增材制造復(fù)雜流道水冷電機(jī)殼體對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)功率影響的研究

鄧佳明，朱茜，陳浩銘，秦永瑞，李佳，李坤

增材制造復(fù)雜流道水冷電機(jī)殼體對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)功率影響的研究

鄧佳明1，朱茜1，陳浩銘1，秦永瑞1，李佳2，李坤3

（1.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；2.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；3.重慶大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，重慶 400044）

提高量產(chǎn)鑄造電機(jī)殼體的換熱效率，確保電機(jī)在高功率持續(xù)工作狀態(tài)下不會(huì)過熱，從而提高電機(jī)的持續(xù)功率。基于增材思維對(duì)電機(jī)水冷殼體的流道進(jìn)行優(yōu)化，改變流道形狀以增大流道表面積、消除流道渦流并減小流道與內(nèi)壁的間距。通過仿真分析，不斷優(yōu)化迭代得到最佳的流道設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用選區(qū)激光熔化（SLM）增材技術(shù)及相應(yīng)的后處理工藝，制造出復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的電機(jī)殼體。采用SLM增材技術(shù)制造的AlSi10Mg鋁合金殼體在、、3個(gè)方向上的屈服強(qiáng)度均大于230 MPa，即使在較小壁厚的條件下，殼體強(qiáng)度仍滿足設(shè)計(jì)要求。采用該殼體后，電機(jī)的持續(xù)功率從原量產(chǎn)電機(jī)的45 kW提升到50.7 kW，且仍能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行45 min，同時(shí)電機(jī)溫度未超過130 ℃。微觀組織檢測和工業(yè)CT測試結(jié)果顯示，SLM電機(jī)殼體結(jié)構(gòu)致密，未見氣孔夾雜。該增材制造殼體的質(zhì)量為6.95 kg，與量產(chǎn)電機(jī)殼體相比，減重約19%。通過增材制造技術(shù)設(shè)計(jì)制造的電機(jī)殼體整體性能良好，可以有效提高換熱效率以及電機(jī)的持續(xù)功率，并實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的減重。

增材制造；驅(qū)動(dòng)電機(jī)殼體；流道優(yōu)化；持續(xù)功率；SLM

隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源汽車的續(xù)駛里程不斷提高，這一趨勢得到了越來越多消費(fèi)者的認(rèn)可。同時(shí)，隨著國家雙碳政策的實(shí)施，汽車市場正在經(jīng)歷重大的結(jié)構(gòu)性調(diào)整，新能源汽車的滲透率也在持續(xù)提升。由中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)最新數(shù)據(jù)可知，2022年中國新能源汽車產(chǎn)、銷量分別達(dá)到705.8萬輛和688.7萬輛，分別同比增長96.9%和93.4%，滲透率從2021年的14.8%提升至25.6%[1]。

通常新能源汽車的電機(jī)在起步時(shí)能夠提供較大的轉(zhuǎn)矩，與傳統(tǒng)燃油車相比，其0～100 km/h的加速性能更優(yōu)。然而，隨著轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增大，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，導(dǎo)致電機(jī)超溫，從而限制了其功率輸出[2]。因此，新能源汽車在高速行駛時(shí)與燃油車相比仍存在一定的差距。新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)正朝著高效化、智能化、輕量化和小型化等方向發(fā)展，這會(huì)增加電機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱量，也會(huì)壓縮電機(jī)的有效散熱空間，散熱問題限制了電機(jī)功率密度的進(jìn)一步提升[3]。

電機(jī)內(nèi)部溫升過高會(huì)導(dǎo)致多種問題，包括加速絕緣材料老化、永磁體退磁以及銅繞組電阻增大等。這些問題不僅會(huì)降低電機(jī)的運(yùn)行效率，還會(huì)進(jìn)一步增加內(nèi)部發(fā)熱量，導(dǎo)致電機(jī)溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響電機(jī)的壽命和穩(wěn)定性。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，30%～40%的永磁電機(jī)失效是由電機(jī)溫升過高引起的。因此，提高散熱效率是電機(jī)向高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性方向發(fā)展的關(guān)鍵[4-5]。

增材制造技術(shù)在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有明顯的優(yōu)勢。它不僅具備設(shè)計(jì)自由度高的特點(diǎn)，能夠制造非常規(guī)截面和復(fù)雜幾何形狀的換熱流道，還可以通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)更合理的流道分布，讓復(fù)雜結(jié)構(gòu)的隨形冷卻流道變?yōu)榭赡堋Ｍㄟ^優(yōu)化冷卻流道的結(jié)構(gòu)，可以提高水路的冷卻平衡性，消除產(chǎn)品中的熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更均勻的冷卻效果。此外，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)還能增大換熱面積，加快單位時(shí)間內(nèi)的熱量傳遞，從而提高熱交換產(chǎn)品的換熱效率。

本文以某電驅(qū)總成的水冷電機(jī)殼體為研究對(duì)象，運(yùn)用增材設(shè)計(jì)思維優(yōu)化殼體內(nèi)部流道，并采用激光選區(qū)熔化（SLM）增材制造方式生產(chǎn)電機(jī)殼體。通過提高殼體的換熱效率，控制電機(jī)的平衡溫度，確保電機(jī)在高功率的持續(xù)工況下不會(huì)超溫，以發(fā)掘電機(jī)的輸出潛力。

1 增材制造殼體流道設(shè)計(jì)

增材制造能夠根據(jù)三維圖紙切片直接近凈成形致密、高性能、復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)，從而制造出傳統(tǒng)方法很難加工甚至無法加工的復(fù)雜零件，極大地提高了加工效率，同時(shí)也節(jié)約了材料成本[6]。因此，增材制造技術(shù)特別適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜和隨形流道的零件。

1.1 流道優(yōu)化

本文的研究對(duì)象是某量產(chǎn)電驅(qū)水冷電機(jī)，其制造過程為先利用制芯機(jī)制作流道砂芯，再通過低壓鑄造得到鋁合金電機(jī)殼體。原始流道結(jié)構(gòu)如圖1a所示，屬于典型的鑄造水冷電機(jī)殼流道。由于制芯、澆注、清砂等工藝的限制，無法進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化。初始流道的模流分析結(jié)果顯示，在某些局部區(qū)域（如圖1b箭頭所示區(qū)域），冷卻液形成了渦流，導(dǎo)致熱量聚集，從而影響了電機(jī)的散熱效果。為了解決這一問題，本文基于增材思維對(duì)電機(jī)殼體的流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真迭代，得到了能夠顯著提升換熱效率的流道設(shè)計(jì)方案（見圖1c）。仿真分析量產(chǎn)電機(jī)殼體和增材電機(jī)殼體的熱平衡溫度如圖2所示，結(jié)果顯示，在壓差變化不大的前提下，增材制造的電機(jī)殼體（見圖2b）與量產(chǎn)電機(jī)殼體（見圖2a）相比，具有更低的平衡溫度，降低了約10 ℃，并且溫度場也更均勻。

圖1 流道優(yōu)化前后示意圖

圖2 仿真結(jié)果對(duì)比

1.2 弧頂優(yōu)化

電機(jī)殼體原始流道寬度為6.9 mm，流道圓角半徑為3 mm，在頂部形成跨度約0.9 mm的直邊（如圖3a所示）。為保證打印產(chǎn)品流道的表面質(zhì)量，取部分典型流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印工藝測試，打印結(jié)果如圖3b所示。可以看到，流道外觀面質(zhì)量良好，但流道頂部內(nèi)表面較為粗糙。流道內(nèi)表面粗糙度增大會(huì)對(duì)冷卻液流速及流阻產(chǎn)生不利影響，為了提高內(nèi)圓角的表面質(zhì)量，對(duì)流道頂部進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)采用了全圓弧過渡的方式，取消了0.9 mm的直邊（見圖4）。后續(xù)再采用磨粒流加工對(duì)流道進(jìn)行打磨，即可保證流道內(nèi)表面的光潔度。

1.3 壁厚優(yōu)化

量產(chǎn)的電機(jī)殼體是通過低壓鑄造工藝制造的，受鑄造工藝限制，流道間隙設(shè)計(jì)為10 mm，內(nèi)壁厚為7.5 mm，如圖5a所示。而采用SLM成形的零件具有更高的精度和強(qiáng)度，可以實(shí)現(xiàn)更薄的壁厚，并且流道的布局可以更加緊密，以滿足換熱需求[7]。在本研究中，綜合考慮殼體的強(qiáng)度與換熱效率，將壁厚設(shè)計(jì)為5 mm（如圖5b所示），使流道更貼近定子熱源。

圖3 原始流道弧頂結(jié)構(gòu)

圖4 優(yōu)化后流道弧頂結(jié)構(gòu)

圖5 流道與內(nèi)壁間距

熱流密度如式（1）所示。可知，在材料導(dǎo)熱系數(shù)以及電機(jī)殼體內(nèi)壁面與冷卻水的溫差Δ不變的條件下，當(dāng)材料的厚度減小時(shí)，熱流密度增大，換熱效率得到提高。

2 增材制造電機(jī)殼體制作

2.1 擺放設(shè)計(jì)

在SLM制造零件時(shí)，盡管有粉末床的支撐和約束，但由于成形過程中存在高溫度梯度、高冷卻速率以及成形金屬和粉末之間的導(dǎo)熱性能差異，共建的懸垂結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變形，這會(huì)影響工件尺寸精度，甚至導(dǎo)致打印過程的中斷。此外，還可能發(fā)生熔融金屬侵入粉末床的現(xiàn)象，導(dǎo)致懸垂粗糙缺損；或者在打印過程中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致工件從基板上切除后發(fā)生顯著變形[8-9]。

由于在流道內(nèi)部無法添加支撐結(jié)構(gòu)，本文考慮2種立式擺放方案，即法蘭面朝下或朝上。通過支撐預(yù)覽分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)法蘭面朝上時(shí)，法蘭面會(huì)出現(xiàn)大范圍支撐面，并且法蘭面的截面突變還可能導(dǎo)致應(yīng)力變形和不對(duì)稱變形，從而影響整體尺寸精度，故選擇法蘭面朝下的擺放方向（如圖6b所示）。

2.2 支撐設(shè)計(jì)

在SLM零件設(shè)計(jì)時(shí)，合理添加支撐結(jié)構(gòu)是必要的，它可以限制打印翹曲現(xiàn)象的發(fā)生，增強(qiáng)熱擴(kuò)散以減小溫度梯度。此外，支撐的添加還可以防止懸垂面的塌陷[10]。

圖6 電機(jī)殼體打印擺放及打印方向分析

SLM常用的支撐類型如圖7所示。其中，圖7a～f為非實(shí)體支撐類型，圖7g～i為實(shí)體支撐類型。在進(jìn)行零件打印時(shí)，需要根據(jù)支撐面的形狀和大小選擇適當(dāng)?shù)闹晤愋汀＠纾c(diǎn)支撐（見圖7a）主要適用于小面積的懸空面，線支撐（見圖7b）和輪廓支撐（見圖7e）主要適用于狹長的懸空面，網(wǎng)格支撐（見圖7d）和塊狀支撐（見圖7f）主要適用于大面積的懸空面[11-13]。

a 點(diǎn)支撐 b 線支撐 c 肋支撐

d 網(wǎng)格支撐 e 輪廓支撐 f 塊狀支撐

g 體支撐 h 錐狀支撐 i 樹狀支撐

圖7 增材制造常用的支撐設(shè)計(jì)

Fig.7 Common support type of AM: a) point; b) line; c) gusset; d) web; e) contour; f) block; g) volume; h) cones; i) tree

工件擺放方式也會(huì)影響支撐區(qū)域和支撐高度，從而影響支撐體積大小和支撐類型的選擇[14]。在本研究中，電機(jī)殼體打印件下端法蘭面存在凸耳結(jié)構(gòu)，需大面積添加支撐來保證支撐強(qiáng)度，考慮到支撐的可去除性，最終選擇了輪廓支撐+網(wǎng)格支撐的方式，如圖8所示。同時(shí)，在支撐底部添加必要的漏粉通道，以便更好地清理封閉區(qū)域內(nèi)的金屬粉末，如圖9所示。

圖8 電機(jī)殼體上的凸耳結(jié)構(gòu)

圖9 殼體底部支撐結(jié)構(gòu)

2.3 零件制作

增材電機(jī)殼體的生產(chǎn)過程如圖10a所示，首先在SLM設(shè)備上打印鋁合金電機(jī)殼體毛坯，本文采用的SLM打印設(shè)備為華曙高科FS421M雙激光金屬3D打印機(jī)，打印過程中的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。待毛坯打印完成后，進(jìn)行后處理：首先，將毛坯與基板一起從成形艙中取出，清理完流道內(nèi)部及支撐中的金屬粉末后，整體放入熱處理爐中進(jìn)行去應(yīng)力退火；其次，運(yùn)用線切割技術(shù)將打印毛坯從基板上分離，并根據(jù)二維圖紙尺寸、公差、粗糙度等要求，對(duì)殼體毛坯進(jìn)行機(jī)械加工；最后，進(jìn)行磨粒流加工，打磨電機(jī)殼體流道內(nèi)表面。后處理完成后，還需要進(jìn)行三坐標(biāo)、保壓測試等質(zhì)量檢測，確保得到合格的增材電機(jī)殼體零件成品，如圖10b所示。

表1 成形參數(shù)

Tab.1 Forming parameters

圖10 增材電機(jī)殼體制作流程及成品零件

3 電機(jī)殼體及電驅(qū)總成測試

3.1 力學(xué)性能

本文的增材電機(jī)殼體由AlSi10Mg鋁合金粉末材料打印而成。在零件打印過程中，參考GB/T 39254—2020，隨爐打印（0°）、（45°）、（90°）3個(gè)方向的拉伸試棒，以驗(yàn)證電機(jī)殼體力學(xué)性能是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨爐試棒與電機(jī)殼體毛坯一同進(jìn)行熱處理，之后在Zwick Z100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。各方向試棒拉伸曲線如圖11所示，力學(xué)性能測試平均值如表2所示。結(jié)果顯示，、、3個(gè)方向打印試棒的拉伸屈服強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)目標(biāo)（210 MPa），證明增材電機(jī)殼體力學(xué)性能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

表2 隨爐拉伸試棒檢測結(jié)果

Tab.2 Results of tensile test for furnace samples

3.2 微觀組織

在增材電機(jī)殼體制造過程中，AlSi10Mg鋁合金粉末在高能激光作用下急速熔化，隨后急速冷卻，因此材料過冷度較大，晶體形核速度較快，晶粒長大時(shí)間較短，與量產(chǎn)低壓鑄造產(chǎn)品相比，增材電機(jī)殼體能夠獲得更細(xì)的晶粒組織[15]。在電機(jī)殼上取樣進(jìn)行金相檢測，結(jié)果顯示，低壓鑄造殼體金相組織（見圖12a）為α-Al固溶體+樹枝狀共晶硅，晶粒較粗；增材制造殼體金相組織（見圖12b）為α-Al固溶體+點(diǎn)狀共晶硅，呈魚鱗狀，晶粒較細(xì)。

3.3 工業(yè)CT

氣孔是鑄造零件的常見缺陷，其產(chǎn)生的主要原因是在鑄造過程中出現(xiàn)了氣體和水分（鋁液、砂型或砂芯、黏結(jié)劑等含氣或產(chǎn)氣無法避免），因?yàn)榕艢獠涣蓟蚴湛s不良而形成了孔洞。氣孔的存在會(huì)對(duì)產(chǎn)品的散熱、氣密性、力學(xué)性能、使用壽命產(chǎn)生不利影響。針對(duì)量產(chǎn)電機(jī)殼體，有關(guān)氣孔的要求如下：在6 mm觀察區(qū)域內(nèi)，直徑不大于0.5 mm的氣孔不超過3個(gè)，或者直徑不大于1 mm的氣孔不超過2個(gè)；在12 mm觀察區(qū)域內(nèi)，直徑不大于2.5 mm的氣孔不超過1個(gè)。

在合適的打印參數(shù)條件下，SLM能夠?qū)崿F(xiàn)無裂紋、高致密度鋁合金復(fù)雜零件的無模成形。為驗(yàn)證SLM成形電機(jī)殼體氣孔含量是否符合要求，對(duì)增材電機(jī)殼體進(jìn)行工業(yè)CT掃描[16]，結(jié)果顯示，流道在壁厚方向的尺寸偏差控制在0.2 mm以內(nèi)，整個(gè)殼體結(jié)構(gòu)致密，未見氣孔夾雜，如圖13所示。

3.4 質(zhì)量

與傳統(tǒng)燃油車相比，純電動(dòng)新能源車在取消發(fā)動(dòng)機(jī)及部分附件的同時(shí)，增加了“三電系統(tǒng)”，由行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，與傳統(tǒng)車燃油車相比，純電動(dòng)新能源車質(zhì)量一般增大了15%～40%。因此，新能源汽車對(duì)輕量化的要求較高，新能源汽車整車質(zhì)量每降低10 kg，續(xù)駛里程可增加2.5 km。

本文通過拓?fù)鋬?yōu)化、壁厚優(yōu)化等手段，對(duì)電機(jī)殼體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。通過三維數(shù)據(jù)測算和零件實(shí)際稱重，對(duì)比量產(chǎn)電機(jī)殼體和優(yōu)化后的增材電機(jī)殼體質(zhì)量，結(jié)果如表3所示。數(shù)據(jù)顯示，增材電機(jī)殼體質(zhì)量減輕了1.6 kg，減小比例達(dá)18%以上，有助于新能源汽車的整車輕量化。

3.5 持續(xù)溫升試驗(yàn)

溫度與溫升是評(píng)價(jià)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和安全性的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其中，溫升是指電機(jī)各個(gè)部件高出環(huán)境的溫度，是相對(duì)值。繞組溫升是電機(jī)的重要性能指標(biāo)，溫升限值的控制與電機(jī)繞組所采用的絕緣等級(jí)有關(guān)，本文所選用的電機(jī)絕緣等級(jí)為F，即電機(jī)繞組溫度限制為155 ℃，一旦超過這一臨界值，電機(jī)絕緣材料就可能發(fā)生破壞，導(dǎo)致電機(jī)無法按預(yù)期正常工作，電機(jī)使用壽命大幅度縮減，甚至因運(yùn)行狀況迅速惡化而導(dǎo)致電機(jī)損毀。為了給車輛用戶留有一定的安全余量，該電機(jī)控制策略設(shè)定為當(dāng)繞組溫度超過130 ℃后，電機(jī)控制器將主動(dòng)限制電機(jī)的輸出功率，以免繞組溫度進(jìn)一步升高。電機(jī)持續(xù)功率是指電機(jī)可以持續(xù)使用的最高功率，在該功率下電機(jī)產(chǎn)熱與散熱達(dá)到平衡狀態(tài)。持續(xù)功率代表著電機(jī)穩(wěn)定輸出的能力，與新能源汽車高速維持性能和爬坡能力密切相關(guān)，是電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)之一。

圖11 不同方向隨爐試棒拉伸曲線

圖12 微觀組織對(duì)比

圖13 增材電機(jī)殼體CT掃描結(jié)果

表3 電機(jī)殼質(zhì)量

Tab.3 Mass of motor housings

本文根據(jù)GB/T 18488.2—2015中的測試方法，對(duì)量產(chǎn)電機(jī)和采用增材殼體的電機(jī)分別進(jìn)行了溫升試驗(yàn)[17]，如圖14所示。試驗(yàn)參數(shù)如表4所示，在室溫環(huán)境下，電機(jī)保持穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行45 min，通過定子內(nèi)置傳感器記錄電機(jī)溫度。結(jié)果顯示，采用增材殼體后，電機(jī)持續(xù)功率從原來的45 kW提升至50.7 kW，電機(jī)未超溫（≤130 ℃）。證明增材殼體冷卻效率提升，有利于釋放電機(jī)輸出潛能。

圖14 增材電機(jī)總成溫升試驗(yàn)

表4 溫升試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Results of temperature rise test

4 結(jié)論

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)后的增材制造電機(jī)殼體換熱面積增大，冷卻流道也更貼近熱源定子繞組，換熱效率相較于量產(chǎn)鑄造電機(jī)殼體的有較大提升，能夠在保證電機(jī)功率提升（本研究電機(jī)功率從45 kW提高到50.7 kW，提升了約12%）、發(fā)熱量更大的情況下，使熱平衡溫度不超溫，從而有效提高電機(jī)持續(xù)功率，釋放電機(jī)輸出潛能。

2）需要綜合考慮零件的變形量、支撐強(qiáng)度、支撐的可去除性等因素以確定增材制造零件的打印擺放方式。電機(jī)殼體流道內(nèi)部的支撐無法去除，因此要避免在內(nèi)部流道添加支撐，合適的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證流道成形質(zhì)量的關(guān)鍵。

3）為避免增材零件內(nèi)流道頂部掛渣或粗糙度過大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免平直面，可設(shè)計(jì)為圓弧或水滴形過渡。在必要時(shí)，可采用磨粒流加工對(duì)流道內(nèi)表面進(jìn)行打磨，以消除流道掛渣、凸起、毛刺等影響冷卻介質(zhì)流動(dòng)的打印、加工缺陷。

4）SLM增材制造零件成形精度較高，組織致密，力學(xué)性能優(yōu)于鑄造零件力學(xué)性能，在相同力學(xué)強(qiáng)度要求下，壁厚可以設(shè)計(jì)得比鑄件壁厚更小，同時(shí)支持拓?fù)鋬?yōu)化，進(jìn)一步減少產(chǎn)品中的冗余結(jié)構(gòu)，減重效果明顯。與量產(chǎn)電機(jī)殼體相比，采用增材制造技術(shù)制作的電機(jī)殼體外徑減小了5 mm，減重約19%，有助于實(shí)現(xiàn)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的小型化和輕量化。

[1] 夏歡, 鄭李強(qiáng), 吳隆龍, 等. 中國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀分析和展望[J]. 汽車知識(shí), 2023, 23(5): 55-58.

XIA H, ZHENG L Q, WU L L, et al. The Development Status and Prospect of China's New Energy Vehicles[J]. Auto Know, 2023, 23(5): 55-58.

[2] 劉慧軍, 陳芬放, 黃瑞, 等. 車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 51(7): 2002-2012.

LIU H J, CHEN F F, HUANG R, et al. Simulation Study on Cooling System of Automotive Driving Motor[J]. Journal of Central South University, 2020, 51(7): 2002- 2012.

[3] 朱婷, 張雨晴, 李強(qiáng), 等. 高功率密度電機(jī)混合型散熱技術(shù)綜述[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(8): 1-16.

ZHU T, ZHANG Y Q, LI Q, et al. Overview of Hybrid Cooling System for High Power Density Motor[J]. Electrical Engineering, 2022, 23(8): 1-16.

[4] 牛峰, 張熙萌, 黃少坡, 等. 高功率密度化電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的散熱優(yōu)化研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2022, 26(7): 58-67.

NIU F, ZHANG X M, HUANG S P, et al. Heat Dissipation Optimization of High Power Density Motor Driver[J]. Electric Machines and Control, 2022, 26(7): 58-67.

[5] 湯勇, 孫亞隆, 郭志軍, 等. 電機(jī)散熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國機(jī)械工程, 2021, 32(10): 1135- 1150.

TANG Y, SUN Y L, GUO Z J, et al. Development Status and Perspective Trend of Motor Cooling Systems[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 32(10): 1135-1150.

[6] 湯海波, 吳宇, 張述泉, 等. 高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 58-63.

TANG H B, WU Y, ZHANG S Q, et al. Research Status and Development Trend of High Performance Large Metallic Components by Laser Additive Manufacturing Technique[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 58-63.

[7] 李曉藝, 唐志國, 張丹陽, 等. 雙水道液冷永磁同步電機(jī)散熱特性分析[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 41(6): 726-730.

LI X Y, TANG Z G, ZHANG D Y, et al. Analysis of Heat Dissipation Characteristics of Double Channel Liquid Cooled Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Journal of Hefei University of Technology, 2018, 41(6): 726-730.

[8] 謝瑞山, 陳高強(qiáng), 史清宇. 金屬增材制造零件變形研究現(xiàn)狀[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 15-20.

XIE R S, CHEN G Q, SHI Q Y. Review on the Thermal Distortion in Metal Additive Manufacturing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 15-20.

[9] 劉婷婷, 張長東, 廖文和, 等. 激光選區(qū)熔化成形懸垂結(jié)構(gòu)熔池行為試驗(yàn)分析[J]. 中國激光, 2016, 43(12): 1202004.

LIU T T, ZHANG C D, LIAO W H, et al. Experimental Analysis of Pool Behavior in Overhang Structure Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(12): 1202004.

[10] MIKI T, NISHIWAKI S. Topology Optimization of the Support Structure for Heat Dissipation in Additive Manufacturing[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2022, 203(1): 103708.

[11] OLAF D, AXEL N, DAMIEN M. A Practical Guide to Design for Additive Manufacturing[M]. New Zealand: Springer Berlin Heid, 2019: 115-135.

[12] T/CMES 35012—2022, Additive Manufacturing Support Design Specification[S].

[13] 曹佳薇. 考慮瞬態(tài)熱力耦合效應(yīng)的增材制造支撐結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2019: 8-15.

CAO J W. Topology Optimization Design of Support Structure for Additive Manufacturing Considering Transient Thermal-Mechanical Coupling Effect[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2019: 8-15.

[14] 曹新陽. 增材制造模型成型方向與支撐結(jié)構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都: 電子科技大學(xué), 2019: 31-32.

CAO X Y. Research and Implementation of Forming Direction and Supporting Structure of Additive Manufacturing Model[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2019: 31-32.

[15] 郭照燦, 張德海, 何文斌, 等. 金屬多材料增材制造研究現(xiàn)狀與展望[J]. 精密成形工程, 2022, 14(2): 129- 137.

GUO Z C, ZHANG D H, HE W B, et al. Research Status and Prospect of Metal Multi-Material Additive Manufacturing[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2022, 14(2): 129-137.

[16] 張祥春, 張祥林, 劉釗, 等. 工業(yè)CT技術(shù)在激光選區(qū)熔化增材制造中的應(yīng)用[J]. 無損檢測, 2019, 41(3): 52-57.

ZHANG X C, ZHANG X L, LIU Z, et al. Application of Industrial CT Technology for Additive Manufacturing Product by Selective Laser Melting[J]. Nondestructive Testing, 2019, 41(3): 52-57.

[17] 符敏利, 李益豐, 李蓉, 等. 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率的確定和驗(yàn)證方法[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2014, 41(6): 56-59.

FU M L, LI Y F, LI R, et al. Determination and Verification Method of Rated Power of Drive Motor for Electric Vehicle[J]. Electric Machines & Control Application, 2014, 41(6): 56-59.

Influence of Additive Manufacturing Complex Flow Channel Water-cooled Housing on Continuous Rating of Drive Motor

DENG Jiaming1, ZHU Qian1, CHEN Haoming1, QIN Yongrui1, LI Jia2, LI Kun3

(1. Chongqing Chang'an Automobile Stock Co., Ltd., Chongqing 400023, China; 2. Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China; 3. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

The work aims to increase heat transfer efficiency of the housing and ensure that the motor will not overheat under higher-power continuous operating conditions, so as to improve the continuous rating of the electric motor. In this study, the flow channel of a water-cooled housing was optimized by AM thinking, which changed the shape of the flow channel to increase surface area, eliminate turbulence, and reduce wall thickness. Through simulation analysis, continuous optimization and iteration, the optimal channel scheme was obtained. Finally, the complex channel structure of the motor housing was manufactured with selective laser melting (SLM) additive technology and corresponding post-processing techniques. The results indicated that the AlSi10Mg aluminum alloy housing manufactured with SLM additive manufacturing technology exhibited yield strength greater than 230 MPa in the,, anddirections. Even with a smaller wall thickness, the housing's strength still met the design requirements. Additionally, the motor with AM housing operated continuously for 45 min under stable conditions, with the continuous power output increasing from 45 kW (for the original mass-produced motor) to 50.7 kW, while keeping the motor temperature below 130 ℃. Microstructure testing and industrial CT testing showed that the structure of the SLM motor housing was compact and there was no gas pore or inclusion. Furthermore, the additive manufactured housing weighed 6.95 kg, representing a weight reduction of approximately 19% compared with the mass-produced motor housing. In conclusion, the motor housing designed and manufactured with additive manufacturing technology exhibits excellent overall performance, effectively improving heat transfer efficiency, increasing the motor's continuous power output, and achieving weight reduction.

AM (additive manufacturing); drive motor housing; flow channel optimization; continuous rating; SLM (selective laser melting)

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.021

TG665

A

1674-6457(2024)02-0174-08

2023-08-15

2023-08-15

重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJQN202203205）

Scientific and Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission(KJQN202203205)

鄧佳明, 朱茜, 陳浩銘, 等. 增材制造復(fù)雜流道水冷電機(jī)殼體對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)功率影響的研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 174-181.

DENG Jiaming, ZHU Qian, CHEN Haoming, et al. Influence of Additive Manufacturing Complex Flow Channel Water-cooled Housing on Continuous Rating of Drive Motor[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 174-181.