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汽车|混动重卡电机系统的设计与仿真分析


作者 |徐天稷 丁永根/上海汽车电驱动
来源 | EDC电驱未来
1 引言
现阶段新能源汽车产业日益发展不断进步 ， 纯电动系统随着政策的扶持与充电设备的普及 ， 正处于快速发展阶段 ， 但针对卡车市场尤其是重卡平台 ， 混合动力系统依然存在着纯电动系统无法替代的优势 ， 例如系统动力性强 ， 不受充电设备限制等 ， 应国内某主机厂需求 ， 开展匹配42吨以上重卡车辆并联式混动电机系统的定制化设计与研究工作 。
2 电机设计
以设计关键零部件的可靠性 ， 各零件的制造工艺、加工成本 ， 以及整机装配工艺、可维护性、配置合理性等为前提 ， 确定设计方案的框架及其各部件的结构尺寸和材料 ， 设计过程结合机械设计学、材料学、金属加工工艺学、热力学、流体力学、电磁学等多学科知识 。 并结合整车配置要求以及技术需求 ， 利用Solidworks、ANSYS等软件工具进行开发设计与仿真分析 。 性能需求如表1所示；装配模型如图1所示 。
汽车|混动重卡电机系统的设计与仿真分析
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3 仿真分析
3.1 热管理分析
对于整车来而言 ， 水道流阻和散热能力是考核冷却系统的重要指标 。 冷却系统的设计必须兼顾整车冷却系统水泵扬程范围 。 同时还要充分考虑重卡车辆的实际恶劣情况 ， 如长时间在高速公路运行实际冷却液流量、温度达不到设计要求 ， 因此须对冷却系统进行充分的研究与分析 。
汽车|混动重卡电机系统的设计与仿真分析
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图1 并联式混动重卡电机装配模型
通过ANSYS仿真软件的Fluent模块 ， 进行流阻仿真分析 ， 在设计流速为20L/min情况下 ， 电机水道水流通畅 ， 流速正常 ， 无明显死区 ， 如图2所示；压力分布均匀合理达到设计预期 ， 压差损失为ΔP=13.65kPa ， 如图3所示 。
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图2 流量下冷却液流速分布
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图3 流量下冷却液压力分布
同时 ， 通过ANSYS仿真软件的Maxwell模块 ， 对电机温度场进行仿真分析 ， 在冷却液入水温度为65℃、流量为20L/min的条件下 ， 对电机系统的额定温升和峰值温升进行仿真分析 。
电机系统于1200Nm、100kW额定工况下持续运行 ， 绕组最高温度稳定在121℃ ， 如图5所示 。 于1800Nm、150kW峰值状态下持续运行60s时 ， 绕组最高温度达到134℃ ， 如图6所示 。
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图5 额定工况温升
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图6 峰值工况温升
3.2 振动强度分析
电机通过两侧端盖及悬置固定板固定 ， 即一侧连接变速箱 ， 一侧连接发动机 ， 机壳悬置与整车车架相连 ， 根据国内重卡车辆的路谱分析和参考国内外重卡产品的相关试验标准 ， 设计专用的PSD谱对电机系统进行随机振动仿真分析 。
与变速箱连接的前端盖最大应力约为153MPa ， 发生在Y轴振动方向 ， 材料为A356 ， 屈服强度为185MPa ， 安全系数n=1.2 ， 如图7所示 。
与发动机连接的后端盖最大应力约为70MPa ， 发生在Z轴振动方向 ， 材料为A356 ， 屈服强度为185MPa ， 安全系数n=2.6 ， 如图8所示 。
与整车悬置相连的机壳最大应力约为199MPa ， 发生在Y轴振动方向 ， 材料为2A12 ， 屈服强度为275MPa ， 安全系数n=1.4 ， 如图9所示 。


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