增材制造復雜流道水冷電機殼體對驅動電機持續功率影響的研究

鄧佳明，朱茜，陳浩銘，秦永瑞，李佳，李坤

增材制造復雜流道水冷電機殼體對驅動電機持續功率影響的研究

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.重慶工業職業技術學院，重慶 401120；3.重慶大學 機械與運載工程學院，重慶 400044）

提高量產鑄造電機殼體的換熱效率，確保電機在高功率持續工作狀態下不會過熱，從而提高電機的持續功率?；谠霾乃季S對電機水冷殼體的流道進行優化，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壁的間距。通過仿真分析，不斷優化迭代得到最佳的流道設計方案。運用選區激光熔化（SLM）增材技術及相應的后處理工藝，制造出復雜流道結構的電機殼體。采用SLM增材技術制造的AlSi10Mg鋁合金殼體在、、3個方向上的屈服強度均大于230 MPa，即使在較小壁厚的條件下，殼體強度仍滿足設計要求。采用該殼體后，電機的持續功率從原量產電機的45 kW提升到50.7 kW，且仍能連續穩定運行45 min，同時電機溫度未超過130 ℃。微觀組織檢測和工業CT測試結果顯示，SLM電機殼體結構致密，未見氣孔夾雜。該增材制造殼體的質量為6.95 kg，與量產電機殼體相比，減重約19%。通過增材制造技術設計制造的電機殼體整體性能良好，可以有效提高換熱效率以及電機的持續功率，并實現了電機的減重。

增材制造；驅動電機殼體；流道優化；持續功率；SLM

隨著電池技術的不斷發展，新能源汽車的續駛里程不斷提高，這一趨勢得到了越來越多消費者的認可。同時，隨著國家雙碳政策的實施，汽車市場正在經歷重大的結構性調整，新能源汽車的滲透率也在持續提升。由中國汽車工業協會最新數據可知，2022年中國新能源汽車產、銷量分別達到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在起步時能夠提供較大的轉矩，與傳統燃油車相比，其0～100 km/h的加速性能更優。然而，隨著轉速和轉矩的增大，電機會產生更多的熱量，導致電機超溫，從而限制了其功率輸出[2]。因此，新能源汽車在高速行駛時與燃油車相比仍存在一定的差距。新能源汽車驅動電機正朝著高效化、智能化、輕量化和小型化等方向發展，這會增加電機內部的發熱量，也會壓縮電機的有效散熱空間，散熱問題限制了電機功率密度的進一步提升[3]。

電機內部溫升過高會導致多種問題，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。這些問題不僅會降低電機的運行效率，還會進一步增加內部發熱量，導致電機溫度進一步上升，形成惡性循環，嚴重影響電機的壽命和穩定性。據數據統計，30%～40%的永磁電機失效是由電機溫升過高引起的。因此，提高散熱效率是電機向高效率、高穩定性和高可靠性方向發展的關鍵[4-5]。

增材制造技術在成形復雜結構方面具有明顯的優勢。它不僅具備設計自由度高的特點，能夠制造非常規截面和復雜幾何形狀的換熱流道，還可以通過拓撲優化技術實現更合理的流道分布，讓復雜結構的隨形冷卻流道變為可能。通過優化冷卻流道的結構，可以提高水路的冷卻平衡性，消除產品中的熱點，實現更均勻的冷卻效果。此外，優化后的結構還能增大換熱面積，加快單位時間內的熱量傳遞，從而提高熱交換產品的換熱效率。

本文以某電驅總成的水冷電機殼體為研究對象，運用增材設計思維優化殼體內部流道，并采用激光選區熔化（SLM）增材制造方式生產電機殼體。通過提高殼體的換熱效率，控制電機的平衡溫度，確保電機在高功率的持續工況下不會超溫，以發掘電機的輸出潛力。

1 增材制造殼體流道設計

增材制造能夠根據三維圖紙切片直接近凈成形致密、高性能、復雜的金屬結構，從而制造出傳統方法很難加工甚至無法加工的復雜零件，極大地提高了加工效率，同時也節約了材料成本[6]。因此，增材制造技術特別適用于制造結構復雜和隨形流道的零件。

1.1 流道優化

本文的研究對象是某量產電驅水冷電機，其制造過程為先利用制芯機制作流道砂芯，再通過低壓鑄造得到鋁合金電機殼體。原始流道結構如圖1a所示，屬于典型的鑄造水冷電機殼流道。由于制芯、澆注、清砂等工藝的限制，無法進一步設計優化。初始流道的模流分析結果顯示，在某些局部區域（如圖1b箭頭所示區域），冷卻液形成了渦流，導致熱量聚集，從而影響了電機的散熱效果。為了解決這一問題，本文基于增材思維對電機殼體的流道進行了優化設計和仿真迭代，得到了能夠顯著提升換熱效率的流道設計方案（見圖1c）。仿真分析量產電機殼體和增材電機殼體的熱平衡溫度如圖2所示，結果顯示，在壓差變化不大的前提下，增材制造的電機殼體（見圖2b）與量產電機殼體（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 流道優化前后示意圖

圖2 仿真結果對比

1.2 弧頂優化

電機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）。為保證打印產品流道的表面質量，取部分典型流道結構進行打印工藝測試，打印結果如圖3b所示?？梢钥吹?，流道外觀面質量良好，但流道頂部內表面較為粗糙。流道內表面粗糙度增大會對冷卻液流速及流阻產生不利影響，為了提高內圓角的表面質量，對流道頂部進行優化。優化后的設計采用了全圓弧過渡的方式，取消了0.9 mm的直邊（見圖4）。后續再采用磨粒流加工對流道進行打磨，即可保證流道內表面的光潔度。

1.3 壁厚優化

量產的電機殼體是通過低壓鑄造工藝制造的，受鑄造工藝限制，流道間隙設計為10 mm，內壁厚為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度，可以實現更薄的壁厚，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，綜合考慮殼體的強度與換熱效率，將壁厚設計為5 mm（如圖5b所示），使流道更貼近定子熱源。

圖3 原始流道弧頂結構

圖4 優化后流道弧頂結構

圖5 流道與內壁間距

熱流密度如式（1）所示?？芍?，在材料導熱系數以及電機殼體內壁面與冷卻水的溫差Δ不變的條件下，當材料的厚度減小時，熱流密度增大，換熱效率得到提高。

2 增材制造電機殼體制作

2.1 擺放設計

在SLM制造零件時，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熱性能差異，共建的懸垂結構容易發生變形，這會影響工件尺寸精度，甚至導致打印過程的中斷。此外，還可能發生熔融金屬侵入粉末床的現象，導致懸垂粗糙缺損；或者在打印過程中產生較大的殘余應力，導致工件從基板上切除后發生顯著變形[8-9]。

由于在流道內部無法添加支撐結構，本文考慮2種立式擺放方案，即法蘭面朝下或朝上。通過支撐預覽分析發現，當法蘭面朝上時，法蘭面會出現大范圍支撐面，并且法蘭面的截面突變還可能導致應力變形和不對稱變形，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 支撐設計

在SLM零件設計時，合理添加支撐結構是必要的，它可以限制打印翹曲現象的發生，增強熱擴散以減小溫度梯度。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為非實體支撐類型，圖7g～i為實體支撐類型。在進行零件打印時，需要根據支撐面的形狀和大小選擇適當的支撐類型。例如，點支撐（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 點支撐 b 線支撐 c 肋支撐

d 網格支撐 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計

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

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

圖8 電機殼體上的凸耳結構

圖9 殼體底部支撐結構

2.3 零件制作

增材電機殼體的生產過程如圖10a所示，首先在SLM設備上打印鋁合金電機殼體毛坯，本文采用的SLM打印設備為華曙高科FS421M雙激光金屬3D打印機，打印過程中的關鍵參數如表1所示。待毛坯打印完成后，進行后處理：首先，將毛坯與基板一起從成形艙中取出，清理完流道內部及支撐中的金屬粉末后，整體放入熱處理爐中進行去應力退火；其次，運用線切割技術將打印毛坯從基板上分離，并根據二維圖紙尺寸、公差、粗糙度等要求，對殼體毛坯進行機械加工；最后，進行磨粒流加工，打磨電機殼體流道內表面。后處理完成后，還需要進行三坐標、保壓測試等質量檢測，確保得到合格的增材電機殼體零件成品，如圖10b所示。

表1 成形參數

Tab.1 Forming parameters

圖10 增材電機殼體制作流程及成品零件

3 電機殼體及電驅總成測試

3.1 力學性能

本文的增材電機殼體由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?。?°）、（45°）、（90°）3個方向的拉伸試棒，以驗證電機殼體力學性能是否滿足設計目標。隨爐試棒與電機殼體毛坯一同進行熱處理，之后在Zwick Z100電子萬能材料試驗機上進行拉伸試驗。各方向試棒拉伸曲線如圖11所示，力學性能測試平均值如表2所示。結果顯示，、、3個方向打印試棒的拉伸屈服強度均大于設計目標（210 MPa），證明增材電機殼體力學性能滿足產品設計要求。

表2 隨爐拉伸試棒檢測結果

Tab.2 Results of tensile test for furnace samples

3.2 微觀組織

在增材電機殼體制造過程中，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，晶粒長大時間較短，與量產低壓鑄造產品相比，增材電機殼體能夠獲得更細的晶粒組織[15]。在電機殼上取樣進行金相檢測，結果顯示，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+點狀共晶硅，呈魚鱗狀，晶粒較細。

3.3 工業CT

氣孔是鑄造零件的常見缺陷，其產生的主要原因是在鑄造過程中出現了氣體和水分（鋁液、砂型或砂芯、黏結劑等含氣或產氣無法避免），因為排氣不良或收縮不良而形成了孔洞。氣孔的存在會對產品的散熱、氣密性、力學性能、使用壽命產生不利影響。針對量產電機殼體，有關氣孔的要求如下：在6 mm觀察區域內，直徑不大于0.5 mm的氣孔不超過3個，或者直徑不大于1 mm的氣孔不超過2個；在12 mm觀察區域內，直徑不大于2.5 mm的氣孔不超過1個。

在合適的打印參數條件下，SLM能夠實現無裂紋、高致密度鋁合金復雜零件的無模成形。為驗證SLM成形電機殼體氣孔含量是否符合要求，對增材電機殼體進行工業CT掃描[16]，結果顯示，流道在壁厚方向的尺寸偏差控制在0.2 mm以內，整個殼體結構致密，未見氣孔夾雜，如圖13所示。

3.4 質量

與傳統燃油車相比，純電動新能源車在取消發動機及部分附件的同時，增加了“三電系統”，由行業數據統計可知，與傳統車燃油車相比，純電動新能源車質量一般增大了15%～40%。因此，新能源汽車對輕量化的要求較高，新能源汽車整車質量每降低10 kg，續駛里程可增加2.5 km。

本文通過拓撲優化、壁厚優化等手段，對電機殼體進行了輕量化設計。通過三維數據測算和零件實際稱重，對比量產電機殼體和優化后的增材電機殼體質量，結果如表3所示。數據顯示，增材電機殼體質量減輕了1.6 kg，減小比例達18%以上，有助于新能源汽車的整車輕量化。

3.5 持續溫升試驗

溫度與溫升是評價電機運行穩定性、可靠性和安全性的2個關鍵指標，其中，溫升是指電機各個部件高出環境的溫度，是相對值。繞組溫升是電機的重要性能指標，溫升限值的控制與電機繞組所采用的絕緣等級有關，本文所選用的電機絕緣等級為F，即電機繞組溫度限制為155 ℃，一旦超過這一臨界值，電機絕緣材料就可能發生破壞，導致電機無法按預期正常工作，電機使用壽命大幅度縮減，甚至因運行狀況迅速惡化而導致電機損毀。為了給車輛用戶留有一定的安全余量，該電機控制策略設定為當繞組溫度超過130 ℃后，電機控制器將主動限制電機的輸出功率，以免繞組溫度進一步升高。電機持續功率是指電機可以持續使用的最高功率，在該功率下電機產熱與散熱達到平衡狀態。持續功率代表著電機穩定輸出的能力，與新能源汽車高速維持性能和爬坡能力密切相關，是電機關鍵參數之一。

圖11 不同方向隨爐試棒拉伸曲線

圖12 微觀組織對比

圖13 增材電機殼體CT掃描結果

表3 電機殼質量

Tab.3 Mass of motor housings

本文根據GB/T 18488.2—2015中的測試方法，對量產電機和采用增材殼體的電機分別進行了溫升試驗[17]，如圖14所示。試驗參數如表4所示，在室溫環境下，電機保持穩定狀態持續運行45 min，通過定子內置傳感器記錄電機溫度。結果顯示，采用增材殼體后，電機持續功率從原來的45 kW提升至50.7 kW，電機未超溫（≤130 ℃）。證明增材殼體冷卻效率提升，有利于釋放電機輸出潛能。

圖14 增材電機總成溫升試驗

表4 溫升試驗結果

Tab.4 Results of temperature rise test

4 結論

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

2）需要綜合考慮零件的變形量、支撐強度、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。電機殼體流道內部的支撐無法去除，因此要避免在內部流道添加支撐，合適的流道結構設計是保證流道成形質量的關鍵。

3）為避免增材零件內流道頂部掛渣或粗糙度過大，設計時應盡量避免平直面，可設計為圓弧或水滴形過渡。在必要時，可采用磨粒流加工對流道內表面進行打磨，以消除流道掛渣、凸起、毛刺等影響冷卻介質流動的打印、加工缺陷。

4）SLM增材制造零件成形精度較高，組織致密，力學性能優于鑄造零件力學性能，在相同力學強度要求下，壁厚可以設計得比鑄件壁厚更小，同時支持拓撲優化，進一步減少產品中的冗余結構，減重效果明顯。與量產電機殼體相比，采用增材制造技術制作的電機殼體外徑減小了5 mm，減重約19%，有助于實現汽車驅動電機的小型化和輕量化。

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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

重慶市教委科學技術研究項目（KJQN202203205）

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

鄧佳明, 朱茜, 陳浩銘, 等. 增材制造復雜流道水冷電機殼體對驅動電機持續功率影響的研究[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.