汽車刮水電機熱分析計算

秦　英，靳　曲，楊長澤（華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧沈陽　110141）

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汽車刮水電機熱分析計算

秦英，靳曲，楊長澤
（華晨汽車工程研究院電子工程室，遼寧沈陽110141）

摘要：針對汽車刮水電機日益凸顯的溫升熱問題，應(yīng)用Fluent有限元仿真軟件，在電機損耗的基礎(chǔ)上，計算分析電機的三維溫升分布，確定了溫升最高點。計算結(jié)果對同類電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的工程實用性。

關(guān)鍵詞：刮水電機；有限元；溫升

刮水器系統(tǒng)是汽車車身必備的安全裝置，它是用來清除汽車駕駛室前后擋風(fēng)玻璃上的霜雪、雨水、塵埃等物質(zhì)，保證駕駛員有一個清晰的視野以確保行車的安全［1］。刮水電機作為刮水器系統(tǒng)的核心動力源，其性能的好壞直接決定刮水器系統(tǒng)的品質(zhì)性能。在國際汽車電器行業(yè)中，刮水電機一般采用永磁直流電機結(jié)構(gòu)，此類電動機具有體積小、質(zhì)量輕、構(gòu)造簡單、運行可靠、效率高、形狀和尺寸可靈活多樣等顯著優(yōu)點［2］。

目前，基于成本原因，刮水電機均采用價格低廉的鐵氧體永磁材料，因空間受限于車身，所以對刮水電機本身的電流、效率、溫升、震動等指標提出嚴格要求。隨著單機容量增大，功率密度增加，溫升問題越發(fā)嚴重，設(shè)計不當將對電機壽命和運行可靠性都帶來嚴重影響［3］。

1　基本參數(shù)

本文以某一車型刮水電機為例，做溫升試驗研究，其各項基本參數(shù)如下：額定功率60 W，額定電壓12 V，極數(shù)2極，槽數(shù)12?；陔姍C鐵心損耗、繞組損耗等，利用有限元計算軟件Fluent，計算分析電機的三維溫度場分布，給出溫升具體數(shù)值的同時找出電機內(nèi)部溫升最大點，計算分析結(jié)果對刮水電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計具有重要的工程意義。

2　三維溫度場的計算

2.1計算模型的建立

應(yīng)用Fluent軟件計算溫度場時，作如下假設(shè)：①穩(wěn)態(tài)：當發(fā)熱與散熱達到平衡時，繞組鐵心等各部件的溫度不隨時間變化；②常物性：固體所用材料密度、比熱以及導(dǎo)熱系數(shù)都為常數(shù)；③集電環(huán)勻速旋轉(zhuǎn)，損耗均勻分布，即集電環(huán)為一均勻熱源；④單位熱源均勻分布，并且為常數(shù)；⑤環(huán)境溫度為常數(shù)。電機各部件的材料屬性見表1。實體模型電機徑向如圖1所示。

圖1　電機徑向剖面圖

表1　電機各部件材料屬性

2.2熱源

有限元分析電機模型得出電機各損耗值如表2所示。晶閘管和二極管為外電路元件，其損耗不引起電機溫升改變。引起電機溫度升高的主要為繞組銅耗、鐵耗及換向器與電刷之間的摩擦損耗，故電機內(nèi)熱源為銅繞組、鐵心和換向器。

表2　電機損耗值

3　結(jié)果分析

電機工作環(huán)境溫度27℃，工作時其電機徑向剖面溫度分布和各部件溫度分布見圖2。由圖2可知，電機電樞繞組溫升最高（圖2b），溫度最大值81.5℃，繞組及轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量大部分經(jīng)氣隙傳遞給定子，由機殼將熱量散失到周圍空氣中；因整個鐵耗幾乎都在轉(zhuǎn)子上，定子損耗很小，故整個轉(zhuǎn)子鐵心部分溫度較高（圖2c），集電環(huán)溫升為28℃（圖2d）；定子溫度較低（圖2e），永磁體（圖2f）最高溫度為54.5℃，溫升為27.5 K，永磁體不產(chǎn)生退磁。機殼與周圍空氣進行熱交換，將電機內(nèi)部熱量散失到周圍環(huán)境中。

4　結(jié)論

本文給出了三維溫度場的仿真計算方法，計算出刮水電機溫升最高區(qū)域為轉(zhuǎn)子繞組端部，溫度最大值為81.5℃，轉(zhuǎn)子、換向器及繞組周圍溫升較高，而電機定子發(fā)熱較小?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，可以通過優(yōu)化電磁方案、改進電機轉(zhuǎn)子工藝結(jié)構(gòu)，以降低電機溫升，提高電機性能，方法：轉(zhuǎn)子鐵心采用徑向通風(fēng)道結(jié)構(gòu)，采用0.35mm硅鋼片等。本文給出的分析方法對于解決刮水電機溫升問題，指導(dǎo)此類電機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計具有工程實用性。

圖2　電機徑向剖面溫度分布和各部件溫度分布

參考文獻：

［1］李飛.汽車雨刮電機電磁干擾分析及抑制研究［D］.重慶大學(xué)，2010.

［2］竇曉霞.汽車電動雨刮器總成（CAD）系統(tǒng)-雨刮電機設(shè)計［J］.北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，1997.

［3］Sun Bi-jiao，He Jing.A Comprehensive Review of Key Technologies for Unmanned Undersea Vehicles in US Navy［J］.Torpedo Technology，2006，14（4）：7-10.

（編輯心翔）

Thermal Analysis to Automobile Wiper Motor

QIN Ying，JIN Qu，YANG Chang-ze
（Electrical Engineering Lab，Brilliance Auto R&D Centre，Shenyang 110141，China）

Abstract：Focus on the increasingly prominent thermal problem of the wiper motor，the author uses finite element simulation software Fluent to simulate the 3D temperature distribution in the motor based on the motor loss，and then identifies the highest temperature spot.The result has important engineering practicability in designing similar cooling system.

Key words：wiper motor；finite element；temperature increase

中圖分類號：U463.85

文獻標識碼：A

文章編號：1003-8639（2016）06-0049-02

收稿日期：2015-12-04；修回日期：2015-12-14

作者簡介：秦英（1987-），男，遼寧阜蒙人，電子工程師，碩士，主要從事汽車刮水洗滌系統(tǒng)研究。