• 保持涼爽：電動動力馬達的熱管理解決方案

設計電動馬達需要對可能影響馬達質量、性能和成本的不同技術有深入的了解 - 理想情況下是在設計選擇仍在考慮中且更改成本較低時。隨著電機變得更小、更輕、更強大，熱限制對電動馬達的最終性能產生了顯著的限制。僅在汽車市場中，應用就需要有效的熱管理系統，這是一個多階段的過程，需要考慮性能指標和適合當今市場的材料。

 

• 如何選擇合適的冷卻方法

基本上，電動車（EV）牽引馬達系統中的冷卻確保電氣元件能夠高效運作。用於 EV 牽引馬達的主要冷卻方法是水套冷卻和油噴冷卻。在這兩種方法中，水套冷卻被認為是最不複雜的冷卻方法之一。使用這種方法，內置的水填充外殼包圍定子，或馬達的靜止部分，並且進出口連接器使水能夠循環。定子冷卻是標準的熱交換結果。

在油噴冷卻過程中，熱量被噴灑在高負載下產生熱量的馬達組件上的油吸收。儘管這兩種方法的複雜程度不同，但根據應用，任何一種方法都可以提供強大的冷卻。

要選擇合適的冷卻方法，工程師必須對所使用的馬達的尺寸和類型的熱性能需求有很好的了解。特別是對於 EV 而言，馬達溫度過高會對車輛性能產生負面影響，而在這一領域的糟糕結果可能會阻礙車輛達到質量和安全規格。擁有動力馬達上的有效冷卻系統，工程師可能有更多的自由來採用更簡單的方法進行整個車輛的冷卻，包括電池冷卻、動力電子冷卻和暖通空調（HVAC）系統。

例如，在典型的汽油動力車輛中，恆溫器、冷卻液和散熱器一起從燃燒引擎中去除熱量。然而，在EV中，熱管理涉及不同的責任 - 冷卻電池、動力電子和動力馬達。因為EV輪轉是由馬達驅動的，所以電動動力馬達的運行溫度對車輛的性能至關重要。當負載增加時，馬達會從電池中吸收更多的能量並發熱。這提出了一系列越來越複雜的工程目標，其中包括熱電耦合挑戰。

為了優化系統設計，工程師們正在轉向模擬工具，以獲得準確的資訊，這些資訊可以支持設計變更和組件選擇的速度。單單考慮牽引馬達，就有幾個設計決策會影響整個車輛的功能。這，加上需要以更緊湊的形式提供增加的功率密度和能源效率的必要性，使熱管理成為更高效的電動馬達設計的核心。

 

• 電動馬達熱設計挑戰與應對

充電站提供的能源並非全部用於驅動馬達。能量可能因熱量、摩擦和其他因素而損失。有效管理熱量可以提高機械效率，特別是在功率密度增加的情況下。選擇合適的冷卻方法可以延長馬達的壽命，通過減緩絕緣老化、保持磁性材料在去磁溫度以下（對永磁電機而言）、應對已知的功率電子元件和潤滑劑的限制，以及限制阻力來提高壽命效率。

Ansys 提供了所有冷卻類型的多物理模擬能力，有助於實現首次成功的電動馬達設計，同時考慮了熱、電性能之間的密切相依性。Ansys Fluent 和 Ansys Maxwell 是提供無縫的雙向電磁和熱耦合的工具之一，並提供可擴展的計算能力，以應對電動馬達設計中的熱挑戰。

Ansys 的模擬和優化技術考慮了熱性能和電磁性能之間的密切相互關係，從而實現首次正確的設計。

 

• 如何選擇材料

面對高溫時，材料最終會超出其正常操作範圍，導致相變、軟化、熔化、降解和材料疲勞。例如，一些稀土金屬在過熱時會失磁，縮短馬達的壽命。工程師面臨的挑戰是在熱管理與現代耐熱材料成本之間取得平衡。

從選擇到供應鏈挑戰，材料管理在電動馬達設計的成功中扮演著重要角色。在 Ansys Granta MI 中可以找到定子線圈、熱絕緣、轉子軸等關鍵零件的材料數據。確保多物理模擬使用最準確的材料模型，包括結構、熱和電磁性能，對於虛擬原型設計至關重要。

 

• 在電動動力馬達設計流程中管理熱量分布

Ansys為工程師提供了一個整合的工作流程，讓他們可以探索設計需求並在針對電動馬達設計師特別創建的工程工作流程中進行權衡。該解決方案支持工程師通過Ansys Motor-CAD中的早期決策，如馬達尺寸選擇，以進行詳細的電磁、熱和機械分析。該解決方案還包括Ansys optiSLang過程集成和設計最佳化（PIDO）軟體以及一個整合的工具鏈，可以無縫地連接模擬平台中的軟體。Ansys的解決方案有助於考慮到熱性能、噪音、振動和粗糙度（NVH）以及跨電動輔助系統中所見的電磁性能之間的密切關係。

 

Authors
Saeed Jahangirian
Principal Engineer, Ansys
Kim Woodham
Product Marketing Manager, Ansys

資料來源：ANSYS BLOG