摘要：采用Icepak熱分析軟件對(duì)電機(jī)高低溫循環(huán)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行了建模，并結(jié)合MotorCAD的計(jì)算結(jié)果，分別分析某型號(hào)EPS電機(jī)電樞在溫度范圍-40～+80 ℃下，高速風(fēng)和低速風(fēng)兩種條件下發(fā)熱功率為36 W的電樞的實(shí)測(cè)溫度，并進(jìn)一步分析了環(huán)境溫度為20 ℃不變，風(fēng)速?gòu)?0～15 800 mm/s條件下電樞的測(cè)試溫度變化情況。結(jié)果表明，在相同的環(huán)境溫度下，電樞的溫度會(huì)隨著風(fēng)速的增加而降低，且在低溫情況下兩者的差距最大。

關(guān)鍵詞：高低溫；電機(jī)；溫度；風(fēng)速

中圖分類號(hào)：U472.9 收稿日期：2024-05-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407006

1 前言

汽車EPS電機(jī)是指安裝在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的電機(jī)，EPS是Electric Power Steering的縮寫(xiě)，意思是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，汽車EPS電機(jī)用于提供汽車轉(zhuǎn)向助力。與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，汽車EPS電機(jī)具有更高的效率、更輕便的設(shè)計(jì)和更高的可靠性，是現(xiàn)代汽車中的重要技術(shù)之一［1］。EPS電機(jī)的主要目的是提供轉(zhuǎn)向助力，這種系統(tǒng)以電力輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向，而不是傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

EPS電機(jī)的主要傳動(dòng)結(jié)構(gòu)通常由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱組裝而成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以是直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、空心杯電機(jī)等。EPS電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)包括節(jié)能、環(huán)保，因?yàn)樗鼛缀醪恢苯酉陌l(fā)動(dòng)機(jī)燃油，同時(shí)裝配靈活，能夠在多種狀況下提供轉(zhuǎn)向助力。此外，EPS電機(jī)還具有調(diào)整簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。某型號(hào)的EPS電機(jī)全自動(dòng)化產(chǎn)線已運(yùn)行數(shù)年，為了適應(yīng)電機(jī)市場(chǎng)的需求，即將引進(jìn)第二條生產(chǎn)線。由于EPS電機(jī)屬于低電壓電機(jī)，經(jīng)常處于大電流的工作模式，在其為汽車提供轉(zhuǎn)向助力的工作過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槠涔β拭芏容^大而產(chǎn)生較大的焦耳熱量。

高低溫循環(huán)試驗(yàn)是指在一定溫度范圍內(nèi)，通過(guò)不斷變化的高低溫環(huán)境對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行循環(huán)性能測(cè)試的一種實(shí)驗(yàn)方法，旨在模擬產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中所受到的高低溫環(huán)境變化，以評(píng)估產(chǎn)品在不同溫度條件下的性能穩(wěn)定性和可靠性。

2 EPS電機(jī)整機(jī)溫循試驗(yàn)參數(shù)分析

通常針對(duì)電機(jī)整機(jī)或其他需要進(jìn)行高低溫溫循或老煉試驗(yàn)等測(cè)試環(huán)節(jié)，高低溫環(huán)境的構(gòu)造采用烘箱實(shí)現(xiàn)（圖1）。烘箱的工作原理與空調(diào)房類似，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)把加熱線圈或制冷線圈上的熱量吹到烘箱腔體內(nèi)部，當(dāng)需要升溫時(shí)，加熱線圈工作，風(fēng)扇送出高溫氣體；當(dāng)需要制冷時(shí)，制冷線圈工作，風(fēng)扇送出低溫氣體［2］。通過(guò)對(duì)加熱（制冷）線圈的控制以實(shí)現(xiàn)烘箱高溫和低溫環(huán)境的營(yíng)造，同時(shí)采用閉環(huán)控制技術(shù)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行控制，以便進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

為了分析EPS電機(jī)在周期性工作時(shí)并在烘箱營(yíng)造的高低溫環(huán)境下的主要結(jié)構(gòu)組件溫度變化情況，采用ANSYS Icepak熱仿真軟件對(duì)不同溫度條件、不同風(fēng)速條件下電機(jī)溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行熱物理場(chǎng)分析，從MOTOR-CAD的電磁模型計(jì)算得到，某型號(hào)電機(jī)電樞熱損耗為36 W，即在Icepak中設(shè)置電機(jī)的老煉試驗(yàn)發(fā)熱功率為36 W。

21 整機(jī)溫循參數(shù)分析模型簡(jiǎn)化

熱量的傳遞包含熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種形式。

211 熱傳導(dǎo)

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導(dǎo)（heat conduction）。導(dǎo)熱現(xiàn)象的規(guī)律總結(jié)為傅里葉（Fourier）定律：

[?=-λAdtdx] （1）

式中，[λ]為比例系數(shù)，又稱為導(dǎo)熱率或?qū)嵯禂?shù)。

212 熱對(duì)流

熱對(duì)流（heat convection）是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，由于流體中的分子同時(shí)進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。

熱對(duì)流分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩大類。

流體被加熱時(shí)：

[q=h（tw?tf）] （2）

流體被冷卻時(shí)：

[q=h（tf?tw）] （3）

式中，[h]為表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

213 熱輻射

物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射。物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射的現(xiàn)象稱為熱輻射［3］。一切實(shí)際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體。實(shí)際物體輻射熱流量的計(jì)算可以采用下式：

[?=εAσT4] （4）

式中，T為黑體的熱力學(xué)溫度；[σ]為玻爾茲曼常數(shù)；[A]為輻射面積；[ε]為物體的發(fā)射率。

22 整機(jī)溫循參數(shù)分析仿真模型

熱量的傳遞包含對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射三種形式［4］，烘箱內(nèi)部溫度的控制主要通過(guò)空氣對(duì)流的方式進(jìn)行。因此，當(dāng)電機(jī)在烘箱內(nèi)進(jìn)行帶電測(cè)試時(shí)，需要結(jié)合用戶需求考慮烘箱內(nèi)氣流的對(duì)流對(duì)電機(jī)各部件溫度的影響［5］。

221 不同溫度、不同風(fēng)速下的電機(jī)發(fā)熱仿真

如圖2和圖3所示，從環(huán)境溫度-40～+85 ℃全范圍內(nèi)，當(dāng)電機(jī)在測(cè)試時(shí)刻，烘箱內(nèi)部風(fēng)速開(kāi)啟且處于高風(fēng)量情況下，電樞溫度總是低于烘箱內(nèi)低風(fēng)速下的溫度。也就是說(shuō)，如果為了調(diào)整烘箱內(nèi)的溫度而需要長(zhǎng)時(shí)間保持較高的風(fēng)量運(yùn)行，則有可能導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與不需要長(zhǎng)時(shí)間保持高風(fēng)量運(yùn)行的烘箱內(nèi)部的測(cè)試結(jié)果不一致。

進(jìn)一步地，當(dāng)處于低溫測(cè)試時(shí)，兩種情況下的測(cè)試結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的偏移，偏差值最大能達(dá)到-30 ℃，隨著環(huán)境溫度的升高，在高風(fēng)速和低風(fēng)速條件下電機(jī)的發(fā)熱導(dǎo)致的溫差逐漸減小，當(dāng)環(huán)境溫度升高到80 ℃時(shí)，兩種條件下的溫差小于20 ℃。即在低溫-40 ℃和高溫80 ℃兩種環(huán)境條件下，相同的電機(jī)發(fā)熱功率情況下溫度差值也高達(dá)10 ℃。這一數(shù)據(jù)充分表明，在低溫測(cè)試時(shí)電機(jī)性能出現(xiàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)偏差會(huì)大于高溫時(shí)的情況。在高低溫條件下，當(dāng)電機(jī)性能測(cè)試數(shù)據(jù)讀取時(shí)刻烘箱內(nèi)部風(fēng)速不同也會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不同。

2.2.2 相同環(huán)境溫度、不同風(fēng)速下的電樞溫度場(chǎng)分析

在Icepak中設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，分別設(shè)置相應(yīng)的進(jìn)出風(fēng)溫度為20 ℃，調(diào)整不同的風(fēng)速獲得圖4所示的溫度云圖。根據(jù)MOTOR-CAD的計(jì)算結(jié)果設(shè)置電樞發(fā)熱功率為36 W，得到電樞溫度為106℃，與MOTOR-CAD計(jì)算結(jié)果107 ℃接近，證明模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分以及分析計(jì)算初始狀態(tài)設(shè)置合理。

如圖4所示，烘箱內(nèi)部設(shè)置的環(huán)境溫度為20 ℃且不變化的情況下，隨著烘箱內(nèi)風(fēng)速的增加（風(fēng)向從下向上），在相同環(huán)境溫度和電機(jī)電樞發(fā)熱功率條件下，電樞表面的實(shí)際溫度由于氣流對(duì)流帶走電樞熱量而逐漸下降，從最初的107 ℃下降到37 ℃，對(duì)比圖4a和圖4b；當(dāng)風(fēng)速僅僅增加2 000 mm/s時(shí)，溫度從107 ℃降到了64 ℃。圖4b的2 500 mm/s風(fēng)速是烘箱內(nèi)風(fēng)扇工作時(shí)的典型風(fēng)速之一。

3 結(jié)語(yǔ)

分別針對(duì)不同環(huán)境溫度下且在高低風(fēng)速下電樞溫度與同樣環(huán)境溫度不同風(fēng)速下電樞溫度的變化情況進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)分析結(jié)果可知，采用風(fēng)扇吹風(fēng)利用熱對(duì)流方式實(shí)現(xiàn)烘箱內(nèi)溫度控制的烘箱，在對(duì)帶電工作電機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，電機(jī)溫度分布受烘箱內(nèi)氣流速度影響較大，當(dāng)氣流速度變化較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，從而出現(xiàn)測(cè)試結(jié)果失真。

關(guān)于烘箱內(nèi)溫度場(chǎng)的構(gòu)造和氣流風(fēng)速對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響大小，可推廣到相關(guān)采用烘箱進(jìn)行可靠性測(cè)試、性能測(cè)試、老煉測(cè)試等各類測(cè)試環(huán)節(jié)中的工裝設(shè)計(jì)和測(cè)試參數(shù)調(diào)整，以降低測(cè)試結(jié)果偏差，提高測(cè)試的一致性和可靠性。

采用烘箱構(gòu)造測(cè)試環(huán)境溫度時(shí)，烘箱內(nèi)氣流流動(dòng)速度會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)溫度，較大的氣流流動(dòng)速度會(huì)降低電機(jī)的實(shí)際測(cè)試溫度，在實(shí)際測(cè)試中需要考慮風(fēng)速對(duì)電機(jī)測(cè)試準(zhǔn)確性和一致性的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]王永康，張杰ANSYS Icepak 電子散熱基礎(chǔ)教程[M]北京：中國(guó)工信出版集團(tuán)，2019

[2]Tony KordybanMore Hot Air笑談熱設(shè)計(jì)[M]李波譯北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014

[3]陳世坤電機(jī)設(shè)計(jì)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[4]胡志強(qiáng)電機(jī)制造工藝學(xué)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019

[5]Lope I，Acero J，Carretero CAnalysis and optimization of the efficiency of induction heating applications with litz-wire planar and solenoidal coils[J]IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（7）：5089-5101

作者簡(jiǎn)介：

崔浪浪，男，1987年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄苤圃臁?/p>