电机散热仿真分析

Q m3/h
结论： 不能单独的选择风扇总成， 结论： 不能单独的选择风扇总成，在确定水箱与风扇性能要求前必须进行 风扇与水箱的匹配，匹配的结果会极大地影响冷却模块的效率。 风扇与水箱的匹配，匹配的结果会极大地影响冷却模块的效率。
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风扇的选择
根据数据库中各类风扇的特性，选择满足几何条件的合适的风扇； 选择其工作转速， 根据数据库中各类风扇的特性，选择满足几何条件的合适的风扇； 选择其工作转速，如本例中转速约为 2800rpm的单风扇，相应的风机的噪声根据表中数据可以预测为 分贝左右。 的单风扇， 分贝左右。 的单风扇 相应的风机的噪声根据表中数据可以预测为78分贝左右
12. Telescopic Steering Motor 13. Tilt Steering Motor 14. Sunroof Motor 15. Power Curtain Motor 16. Engine Cooling Motor 17. Seat Motor for Side Support 18. Seat Motor for Lumbar Support 19. Blower Motor 20. Condenser Cooling Fan Motor 21. Servo Motor for Air Conditioner 22. Motor for In-Car-Sensor
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水箱风机匹配
散热系统的匹配
水箱和电 子风扇匹 配 电机和 风扇匹 配
P Pa
Step 2: 匹配合适的风扇总成
• 风扇 与风扇 相比，风扇 的最大 风扇1与风扇 相比，风扇1 与风扇2相比 效率高于风扇2 最大工作效率； 效率高于风扇 最大工作效率；
500 480 460 440 420 400 380 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
110
0.65 0.62 44.3 38,124
水箱进水温度 ℃ 82~111 水箱出水温度 ℃ 82~93
水箱部分
98 91 1.55 39060
冷却水流速 kg/s 1~3
水箱散热量 k Kal/h 结果验证
方案可行
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水箱和电 子风扇匹 配
寻找合适性能的水箱， 寻找合适性能的水箱， 合适性能的水箱 确定工作点： 确定工作点：
23. Blower Motor for Air-Purifier 24. Height Adjusting Motor 25. Motor for ABS 26. Stepping Motor for Idle Speed Control 27. 4WD Def-lock Motor 28. Stepping Motor for Odometer 29. Motor for Auto Drive System 30. Fuel Stop Motor
估算110KW 柴油发动机的冷却风扇模块的主要性能参数 例 ：估算
发动机功率 类型，型式 散热量 要求
发动机冷却模块校核
发动机功率 Ne KW 发动机类型 是否有增压
发动机部分 散热功率系数 0.5--0.75 发动机工作点 系数0.5--0.75 散热功率 KW 散热功率 k Kal/h 柴油机 No
TS
输入功率
T
Pin = U * I (Watts) 根据上面简化图，电路平衡公式： U = I*Ra + Eg 其中： U I Ra Eg Voltage Current Resistance. Counter EMF 电压 电流 电枢内阻 反电势 • 其中: S speed (rpm); T •Efficiency 效率
Flapper door 风门 SHROUD 护风圈
MOTOR
电机
FAN 风扇
• 按照电机数量分为: 单风扇和双风扇的冷却风扇总成 • 按照装配位置分为: 吹风式和吸风式; • 按照电机调速方式可以分为: 串电阻调速,串联调速和PWM控制调速
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电子风扇基本特性曲线
—— 静压 流量曲线 静压—流量曲线 Ｑ～Ｐ —效率曲线 η＝空气功率／输入功率 效率曲线 ＝空气功率／ —转速曲线 n 转速曲线 —功率曲线 功率曲线 输入功率 Ｗ —电流曲线 电流曲线 电流消耗
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Content
• Motor Basic
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Motors for Automotive 汽车用电机
01. Headlight Retractor Motor 02. Water Pump Motor 03. Front Windshield Wiper Motor 04. Rear Windshield Wiper Motor 05. Winshield Washer Motor 06. Headlight Washer Pump Motor 07. Door Lock Actuator Motor 08. Power Antenna Motor 09. Window Lift Motor 10. Seat Motor 11. Door-Mirror Motor
Content
• Motor Basic • CFM Basic
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Function of Engine Cooling Module
发动机冷却风扇的功用
用于发动机的冷却系统和空调系统等的水箱, 冷凝器等的风冷散热.
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Structure of Engine Cooling Module发动机冷却风扇基本结构
风扇1 风扇
水箱
风扇2 风扇
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Fra Baidu bibliotek
4000
4500
• 在工作点的处（150Pa）， 风扇 在工作点的处（ ）， 风扇1 的效率约为风扇2效率的一半 效率的一半； 的效率约为风扇 效率的一半； • 选择风扇 是更优的选择。 选择风扇2是更优的选择 是更优的选择。
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Content
• Motor Basic • CFM Basic • Design of CFM system
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散热系统的匹配
发动机功率 类型，型式
散热量 要求
水箱和电 子风扇匹 配
电机和 风扇匹 配
台架试 验验证
设计及修正确认
• 发动机的最大功率Ne • 发动机散热量系数k 汽油机: 0.85~0.95 柴油机: 0.60~0.75 增压型：系数增加 0.1~0.15
Input
+
• Advantages / Disadvantages (+/-)
• + Target speed/multiple speeds • + Efficient High Speed, Moderate Efficiency Low Speed • + Can be added to existing motor • + Can eliminate motor relays • - Requires control signal • - Added component • - Cost of Electronics • - EMC concerns (due to switching)
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•
其中 U
输入电压; I
电流
•由于摩擦阻力,风阻,磁阻和内电阻的损耗I2R, 电 机的输出功率小于输入功率: •Output power (shaft power) 输出(轴)功率 Ps = 2 * π *S / 60 * T (Watts) torque (Nm)
η= Ps/ Pin= 2 * π *S / 60 * T /(U * I )
风冷散热量 k Kal/h
结果验证
方案可行
0
0
500
1000 1500 2000
2500 3000 3500
4000 4500
Q m3/h
提示：不要认为现成的，装的上就行，就是节省！ 提示：不要认为现成的，装的上就行，就是节省！ 水箱1输出 输出2700立方 小时的风量所需的空气功率为 2700/3600*220=165 Wa 立方/小时的风量所需的空气功率为 水箱 输出 立方 小时的风量所需的空气功率为: 水箱2所需的功率为 水箱 所需的功率为 2700/3600*150=112.5Wa 由此可见水箱1需要的风功率相对水箱 增加了52.5W（47%）， 折算到冷却风扇电机的输入功率， 由此可见水箱 需要的风功率相对水箱2 增加了 需要的风功率相对水箱 （ ）， 折算到冷却风扇电机的输入功率， 增加了约175W。 估算增加了 增加了约 。 估算增加了CO2排放 约4g/100Km! 排放
•Motor Efficiency: • Brush Type 55% to 75% • •Fan Efficiency: • Axial Flow 30% to 55 % • •Overall Efficiency: • Fan Module 25% to 40%
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电机调速一： 电机调速一： Motors with Resistors
• 电机风扇试验 • 冷却模块试验 • 发动机匹配试验
•
初步设计定型
• 散热量Qw Qw=k*Ne*0.65
• 初选电机参数 • 初选风扇参数 功率，流量，风阻 几何尺寸等
• 初选水箱参数 • 初选风扇参数 功率，流量，风阻 几何尺寸等
• 关于发动机散热量的经验数据可以要求发动机供应商提供
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空气功率的计算： 空气功率的计算： Pf = Q * Ps 其中 Pf 空气／风扇功率 (Watts) Q 空气流量 (m3/sec) Ps 静压 (Pascal) • 有用的２条规律： • 冷却风扇＂堵＂的越利害（风阻大）时，流量越是小，功耗越是大，转速越是低。因此减 冷却风扇＂ 的越利害（风阻大） 流量越是小，功耗越是大，转速越是低。 小一切可能的风阻是设计高效冷却系统必须时刻考虑的要素； 小一切可能的风阻是设计高效冷却系统必须时刻考虑的要素； • 风扇的最高效率点在最大流量的 风扇的最高效率点在最大流量的0.55~0.70附近时，可以使保证系统效率最大化； 附近时，可以使保证系统效率最大化； 附近时
车用冷却风扇基础
夏 斐 2010
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Content
• Motor Basic 电机基础 • CFM Basic 冷却风扇基础 • Design of CFM system 冷却模块的设计校核 • Technic trend of CFM 冷却风扇的发展趋势 • Question and Answer 问题讨论
A
+
B
Switching Sequence
Low Speed High Speed A ON OFF B OFF ON
AMPS/SPEED
TORQUE FAN CURVE CURRENT HIGH SPEED LOW SPEED
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电机调速二： 电机调速二：Pulse Width Modulation (PWM)
35 70 150/220 2700 38912
P 300 Pa 280
260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
水箱风阻曲线
水箱1 水箱 水箱2 水箱
水箱进风温度 ℃ 25~50 水箱出风温度 ℃ 50~85
风冷部分
设定工作点静压 Pa 80~300 风流量m3/h 风流量m3/h
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风扇和电机的匹配
•Motor Efficiency • •Fan Efficiency = •
=
Ps Pin
Pf Ps Pf Pin
CURRENT (AMPS) I1 T1 TORQUE SPEED (R.P.M.) S1
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•Overall Efficiency =
•典型值
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直流永磁电动机基本结构
转子／电枢
定子 绕组
端盖
电刷组件
绕组电刷
电刷弹簧
刷盒
电刷引线
磁瓦 轴承 机壳
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Motor Equation
电机基本公式
n, I, η
Snlt
+
Snl
I ra U Eg
IS T,S
-
I0
Til •Input power
• Advantages / Disadvantages (+/-)
• + Target Speeds can be achieved • + Efficient High Speed / - Inefficient Low Speed • + Proven Warranty Record (In Production for 16 years)