封装工艺对电枢热导率影响的实验研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.07.015

摘要/Abstract

摘要：

车用电机为满足不同驱动结构的需求，通常会在高转速和高转矩之间做出选择。为实现车用电机的高效区优化，多样化的电枢结构被应用于各类电机。相对于静态电器中使用的电枢，车用电机电枢最显著的特征在于其普遍需要使用非金属材料进行封装。但目前对于具有封装工艺的各类电枢，鲜有模型能够对其轴向热导率进行合理的预测。本文选取包括发卡绕组、圆形漆包线、换位漆包线、圆形利兹线和矩形利兹线在内的9款车用电机常见的电枢结构进行了研究。首先设计了一款用于测量电枢轴向热导率的实验台架，并提出一种补偿实验台架误差的数学方法。之后测量了9款电枢在封装前后的轴向热导率差异。最后基于各类电枢的加工方法和实验结果，分别对“平行电枢”和“绞合电枢”提出了考虑封装工艺对其影响的轴向热导率数学模型和经验公式。

关键词: 车用电机, 绞合电枢, 热导率, 实验台架补偿

Abstract:

In order to meet the demand of various driving structures， electric motors for EVs usually have to make a choice between high speed and high torque. To optimize the high efficiency area of EV motors， multiple armature structures are applied to the motors. Compared with armatures used in static electric facilities， the most notable feature of EV motor armature is that they generally need to be varnished with non-metallic materials. However， few models can reasonably predict the axial thermal conductivity of armatures with the casting process. In this paper， 9 common armature structures of motor are studied， including hairpin winding， enameled wire， transposition wire， circular litz wire and rectangular litz wire. A test bench for measuring the axial thermal conductivity is established at first， and a mathematical method for compensating the tolerance of the experimental bench is proposed. Then， the axial thermal conductivity differences of 9 armatures before and after varnishing are tested and compared. Finally， based on the machining methods and experimental results of various kinds of armatures， the mathematical model and empirical formula of axial thermal conductivity for "Parallel Winding " and "Twisted Winding" armatures are presented respectively， considering the influence of varnish process.

Key words: motors for EVs, twisted armature, thermal conductivity, experimental bench compensation

李兆宗, 张承宁, 章恒亮, 张硕. 封装工艺对电枢热导率影响的实验研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1244-1253.

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图/表 27

图1

表1

图2

表2

样品信息"

样品	电枢类型	样品截面积 $A e$	扭转角 $θ$	绞合根数 $n$	内部单根线径 $D$ /mm	漆包线类型
#1	发卡绕组	$4.6 × 1.6$				Cu R-TD1
#2	圆形漆包线	$2.32 π$	$0 °$	20	0.5	Cu R-TD1
#3	换位漆包线	$4.2 × 4.0$	$18 °$	5	1.8	Cu R-TD1
#4	尼龙矩形利兹线	$3.0 × 3.8$	$30 °$	203	0.2	Cu R-HP1
#5	尼龙矩形利兹线	$5.6 × 4.6$	$26 °$	420	0.2	Cu R-HP1
#6	矩形利兹线	$6.6 × 6.0$	$24 °$	170	0.4	Cu R-HP1
#7	矩形利兹线	$6.8 × 6.0$	$22 °$	672	0.2	Cu R-TD1
#8	圆形利兹线	$3.32 π$	$26 °$	98	0.2	Cu R-TD1
#9	圆形利兹线	$5.12 π$	$26 °$	2 625	0.12	Cu OF-HP1

表2

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表6

λx计算结果"

样品		$λ x$ 计算结果/ （W·（m·℃）^-1）	$λ x$ 平均值/ （W·（m·℃）^-1）
矩形绞合电枢（有塑形工艺）	#3	110.74	113.10
	#4	112.23
	#5	108.11
	#6	100.32
	#7	134.09
圆形绞合电枢（无塑形工艺）	#8	48.45	45.84
圆形绞合电枢（无塑形工艺）	#9	43.23	45.84

表6

表7

表8

参考文献 15

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文献	电机类型	绕组类型	研究方法	模型特征	各向异性	实验误差
［6］	起动机	发卡绕组	解析法	根据发卡绕组在槽内的填充密度进行计算。	截面
［7］	驱动电机	圆形漆包线	解析法	通过槽内电枢在理想状态下的分布情况建立热阻网格模型，以此估算电机定子的传热行为。	截面/轴向
［8］	轮毂电机（轴向磁通）	圆形漆包线	经验参数	参考仿真软件中的经验系数对电枢模型赋值。	截面/轴向	8.7%
［9］	驱动电机	换位漆包线	等效介质	将漆换位排布后的漆包线等效为一定热导率的长方体模型进行估算，通过等效模型分析电机热行为。	截面	10.0%
［10］	驱动电机	圆形利兹线矩形利兹线	等效介质	通过圆环和方环模型表达利兹线截面方向热阻，并对二者进行对比。矩形利兹线有更好的传热能力。	截面	4.4%
［11］	驱动电机	圆形利兹线	解析法	根据利兹线电枢在槽内的填充密度计算热导率。	截面/轴向	12.0%
［12］	驱动电机	圆形利兹线	等效介质	通过六边形排布模型和随机模型表达了利兹线热导率。结果显示利兹线的实际热导率居于二者之间。	截面
［13］	未说明	圆形利兹线	解析法	通过解析计算研究了不同扭转角度对利兹线热导率的影响，将得到的等效热导率代入定子温度模型。	截面/轴向	12.5%
［14］	驱动电机	矩形利兹线	等效介质	通过多孔立方体模型表示了利兹线的导热系数。	截面	9.5%
［15］	未说明	矩形利兹线	有限元	提出用于简化利兹线内部导体排布的４种有限元建模方法，并进行比较。	截面

标识	详细信息	热导率/（W·（m·℃）^-1）
Cu R	裸铜线	401.00
Cu OF	脱氧铜线	394.00
Cu 101	纯铜［HC101］	391.00
Al	铝合金［HE30TF］	180.00
TD/HP/SH	漆包线搪瓷层	0.81
封装材料	Epoxylite 235SG	0.26

样品	原样品热导率/ （W·（m·℃）^-1）	封装后热导率/ （W·（m·℃）^-1）	增长率/%
#1	321.01	321.21	0.06
#2	307.33	308.43	0.36
#3	280.76	296.91	5.75
#4	193.72	216.77	11.90
#5	184.08	199.14	8.18
#6	197.05	209.51	6.33
#7	191.82	205.18	6.96
#8	201.35	208.73	3.67
#9	184.99	191.04	3.27

样品	预测值/ （W·（m·℃）^-1）	实验值/ （W·（m·℃）^-1）	误差/%
#3	297.23	296.91	0.11
#4	216.93	216.77	0.07
#5	199.82	199.14	0.34
#6	211.09	209.51	0.75
#7	203.08	205.18	-1.02
#8	208.36	208.73	-0.18
#9	191.43	191.04	0.20