汽车刮水电机热分析计算

秦　英，靳　曲，杨长泽（华晨汽车工程研究院电子工程室，辽宁沈阳　110141）



汽车刮水电机热分析计算

秦英，靳曲，杨长泽
（华晨汽车工程研究院电子工程室，辽宁沈阳110141）

摘要：针对汽车刮水电机日益凸显的温升热问题，应用Fluent有限元仿真软件，在电机损耗的基础上，计算分析电机的三维温升分布，确定了温升最高点。计算结果对同类电机冷却系统的设计具有重要的工程实用性。

关键词：刮水电机；有限元；温升

刮水器系统是汽车车身必备的安全装置，它是用来清除汽车驾驶室前后挡风玻璃上的霜雪、雨水、尘埃等物质，保证驾驶员有一个清晰的视野以确保行车的安全［1］。刮水电机作为刮水器系统的核心动力源，其性能的好坏直接决定刮水器系统的品质性能。在国际汽车电器行业中，刮水电机一般采用永磁直流电机结构，此类电动机具有体积小、质量轻、构造简单、运行可靠、效率高、形状和尺寸可灵活多样等显著优点［2］。

目前，基于成本原因，刮水电机均采用价格低廉的铁氧体永磁材料，因空间受限于车身，所以对刮水电机本身的电流、效率、温升、震动等指标提出严格要求。随着单机容量增大，功率密度增加，温升问题越发严重，设计不当将对电机寿命和运行可靠性都带来严重影响［3］。

1　基本参数

本文以某一车型刮水电机为例，做温升试验研究，其各项基本参数如下：额定功率60 W，额定电压12 V，极数2极，槽数12。基于电机铁心损耗、绕组损耗等，利用有限元计算软件Fluent，计算分析电机的三维温度场分布，给出温升具体数值的同时找出电机内部温升最大点，计算分析结果对刮水电机的结构设计、冷却系统设计具有重要的工程意义。

2　三维温度场的计算

2.1计算模型的建立

应用Fluent软件计算温度场时，作如下假设：①稳态：当发热与散热达到平衡时，绕组铁心等各部件的温度不随时间变化；②常物性：固体所用材料密度、比热以及导热系数都为常数；③集电环匀速旋转，损耗均匀分布，即集电环为一均匀热源；④单位热源均匀分布，并且为常数；⑤环境温度为常数。电机各部件的材料属性见表1。实体模型电机径向如图1所示。

图1　电机径向剖面图

表1　电机各部件材料属性

2.2热源

有限元分析电机模型得出电机各损耗值如表2所示。晶闸管和二极管为外电路元件，其损耗不引起电机温升改变。引起电机温度升高的主要为绕组铜耗、铁耗及换向器与电刷之间的摩擦损耗，故电机内热源为铜绕组、铁心和换向器。

表2　电机损耗值

3　结果分析

电机工作环境温度27℃，工作时其电机径向剖面温度分布和各部件温度分布见图2。由图2可知，电机电枢绕组温升最高（图2b），温度最大值81.5℃，绕组及转子产生的热量大部分经气隙传递给定子，由机壳将热量散失到周围空气中；因整个铁耗几乎都在转子上，定子损耗很小，故整个转子铁心部分温度较高（图2c），集电环温升为28℃（图2d）；定子温度较低（图2e），永磁体（图2f）最高温度为54.5℃，温升为27.5 K，永磁体不产生退磁。机壳与周围空气进行热交换，将电机内部热量散失到周围环境中。

4　结论

本文给出了三维温度场的仿真计算方法，计算出刮水电机温升最高区域为转子绕组端部，温度最大值为81.5℃，转子、换向器及绕组周围温升较高，而电机定子发热较小。基于理论分析结果，可以通过优化电磁方案、改进电机转子工艺结构，以降低电机温升，提高电机性能，方法：转子铁心采用径向通风道结构，采用0.35mm硅钢片等。本文给出的分析方法对于解决刮水电机温升问题，指导此类电机的冷却系统设计具有工程实用性。

图2　电机径向剖面温度分布和各部件温度分布

参考文献：

［1］李飞.汽车雨刮电机电磁干扰分析及抑制研究［D］.重庆大学，2010.

［2］窦晓霞.汽车电动雨刮器总成（CAD）系统-雨刮电机设计［J］.北京联合大学学报，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.

（编辑心翔）

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

中图分类号：U463.85

文献标识码：A

文章编号：1003-8639（2016）06-0049-02

收稿日期：2015-12-04；修回日期：2015-12-14

作者简介：秦英（1987-），男，辽宁阜蒙人，电子工程师，硕士，主要从事汽车刮水洗涤系统研究。