Охлаждение корпуса электродвигателя: руководство покупателя по конструкции, материалам и допускам

Тяговый двигатель мощностью 150 кВт, который выдает на валу мощность 142 кВт, отдает оставшиеся 8 кВт в виде тепла в статорный блок размером меньше коробки из-под обуви. Согласно отраслевым анализам, от 30 до 40 процентов отказов двигателей с постоянными магнитами связано с чрезмерным повышением температуры, и почти все это тепло уходит через один компонент: корпус. Вот почему охлаждение корпуса электродвигателя перешло от поздней стадии детализации к дисциплине, которая решает, достигнет ли двигатель своей целевой удельной мощности или ухудшится на испытательном стенде.

В этом руководстве рассматриваются архитектуры охлаждения, которые передают тепло через корпус, компромиссы между материалами и толщиной стенок, а также измеримые характеристики, которые покупатель должен исправить, прежде чем отправлять чертежи поставщику корпуса.

Почему охлаждение корпуса электродвигателя начинается с самого корпуса

Корпус представляет собой самый большой радиатор, прикрепленный к статору, поэтому его геометрия, толщина стенок и качество обработки определяют потолок того, сколько тепла может выделять двигатель.

Прежде чем достичь охлаждающей жидкости, тепло, выделяемое в медных обмотках и роторе, должно пройти через цепочку интерфейсов: изоляция обмотки, пакет пластин, прессовая посадка между пакетом и отверстием корпуса, стенка корпуса и, наконец, поверхность канала. Лак, захваченный воздух и оксидные слои являются плохими проводниками, поэтому каждый интерфейс увеличивает тепловое сопротивление. Плохо обработанное отверстие или неравномерная запрессовка могут удерживать тепло независимо от размеров рубашки охлаждения.

В корпусе также имеются монтажные кронштейны, интерфейсы торцевых экранов, выступы датчиков и уплотнения. Функции охлаждения должны сосуществовать со всеми из них, поэтому охлаждение корпуса неотделимо от производства корпуса: каждый канал, ребро и порт должны быть сформированы, обработаны и проверены на герметичность на производстве, а не просто нарисованы в CAD.

Внутри корпуса с рубашкой: водяные рубашки и каналы охлаждения

Большинство серийных тяговых электродвигателей охлаждаются косвенно: водно-гликолевая смесь циркулирует через рубашку, встроенную в стенку корпуса.

Охлаждающая жидкость поступает через отверстия в корпусе, проходит по каналам, охватывающим статор, и выходит к радиатору. Осевые каналы проходят параллельно валу и их проще обрабатывать, а спиральные каналы охватывают отверстие, чтобы выровнять температурный профиль по окружности. Опубликованные исследования двухканальных корпусов показывают, что их можно комбинировать, поэтому одна схема отдает приоритет самой горячей зоне рядом с выступом обмотки, а вторая несет базовую нагрузку.

Осевая и спиральная фрезеровка на практике

Для поставщика жилья оболочка определяет маршрут процесса. Корпуса из литого алюминия во время литья образуют каналы; Изготовленные и обработанные корпуса состоят из обработанных карманов, крышек и сварных портов. В любом случае, каждая куртка становится небольшим сосудом под давлением, который должен пройти контрольные испытания, не допуская попадания гликоля в стопку ламинатов. Двигатели меньшей мощности в одном и том же транспортном средстве, такие как приводы вентиляторов и насосов, по-прежнему полагаются на воздушное охлаждение через ребристые или вентилируемые корпуса, что также сохраняет спрос на конструкции корпуса, благоприятные для воздушного потока.

Корпус двигателя вентилятора Этот корпус двигателя вентилятора имеет прецизионную конструкцию с внутренним диаметром 130 мм, обеспечивающую равномерную толщину стенок и точные размеры, что обеспечивает... Посмотреть продукт →

Как прямое масляное охлаждение меняет требования к охлаждению корпуса электродвигателя

Прямое масляное охлаждение перемещает охлаждающую жидкость на обмотки и ротор, но не удаляет корпус из теплового пути.

В приводах с масляным охлаждением диэлектрическая жидкость распыляется или заливается торцевыми обмотками и поверхностями ротора, улавливая тепло там, где оно выделяется. Затем это масло проходит через теплообменник, где водно-гликолевой контур поглощает энергию и передает ее к радиатору. Корпус по-прежнему содержит этот вторичный контур, по-прежнему герметизирует масло внутри камеры двигателя и по-прежнему устанавливает путь проводимости от сердечника статора наружу.

Для покупателей это меняет список спецификаций. Соединения корпуса и уплотнения должны удерживать масло при рабочей температуре, материалы и покрытия должны выдерживать длительное воздействие трансмиссионных жидкостей, а качество обработки отверстий имеет даже большее значение, чем обычно, поскольку охлаждение масла обходит только часть теплового пути. Поскольку статоры с плоской проволокой увеличивают заполнение пазов и потери, многие новые программы задействуют обе системы одновременно: масло в источнике и рубашка в стенке корпуса.

Выбор материала и толщины стенок при охлаждении корпуса электродвигателя

Выбор материала определяет теплопроводность корпуса, а толщина стенки определяет, сколько места останется для каналов, поэтому оба этих материала следует выбирать вместе.

Литой под давлением алюминий по-прежнему используется по умолчанию для крупногабаритных тяговых корпусов, поскольку он проводит тепло в несколько раз лучше, чем сталь, и позволяет дешевле отливать сложные кожухи. Корпуса из стали и нержавеющей стали занимают свое место там, где доминируют прочность, стабильность размеров, устойчивость к коррозии или умеренные серийные объемы. Ухудшение проводимости является реальным, но управляемым, поскольку в конструкции с рубашкой конвекционная пленка на границе раздела охлаждающей жидкости и контактное сопротивление в месте установки статора часто вносят такой же вклад в сопротивление, как и проводимость через саму стенку.

Компенсация более низкой проводимости с помощью геометрии

Когда в программе указана сталь или нержавеющая сталь 304, например, там, где химический состав охлаждающей жидкости, воздействие промывки или длительный срок службы определяют коррозионную стойкость, проектировщики компенсируют это геометрией, а не принимают потери:

• Более тонкие стенки между отверстием корпуса и дном канала в пределах давления
• Большая площадь контакта с каналом за счет спиральной прокладки или второго контура
• Контролируемое столкновение при запрессовке, благодаря чему стопка ламинатов садится с равномерным контактом
• Теплопроводящие интерфейсные компаунды на каждом соединении металл-металл.

Внутренний диаметр 180 Корпус двигателя из нержавеющей стали 304SS Этот корпус двигателя из нержавеющей стали имеет усиленную конструкцию с внутренним диаметром 180 мм, высотой 320 мм и толщиной стенок 3 мм. Он изготовлен... Посмотреть продукт →

Толщина стенки тянется в противоположную сторону. Корпуса из толстостенных стальных трубок оставляют достаточно материала для глубоких каналов и высокого давления, что подходит для промышленных трансмиссий электромобилей и внедорожных рабочих циклов, однако каждый дополнительный миллиметр стенки добавляет сопротивление проводимости. Дно канала должно располагаться как можно ближе к стволу, насколько позволяет прочность.

Внутренний диаметр 127 Толстостенный корпус двигателя Корпус двигателя изготовлен с высокой точностью из высококачественных бесшовных стальных труб. Внутренний диаметр 127 мм и толщина стенок 7,9 мм обеспечивают высокую точность... Посмотреть продукт →

Более подробную информацию о коррозионностойких конструкциях см. в нашей статье. направляющая корпуса двигателя из нержавеющей стали .

Что покупатели должны знать перед заказом охлаждаемого корпуса

Производительность охлаждения определяется на чертеже задолго до того, как будет вырезана первая микросхема, поэтому покупатели должны зафиксировать у поставщика краткий список измеряемых характеристик.

Тогда просите доказательства, а не заверения. Опытный производитель жилья должен без колебаний передать четыре вещи:

1. Сертификаты материалов и отчеты о толщине покрытия
2. Протоколы испытаний на герметичность курток, привязанные к серийным номерам единиц.
3. Отчеты КИМ, включающие диаметр отверстия, округлость и толщину дна канала.
4. Проверка первого изделия в соответствии с фактическими данными посадки вашего статора

Именно здесь интегрированный производитель зарабатывает на жизнь. Цзянсу Юфэн Электрик Ко., Лтд. потратила четыре десятилетия на производство корпусов двигателей из стали, нержавеющей стали, толстостенных и стальных труб, используя штамповку, сварку, механическую обработку и обработку поверхности под одной крышей, инженерную команду со средним опытом работы более 20 лет и годовой производительностью более пяти миллионов единиц. Для программ, которым необходимы охлаждаемые корпуса, разрабатываемые параллельно с двигателем, такая вертикальная интеграция сокращает цикл между изменением конструкции и получением образца, проверенного на герметичность.

Охлаждаемые корпуса двигателей: часто задаваемые вопросы

Может ли корпус из стали или нержавеющей стали охлаждать электродвигатель так же хорошо, как алюминий?

Да, когда конструкция охлаждения компенсирует это. Сталь проводит примерно на треть так же, как алюминий, поэтому в стальных корпусах используются более тонкие стенки каналов, большая площадь каналов и более плотная запрессовка. В конструкциях с рубашкой конвекция и контактное сопротивление часто доминируют, поэтому хорошо обработанная стальная оболочка может сравниться с посредственной алюминиевой оболочкой.

Действительно ли прямое масляное охлаждение делает кожух корпуса устаревшим?

Нет. Масляное охлаждение улавливает тепло на обмотках и роторе, но масло все равно отдает это тепло в водно-гликолевой контур через теплообменник. Большинство программ высокой удельной мощности сочетают в себе оба метода: масло в источнике и рубашка в стенке корпуса.

Сколько тепла может отвести корпус электродвигателя с водяной рубашкой?

Это зависит не только от материала корпуса, но и от скорости потока охлаждающей жидкости, площади канала и качества интерфейса. Жидкостные контуры рассеивают тепло до 50 раз эффективнее, чем воздух, на той же поверхности, поэтому корпуса с рубашкой доминируют над постоянными потерями в несколько киловатт.

Что мне следует отправить поставщику жилья в первую очередь при запуске проекта охлаждения электромобиля?

Начните с наружного диаметра статора и стратегии посадки, показателей непрерывных потерь, типа и расхода охлаждающей жидкости, допустимого перепада давления и требований к окружающей среде. Имея эти цифры, поставщик может предложить расположение каналов, толщину стенок и план испытаний, прежде чем предлагать цену.