株齿胡晓岚:高速油冷电驱传动系统关键技术研究

NE时代

阅读 1246   更新于 2021-06-28 08:55:59

很高兴今天做这个交流,由我代替刘祥环博士做报告。报告分成四个部分,第一部分简单介绍一下公司情况。第二部分,高速油冷系统发展趋势。第三部分,高速油冷电驱系统技术瓶颈。第四部分,技术研究。

我们公司总资产15亿元,员工1000余人,是国家级高新技术企业,拥有国家认定的企业技术中心、博士后科研工作站和湖南省工程技术中心。我们下面有8个所近300名员工,我们新建了一个4000平米的实验室,里面含有20000转的三电机半消声室等测试设备,为我们公司的研发和测试奠定了坚实的基础。公司产品大致四个板块,轻型变速器、行星减速器、分动器、新能源变速器及纯电动力系统。

第二,高速油冷系统发展的趋势。随着新能源汽车一体化动力总成的发展,对高效、高功密、低噪音的需求,传统的风冷已经难以满足高温对动力总成的性能和寿命的影响,因此逐步被液冷所取代。油冷技术由于它有良好的散热效果包括润滑作用,得到了大力发展。我们根据现有的市场产品和自己的理解,将常见的油冷系统分成四大类。第一类是电机转子通过喷淋润滑,定子铁芯通过喷淋润滑,部分轴承通过主动喷淋润滑。还有定子转子通过转轴飞溅润滑,绕组通过喷淋润滑以及飞溅润滑。还有电机的定子通过喷淋润滑,齿轴系统通过主动润滑。转子和齿轴系统通过被动冷却,还有电机绕组通过主动润滑,齿轴系统是被动润滑。特斯拉的Model3以及华为的电机系统绕组和转子都是通过主动润滑,但是部分轴承系统通过被动润滑,齿轮是飞溅润滑。最后雪佛兰的电机系统转子、绕组都是通过主动润滑,齿轴系统是通过主动润滑。

通过上述对比分析可以知道,为了增大电机的冷却效果,保证温度均匀性,基本上达成一致就是对电机进行一个主动冷却。现在这些产品基本上电机定子的主动冷却都覆盖了,唯一不同的就是绕组以及转子的主冷却,还有一些厂商对轴承和齿轮进行主动润滑,最终的趋势应该还是电机的主动润滑加上齿轴系统的主动润滑。针对上述的发展趋势,进入到第三部分,高速油冷电驱系统技术瓶颈。主要包括应对轴承和齿轮系统润滑失效的润滑技术,针对电机、冷却、效率提升和轴承烧伤的冷却技术,再加上应对结合面渗油的密封技术。除了这几个技术,润滑油是三种技术的基础,也是冷却的介质,因此润滑油与电机以及电子元器件或者绝缘层的兼容性会影响到传动性能,也会带来一些安全问题,因此开发出一种兼容能力强、热学性能高、齿轮保护性能好的润滑油是急需解决的关键技术瓶颈。

第二个就是润滑分析技术。现在常见的润滑分析是通过移动粒子半隐式法分析润滑油流向,进行结构优化。好一点的是在一些关键点设立一些测试部位,监测一下这个部位的流量情况。但是这些只能是定性分析润滑效果,无法从定量或者本质上分析润滑流量是否能满足润滑效果。然后是冷却分析技术,常规的做法也是通过对电机、齿轴、壳体、油冷器进行耦合分析,或者通过热土网络法建立整车动力性模型,分析热特性。有限元法效率比较低,热土网络法效率高,但是精度差一些。还有这些模型很容易忽略掉传动系统中各热部件之间的耦合关系,因此开发出一种高效率、高精度、高可靠性的冷却分析技术是现在的技术瓶颈。

接下来是密封分析技术,我们知道随着转速增高、扭矩增大,颗粒的扭转变形加上震动都会影响到壳体的密封面,加上高速下的温水情况,影响壳体密封效果,包括转轴等密封性能,因此密封分析技术也是限制油冷技术发展的技术瓶颈。最后再回到润滑油上,我们公司做了大量的研究,表明润滑油多少会影响传动性能效率,油量过少会减弱润滑效果,润滑油太多一个是成本问题,还有损失过大会影响整体效率。因此我们需要一个合适的方法分析计算油量,既保证它的冷却润滑效果又可以把它的成本最优化。

针对上述技术瓶颈,我们需要针对一些关键技术进行研究,以攻克这些技术瓶颈。我们现在看一下高速油冷电驱系统的冷却情况,主要热源是电机、齿轮和轴承。在实际工作过程当中润滑油会对这些热源进行一个冷却,冷油会反馈到油冷器、壳体,进行热辐射。散热效果好坏会影响到绝缘寿命以及电机效率,更会影响到齿轮摩擦特性,包括壳体静力学。因此要想开展一些电气传动系统关键技术研究,主要还是围绕着电机、齿轮、轴承、壳体、润滑油这几方面开展。

首先是电机,油冷系统会存在电场、磁场、油场等多物理场,涉及到热力学、流体力学等多学科交叉,这些场之间会相互作用,影响到传动系统的性能。因此开展电机的多场耦合分析,是现在要进行的关键技术。还有电机作为一个主要的动力源以及发热源,会影响到效率和性能。如果开展出电机性能的分析计算电磁场包括产生的热负荷,通过这个来进行一个电机油道分析,温度的分析,润滑油粘度过低不容易吸附在齿轮和轴承需要润滑的表面,甚至会对密封的要求更高。但是如果粘度过高,流动性差,就会增大它的搅油损失,工作过程当中温升会改变粘度,粘度过低会造成润滑效果和冷却效果问题。因此开展润滑油粘度和温度的精细化分析也是一个比较关键的技术。

接下来是热效率齿轮动力学特性分析,齿轮高速运转过程当中齿轮间隙会形成油膜,热变形会改变尺寸间隙从而影响到齿轮油膜。接下来就是轴承,在高速运转过程当中轴承的离心力以及脱落力矩会使轴承滚珠产生热量,从而引起轴承、滚珠以及内外圈热变形,改变轴承支撑刚度,支撑刚度会进一步改变或者影响齿轮动力学特性。

接下来就是考虑油冷技术的壳体结构设计和轻量化。上述针对轴承、齿轮、电机热特性分析,如果在这个基础上确定壳体的油道,完成它的油嘴以及喷油量的控制,在此基础上完成壳体轻量化设计,这关系到电驱传动系统性能的好坏以及效力。这些震动和噪声都是通过课题来辐射并且进行放大的,因此在上述研究过程当中它的壳体静力学的情况下还应该研究模态,进行一些动力学研究,以此提高电机传动性能。还有高速油冷电驱传动系统的密封性仿真分析,如果通过粒子流法分析它的密封效果,也是很关键的技术。

综上我们可以看到齿轮和轴承、轴承与壳体、电机与轴承、电机与齿轮之间会相互耦合,这些耦合作用都会影响到总成系统的动态特性,因此我们开展电机与齿轴系统的耦合动力学分析对整个电驱系统性能有很大的作用。虽然电机系统看着比较简单,但是随着大家对转速、扭矩、效率、公里密度、震动噪声性能要求的提高,想要做好一款高性能的油冷电驱系统还是比较难的,需要突破一些技术瓶颈,当然这些都需要在座各位同仁一起努力。

我的汇报到此结束,谢谢大家!

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