu)下降18.7%。同時采用TPMS結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈平均溫度從162.4 ℃下降到107.7 ℃,下降幅度33.7%,采用翅片結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子線圈平均溫度為120.0 ℃,下降幅度為25.8%。

綜上所述,采用TPMS結(jié)構(gòu)的電機(jī)外殼,在保證外圍碰撞體積不變的情況下,可實現(xiàn)電機(jī)輕量化,散熱效果顯著提升。