基于三周期極小曲面結構的電機外殼散熱性能研究

周志光

(江蘇雷利電機股份有限公司,江蘇 常州 213000)

隨著行業的發展,電機作為新能源汽車、機器人和數控機床等設備中的動力輸出部件,對其輸出效率與響應速度等性能的要求越來越高。與此同時,電機的發展也趨向小型化、高功率密度化和高精度化,這種發展趨勢帶來了新的問題:電機內部產生的熱量迅速增加,但可用于散熱的空間卻愈加有限。過高的內部溫度不僅會縮短絕緣材料使用壽命,還可能導致電機內部的永磁體磁性衰減,這不僅影響電機的效率,更會對電機的整體工作壽命和運行安全造成嚴重影響[1]。因此電機散熱已成為制約電機性能與使用壽命的關鍵因素?；谏鲜銮闆r,設計高效的電機散熱系統對電機的正常運行具有極其重要的意義。

風冷、液冷、相變散熱和額外熱路增強型散熱是常見的幾種電機散熱技術。其中風冷散熱在小型電機中應用廣泛,該技術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點。風冷散熱分為自然對流散熱和強制對流散熱,后者借助動力機構增強流速,提升散熱效率。不少學者已經在提高風冷散熱系統效率方面進行了深入研究。例如關穎等[2]以動車組牽引電機為研究對象,對電機內部流場進行數值模擬分析,根據計算結果進行結構優化,從而降低電機工作溫度; Ghahfarokhi等[3]提出利用增材制造技術,從設計環節開始優化散熱結構或隔熱材料,并從幾何結構角度考慮電機的熱負荷設計。

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構,其表面平均曲率為0。TPMS結構具有曲面光滑、結構穩定、可控性好的特點,在散熱工程[4]、組織工程等領域被廣泛應用。通?？梢圆捎脜捣?、隱函數法和邊界法對TPMS建模,并通過特定映射算法映射到非立方體單元中[5],從而實現復雜實體的TPMS結構化。

本文設計了一種外層為TPMS結構的電機機殼,并通過有限元仿真分析其與原始結構和傳統翅片結構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)技術成型了TPMS結構和翅片結構機殼的實體樣品,并經過實際裝機溫升測試,測量了電機運轉過程中不同結構機殼表面與內部線圈的溫度變化,驗證TPMS結構對比原始結構和翅片結構在散熱方面的提升效果。

1 電機外殼構型設計分析

1.1 散熱外殼構型建模設計

原始電機機殼整體為薄壁圓筒狀,機殼包含兩處特征:螺栓孔與定位孔,前者負責電機與外部機構之間的固定,后者負責電機裝配過程中滿足機殼與電機磁瓦之間的定位要求。機殼整體長146 mm,殼體壁厚4.5 mm。本文設計兩種散熱結構,分別為TPMS結構與翅片結構。TPMS結構建模使用nTopology軟件實現,考慮機殼在實際裝配過程中與內部磁瓦有較高裝配要求,需要保持機殼內壁完整性,因此選擇距離外表面向內延伸3.5 mm的區域為結構優化區域,TPMS結構機殼總厚度與原始機殼厚度相同。結合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和更好的散熱性能,因此本文采用Gyroid單元對機殼外側區域進行填充。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,圓周單元總數量為20,單元壁厚為2 mm。翅片結構建模利用SolidWorks軟件完成,同樣選擇距離外表面向內延伸3.5 mm的區域為結構優化區域,該區域沿周向均勻分布翅片,翅片總數量為30個,寬度2 mm,高度3.5 mm,該結構機殼總厚度為4.5 mm,與原機殼厚度相同。

1.2 傳熱數學模型

傳熱行為一般包括3種模式:熱傳導、熱對流、熱輻射。電機的傳熱行為可以概括為電機線圈發熱,熱量通過對流和輻射方式傳遞至機殼內表面,然后在機殼內部以熱傳導方式傳遞至機殼外表面,最后在機殼外表面與空氣發生熱對流將熱量耗散。本文重點關注機殼結構的散熱效果,因此簡化線圈熱源到機殼內表面的傳熱過程,僅考慮機殼內部熱傳導與外表面熱對流行為。由于機殼厚度較小,故機殼結構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行描述:

q*=α(TS-TB)

(1)

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

(2)

1.3 外殼散熱性能仿真分析

采用有限元軟件ANSYS Workbench進行熱力學仿真,為節省計算資源,對計算模型進行合理簡化,忽略定位孔和安裝孔等對散熱影響不大的特征,僅保留機殼主體部分。將模型導入ANSYS后進行網格劃分,選擇網格單元尺寸為1 mm,并進行了網格無關性驗證。圖1為有限元網格劃分示意圖。通過仿真模擬電機運轉時的溫升變化和電機停機后的散熱過程。邊界條件一:設內表面為熱源面,施加恒定熱流密度載荷,外表面和側面為散熱面,用不同對流換熱系數模擬不同散熱條件。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見表1。

表1 有限元仿真邊界參數

圖1 不同結構有限元網格劃分示意圖

圖2為3種結構機殼在相同熱流密度下機殼升溫的仿真結果。由圖2(a)可知,原始機殼大約在4 800 s后溫度達到穩定狀態,耗時最久,升溫速度最慢;翅片結構900 s左右溫度達到穩定狀態;TPMS結構在600 s左右溫度達到穩定狀態,耗時最短。由圖2(b)、(c)、(d)可知,3種結構最高溫度均出現在機殼內側表面中部位置,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,原始結構機殼內表面最高溫度達到169.5 ℃,翅片結構機殼最高溫度降低到109.5 ℃,下降幅度35.4%,而TPMS結構內表面最高溫度僅有64.4 ℃,下降幅度約62.0%。

圖2 不同結構機殼的溫升仿真結果

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

圖3 不同結構機殼的散熱仿真結果

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

(3)

式中:V0為原始結構機殼體積,V為TPMS結構機殼體積。原始結構機殼體積約為1.6×105mm3,TPMS結構機殼體積約為8.7×104mm3,可得孔隙率大小為46.1%。在TPMS結構具有較高孔隙率的情況下,TPMS結構的宏觀外輪廓以及翅片結構的翅片對機殼表面積的提升,相對TPMS結構內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對TPMS機殼和翅片機殼進行加工制造,圖4為所用設備及粉末粒徑形貌圖,激光增材設備為南京前知科技公司的Ti150單激光金屬打印機,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,每層掃描線旋轉角度為67°,其他加工工藝參數見表3。

表2 17-4PH物理屬性

表3 打印工藝參數

圖4 實驗設備及粉末粒徑形貌圖

圖5(a)為分別裝配3種結構機殼的測試電機,由上至下分別為TPMS結構、原始結構和翅片結構;圖5(b)為搭建的專用測試平臺。該實驗臺配備電機自動測試系統,可以檢測并輸出電機運轉過程中的電壓、電流、輸出扭矩以及轉速等參數。電機裝配機殼后安裝在測試平臺上,并由專用夾具進行固定。為了監測電機機殼溫度與電機線圈的溫度變化情況,實驗中使用了兩個溫度傳感器。一個傳感器貼在機殼表面,另一個傳感器安置在電機內部。所有傳感器的數據都由測試系統實時采集,并傳輸至與實驗臺連接的計算機進行記錄和分析。實驗過程持續了140 min,在實驗期間,電機電壓被穩定控制在100 V。測試結束后,獲得電機機殼溫度隨時間變化的數據曲線,以及電機內部線圈的平均溫度。

圖5 測試電機及專用實驗臺示意圖

圖6展示了3種結構機殼表面溫度隨時間變化曲線。隨著運行時間增加,3種結構的機殼溫度均呈現先升高后穩定的趨勢。電機運行35～140 min這段時間內,TPMS結構的最高溫度為46.2 ℃;原始結構機殼溫度稍高于TPMS結構機殼,最高溫度56.8 ℃,采用TPMS結構后機殼溫度下降約18.7%;翅片結構機殼溫度最高,最高溫度達到80 ℃,與其相比,TPMS結構機殼溫度下降42.2%。翅片結構機殼溫度在電機運行0～100 min內溫升速率高于原始結構機殼。

圖6 3種結構機殼實驗測試的溫度變化曲線

圖7展示了不同結構的機殼質量與電機線圈溫度,原始結構機殼質量為1.3 kg,翅片結構質量為0.5 kg,而采用TPMS結構機殼質量下降至0.7 kg,對比原始結構質量下降46.2%。裝配原始結構機殼的電機線圈溫度為162.4 ℃,裝配翅片結構機殼后,線圈溫度為120.5 ℃,較原始結構下降約25.8%;裝配TPMS結構機殼的線圈溫度為107.7 ℃,較原始結構機殼下降33.7%,較翅片結構機殼下降10.6%。實驗結果表明,TPMS結構機殼的散熱效果優于其他兩種結構。

圖7 不同結構的機殼質量和線圈溫度

各結構機殼的實驗結果與仿真結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殼內表面之間的復雜傳熱過程,導致簡化后的邊界條件無法全面反映實際散熱情況。此外打印模型與設計模型存在的細微偏差,特別是TPMS結構曲面不光滑,會影響散熱過程中周圍流體的流動,進一步影響散熱效率。同時,實驗過程中機殼與流體的對流系數并非恒定,而仿真中默認將其設為固定值,這也會造成計算結果與實際情況間的偏差。

值得注意的是,翅片結構的溫度變化趨勢與仿真結果存在一定差異。這主要是因為實際加工的翅片內壁較薄,線圈產生的熱量能迅速傳導至整個機殼,導致更大的升溫速率,進而降低了線圈溫度。同時翅片表面的散熱效果不如TPMS結構,無法及時散去聚集的熱量,最終導致溫度升高。仿真云圖中兩相鄰翅片區域溫度高于兩側的情況也從側面反映了這一點。通過分析實驗結果與仿真結果之間的差異原因,在未來的工作中可以進一步改進仿真模型,提高仿真結果與實驗結果的一致性。

3 結論

本文設計了一種TPMS結構的電機機殼,通過有限元仿真和實機裝配實驗對其散熱性能進行了驗證,并與翅片結構和原始結構進行了比較,得到以下結論:

1)在相同熱流密度條件下,原始機殼運行4 800 s后溫度達到穩定狀態,最高溫度達到169.5 ℃;翅片結構900 s后溫度達到穩定狀態,最高溫度為109.5 ℃;TPMS達到穩定狀態耗時最短,大約為600 s,最高溫度僅有64.4 ℃,相比原始機殼穩態溫度下降約62%。

2)初始溫度130 ℃條件下,降溫到室溫附近原始結構耗時4 460 s,翅片結構耗時983 s,TPMS結構耗時810 s,TPMS結構散熱速度約為原始結構機殼的5.5倍、翅片結構的1.2倍。

3)溫升實驗測試中,電機運行35 min后TPMS結構機殼溫度最低,其最高溫度為46.2 ℃,對比原始結構下降18.7%。同時采用TPMS結構的電機轉子線圈平均溫度從162.4 ℃下降到107.7 ℃,下降幅度33.7%,采用翅片結構的轉子線圈平均溫度為120.0 ℃,下降幅度為25.8%。

綜上所述,采用TPMS結構的電機外殼,在保證外圍碰撞體積不變的情況下,可實現電機輕量化,散熱效果顯著提升。