摘要：本文主要通过压铸铝合金模具生产经验，讲述铝合金电机控制器外壳的产品设计要点，主要是对产品的壁厚，产品造型，冷却方案设计的内容描述，另外还介绍电机控制器壳体关于搅拌摩擦焊的应用。
关键词：新能源汽车电机控制器、铝合金产品设计
一、概述
经济飞速的发展导致能源资源日益紧缺、环境问题日渐严重。传统燃油汽车不仅大量消耗了石油资源，而且一定程度上破坏了自然环境。调查结果表明：世界石油供给超过一半用在交通领域，其中又有 3/4 消耗在路面交通，汽车尾气已成为空气主要污染源之一，严重威胁着人们的健康。
随着新能源汽车在家庭用车、公务用车和公交客车、出租车、物流用车等领域的大量普及，2020年中国新能源汽车的年销量，将达到汽车市场需求总量的5％以上，2025年增至20％左右。在国家碳排放总量目标和一次能源替代目录需求下，2030年新能源汽车年销量占比将继续大幅提高，规模超过千万辆。
电机控制器作为新能源汽车的核心部件之一，是汽车动力性能的决定性因素。它从整车控制器获得整车的需求，从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电动机，使得电机的转速和转矩满足整车的要求。因此电机控制壳体产品设计的好坏，直接影响新能源汽车性能。
二、电机控制器产品壁厚和造型
如下图所示为某电机控制器壳体，由主体、盖板、接头构成。
在保证控制器壳体强度性能的前提下，电机控制器的重量不能太重，重量太重会影响新能源汽车的续航里程，所以在设计产品的主壁厚时建议设置在4~5mm。
这样既保证了产品强度而且不会因为产品太厚在后续对产品机加工时出现内部的孔洞。如下图所示：
因产品壁厚过厚，在压铸生产时，产品内部产生了孔洞。这些孔洞会影响产品的气密性，电机控制器壳体使用过程中需要冷却液在产品中流动为IGBT发热元器件冷却。这些孔洞可能会使冷却液渗漏从而毁坏元器件，并且孔洞出现在螺丝孔里，螺丝也会无法锁紧。在壳体的四周侧壁壁厚可以设置为3~4mm，这样也可以保证强度的同时，减轻产品重量。壳体侧壁可以增加加强筋来增加产品强度，防止产品变形，如下图所示：
盖板的壁厚设计可以按照产品大小来确定，200mmm*200mm以下主壁厚设置在2.5~3mm，200mm*200mm以上按照3~4mm设计。产品中部用纵横交错的加强筋来防止产品变形，并且在加强筋交错的位置可以放模具顶出的顶针台。如下图所示：
另外，在盖板的边缘可以增加一圈的侧裙凸起，可以提高防尘防水的效果，如下图所示：
三、电机控制器冷却方案
控制器电子设备的稳定可靠运行是整车动力性和安全性的保障。研究发现，电子元器件的故障主要由高温引起，且故障率与芯片的温度成正比，温度每上升 10℃，电子设备的可靠性则降低一半。随着电子集成技术的快速发展，控制器内部元器件布置越来越紧凑，加之电机结构复杂、运行工况恶劣，使得控制器工作范围、过载能力和功率密度越来越大，热密度不断上升。控制器运行过程中大功率绝缘栅双极性晶体管 IGBT 模块产生大量热损耗且内部结构复杂紧凑，空气流通不畅，温度极易升高。若产生的热量不能及时散发出去，不仅影响 IGBT 的稳定运行和使用寿命，而且影响整车的工作性能。因此好的冷却系统是整车及电驱动系统稳定、安全、可靠地工作于正常温度范围的保证，电机控制器冷却系统的设计也变得尤为重要下图为某款电机控制器的IGBT安装示意图：
目前主要的冷却水道设计造型有几种方式，具体如下：
1、平直肋片式散热器，如下图所示
这种平直肋片式散热器，设计简单，方便实际开模生产，但是因为其平直的设计，不能增加冷却液的紊乱度。在冷却效果不够时，可以通过增加肋片高度，和肋片的密度，但肋片加高和加密之后，实际生产时模具在肋片部分就会很薄，模具容易出现崩缺和粘膜，不能实现连续性生产。这种平直肋片的设计，冷却液在流道中的速度较快，进出水口的压降较小，不会增加循环水泵的功率。
2、波纹肋片式散热器，如下图所示
这种波纹肋片式散热器，增加了冷却液在流动过程的紊乱度，提高了换热系数，增加散热能力。但是因为冷却液紊乱度增加后，流阻也随之增大，进出水口的压降也会增大，循环水泵的功率也需要相应增大。
3、叉排散热柱型，如下图所示
交叉排列的扰流柱，可以提高冷却液的紊乱度，和增加散热面积。但同时由于大量扰流柱的存在也增加了进出水口的压降，循环水泵的功率也要相应增大。扰流柱的排布不能太密、高度不能太高，在实际生产过程中，扰流柱的直径建议在5mm以上，高度在20mm以下。扰流柱高度太高容易出现冷隔或者欠铸，如下图所示：
另外扰流柱密度太高，模具相应的位置会很薄，模具容易崩缺，不能实现连续生产，模具寿命也大大降低。
针对以上三种主要的散热流道造型设计，各有优点和缺点，具体实际设计时需要通过使用软件模拟来确定最终的流道方案，既方便模具设计，压铸生产，又能使IGBT的工作温度不太高。
针对叉排散热柱型的散热流道，可以改变设计思路，如下图所示：
在扰流之间可以增加2mm~3mm宽的平直肋片，平直肋片高度低于扰流柱，这样可以继续增大散热面积，提高换热效果，并且扰流柱出现欠铸或者冷隔的机会大大降低。
四、电机控制器中关于搅拌摩擦焊的使用
1、搅拌摩擦焊介绍
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英国焊接研究所于 1991 年发明的一种新型的固相连接技术，最初应用于铝合金，为铝合金、镁合金等轻金属低熔点材料的焊接提供了一种崭新的途径。该焊接技术自发明以来得到了广泛的关注和应用。同传统的熔化焊接技术相比，FSW 的接头具有晶粒细小以及疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好的优点，可以较好的解决铝合金熔化焊接的难点。此外，其焊接接头不会产生与熔化有关的裂纹、气孔及合金元素烧损等焊接缺陷；焊接过程中无需填充材料、保护气体，焊接前无需进行复杂的处理工作；焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低。搅拌摩擦焊技术是一种新型固相连接技术，从发明到现在短短十几年时间，在国外已广泛应用于航天飞行器、铁路车辆、船舶及汽车制造工业等领域，产生了较大的经济效益和社会效益。它在铝合金焊接尤其是 2×××和 7×××高强铝合金的焊接中有其独特的优势（采用 FSW 技术焊接沉淀强化铝合金时接头强度通常可达到母材的90％），从而在航空制造工业中具有广阔的应用前景。该技术在大型薄壁铝合金结构件的制造中，无论从降低制造成本、减轻重量、还是从提高连接质量方面，都具有巨大的优越性。
2、搅拌摩擦焊的原理
搅拌摩擦焊基于金属材料极端的塑性变形。当搅拌针缓慢插入金属母材中时，因摩擦而生热而且搅拌头施加的压力导致金属机械变形，形成致密的焊缝并实现同质晶粒结构。其中搅拌工具主要有两个功能：一是利用摩擦生热加热金属材料，使之软化达到塑性状态，二是旋转时可以使材料流动以达到连接作用。原理如下图所示：
3.搅拌摩擦焊在电机控制器产品的应用
在过往的新能源汽车所用的电机控制器，是使用密封圈来对冷却液部分进行密封，然后随着使用年限增加，密封圈逐渐老化，需要定期检查电机控制器的密封性能，增加了新能源车的使用成本。随着搅拌摩擦焊在新能源汽车的应用，冷却液部分的密封圈将不再使用。如下图所示为电机控制器的冷却水道部分，在此水道上方增加盖板，然后使用搅拌摩擦焊沿着冷却水道部分的边缘把盖板和水道部分焊接在一起。
焊接后再把产品放入水中，然后通气测试其密封性能，对有渗漏的部分，进行重新焊接。
结语
随着国家大力推进新能源汽车发展，需要更多的新技术带动产业的发展。通过实际生产工厂经验辅助新能源汽车的产品设计定必会让新能源汽车发展更加迅速。
参考文献：
[1]郑小茂，张大童.7A04高强铝合金搅拌摩擦焊工艺及接头的组织与性能研究 2015.05
[2]高月仙，王淑旺.纯电动大巴大功率电机控制器冷却系统设计.2017.03
[3]申传有，黄恺.纯电动汽车电机控制器散热器的设计与优化。2014.03
论文作者:张泽威
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/11
标签：控制器论文; 冷却液论文; 电机论文; 所示论文; 新能源论文; 摩擦论文; 产品论文; 《基层建设》2018年第23期论文;