摘要：采用Icepak熱分析軟件對電機高低溫循環(huán)測試環(huán)境進行了建模，并結合MotorCAD的計算結果，分別分析某型號EPS電機電樞在溫度范圍-40～+80 ℃下，高速風和低速風兩種條件下發(fā)熱功率為36 W的電樞的實測溫度，并進一步分析了環(huán)境溫度為20 ℃不變，風速從50～15 800 mm/s條件下電樞的測試溫度變化情況。結果表明，在相同的環(huán)境溫度下，電樞的溫度會隨著風速的增加而降低，且在低溫情況下兩者的差距最大。

關鍵詞：高低溫；電機；溫度；風速

中圖分類號：U472.9 收稿日期：2024-05-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407006

1 前言

汽車EPS電機是指安裝在汽車電動助力轉向系統(tǒng)中的電機，EPS是Electric Power Steering的縮寫，意思是電動助力轉向系統(tǒng)，汽車EPS電機用于提供汽車轉向助力。與傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)相比，汽車EPS電機具有更高的效率、更輕便的設計和更高的可靠性，是現(xiàn)代汽車中的重要技術之一［1］。EPS電機的主要目的是提供轉向助力，這種系統(tǒng)以電力輔助駕駛員進行轉向，而不是傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)。

EPS電機的主要傳動結構通常由驅動電機和齒輪箱組裝而成，驅動電機可以是直流電機、步進電機、空心杯電機等。EPS電機的主要優(yōu)點包括節(jié)能、環(huán)保，因為它幾乎不直接消耗發(fā)動機燃油，同時裝配靈活，能夠在多種狀況下提供轉向助力。此外，EPS電機還具有調整簡單的特點。某型號的EPS電機全自動化產(chǎn)線已運行數(shù)年，為了適應電機市場的需求，即將引進第二條生產(chǎn)線。由于EPS電機屬于低電壓電機，經(jīng)常處于大電流的工作模式，在其為汽車提供轉向助力的工作過程中，會因為其功率密度較大而產(chǎn)生較大的焦耳熱量。

高低溫循環(huán)試驗是指在一定溫度范圍內(nèi)，通過不斷變化的高低溫環(huán)境對產(chǎn)品進行循環(huán)性能測試的一種實驗方法，旨在模擬產(chǎn)品在實際使用過程中所受到的高低溫環(huán)境變化，以評估產(chǎn)品在不同溫度條件下的性能穩(wěn)定性和可靠性。

2 EPS電機整機溫循試驗參數(shù)分析

通常針對電機整機或其他需要進行高低溫溫循或老煉試驗等測試環(huán)節(jié)，高低溫環(huán)境的構造采用烘箱實現(xiàn)（圖1）。烘箱的工作原理與空調房類似，通過鼓風機把加熱線圈或制冷線圈上的熱量吹到烘箱腔體內(nèi)部，當需要升溫時，加熱線圈工作，風扇送出高溫氣體；當需要制冷時，制冷線圈工作，風扇送出低溫氣體［2］。通過對加熱（制冷）線圈的控制以實現(xiàn)烘箱高溫和低溫環(huán)境的營造，同時采用閉環(huán)控制技術對風量進行控制，以便進一步實現(xiàn)溫度的精確控制。

為了分析EPS電機在周期性工作時并在烘箱營造的高低溫環(huán)境下的主要結構組件溫度變化情況，采用ANSYS Icepak熱仿真軟件對不同溫度條件、不同風速條件下電機溫度場的變化進行熱物理場分析，從MOTOR-CAD的電磁模型計算得到，某型號電機電樞熱損耗為36 W，即在Icepak中設置電機的老煉試驗發(fā)熱功率為36 W。

21 整機溫循參數(shù)分析模型簡化

熱量的傳遞包含熱傳導、熱對流、熱輻射三種形式。

211 熱傳導

物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱能傳遞稱為熱傳導（heat conduction）。導熱現(xiàn)象的規(guī)律總結為傅里葉（Fourier）定律：

[?=-λAdtdx] （1）

式中，[λ]為比例系數(shù)，又稱為導熱率或導熱系數(shù)。

212 熱對流

熱對流（heat convection）是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混所導致的熱量傳遞過程。熱對流僅發(fā)生在流體中，由于流體中的分子同時進行著不規(guī)則的熱運動，因而熱對流必然伴隨有熱傳導現(xiàn)象。

熱對流分為自然對流和強制對流兩大類。

流體被加熱時：

[q=h（tw?tf）] （2）

流體被冷卻時：

[q=h（tf?tw）] （3）

式中，[h]為表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

213 熱輻射

物體通過電磁波來傳遞能量的方式稱為輻射。物體會因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射的現(xiàn)象稱為熱輻射［3］。一切實際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體。實際物體輻射熱流量的計算可以采用下式：

[?=εAσT4] （4）

式中，T為黑體的熱力學溫度；[σ]為玻爾茲曼常數(shù)；[A]為輻射面積；[ε]為物體的發(fā)射率。

22 整機溫循參數(shù)分析仿真模型

熱量的傳遞包含對流、傳導、輻射三種形式［4］，烘箱內(nèi)部溫度的控制主要通過空氣對流的方式進行。因此，當電機在烘箱內(nèi)進行帶電測試時，需要結合用戶需求考慮烘箱內(nèi)氣流的對流對電機各部件溫度的影響［5］。

221 不同溫度、不同風速下的電機發(fā)熱仿真

如圖2和圖3所示，從環(huán)境溫度-40～+85 ℃全范圍內(nèi)，當電機在測試時刻，烘箱內(nèi)部風速開啟且處于高風量情況下，電樞溫度總是低于烘箱內(nèi)低風速下的溫度。也就是說，如果為了調整烘箱內(nèi)的溫度而需要長時間保持較高的風量運行，則有可能導致測試結果與不需要長時間保持高風量運行的烘箱內(nèi)部的測試結果不一致。

進一步地，當處于低溫測試時，兩種情況下的測試結果會出現(xiàn)較大的偏移，偏差值最大能達到-30 ℃，隨著環(huán)境溫度的升高，在高風速和低風速條件下電機的發(fā)熱導致的溫差逐漸減小，當環(huán)境溫度升高到80 ℃時，兩種條件下的溫差小于20 ℃。即在低溫-40 ℃和高溫80 ℃兩種環(huán)境條件下，相同的電機發(fā)熱功率情況下溫度差值也高達10 ℃。這一數(shù)據(jù)充分表明，在低溫測試時電機性能出現(xiàn)的測試數(shù)據(jù)偏差會大于高溫時的情況。在高低溫條件下，當電機性能測試數(shù)據(jù)讀取時刻烘箱內(nèi)部風速不同也會導致測試結果不同。

2.2.2 相同環(huán)境溫度、不同風速下的電樞溫度場分析

在Icepak中設置環(huán)境溫度為20 ℃，分別設置相應的進出風溫度為20 ℃，調整不同的風速獲得圖4所示的溫度云圖。根據(jù)MOTOR-CAD的計算結果設置電樞發(fā)熱功率為36 W，得到電樞溫度為106℃，與MOTOR-CAD計算結果107 ℃接近，證明模型簡化與網(wǎng)格劃分以及分析計算初始狀態(tài)設置合理。

如圖4所示，烘箱內(nèi)部設置的環(huán)境溫度為20 ℃且不變化的情況下，隨著烘箱內(nèi)風速的增加（風向從下向上），在相同環(huán)境溫度和電機電樞發(fā)熱功率條件下，電樞表面的實際溫度由于氣流對流帶走電樞熱量而逐漸下降，從最初的107 ℃下降到37 ℃，對比圖4a和圖4b；當風速僅僅增加2 000 mm/s時，溫度從107 ℃降到了64 ℃。圖4b的2 500 mm/s風速是烘箱內(nèi)風扇工作時的典型風速之一。

3 結語

分別針對不同環(huán)境溫度下且在高低風速下電樞溫度與同樣環(huán)境溫度不同風速下電樞溫度的變化情況進行了仿真分析。通過分析結果可知，采用風扇吹風利用熱對流方式實現(xiàn)烘箱內(nèi)溫度控制的烘箱，在對帶電工作電機進行性能測試時，電機溫度分布受烘箱內(nèi)氣流速度影響較大，當氣流速度變化較大時，會出現(xiàn)較大的偏差，從而出現(xiàn)測試結果失真。

關于烘箱內(nèi)溫度場的構造和氣流風速對測試結果的影響大小，可推廣到相關采用烘箱進行可靠性測試、性能測試、老煉測試等各類測試環(huán)節(jié)中的工裝設計和測試參數(shù)調整，以降低測試結果偏差，提高測試的一致性和可靠性。

采用烘箱構造測試環(huán)境溫度時，烘箱內(nèi)氣流流動速度會嚴重影響電機溫度，較大的氣流流動速度會降低電機的實際測試溫度，在實際測試中需要考慮風速對電機測試準確性和一致性的影響。

參考文獻：

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[2]Tony KordybanMore Hot Air笑談熱設計[M]李波譯北京：機械工業(yè)出版社，2014

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[4]胡志強電機制造工藝學[M]北京：機械工業(yè)出版社，2019

[5]Lope I，Acero J，Carretero CAnalysis and optimization of the efficiency of induction heating applications with litz-wire planar and solenoidal coils[J]IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（7）：5089-5101

作者簡介：

崔浪浪，男，1987年生，高級工程師，研究方向為智能制造。