国外压铸技术：新能源汽车驱动电机外壳铸造与合金概述

驱动电机多功能集成外壳体

概述

遵守在未来二氧化碳排放限制的要求，将极大地推动电动汽车驱动装置的发展。同时，从混合动力驱动到插电式混合动力，再到电机纯电池驱动，所涵盖的汽车类型范围必须要广泛。目前，尚处于概念阶段的电机在设计、规格、性能和量产规模方面均存在各种各样的变型结构。本文对外壳生产以及可使用的铸造工艺和铸造合金进行了概述。 被用于混合动力或电池电驱动汽车中的第一代电机特点，在于集成度低的简单及模块化安装外壳零件。因为最初只是针对内燃机汽车开发的现有汽车架构或车身概念和部件。

电气驱动领域最初非常广泛的技术可能性，以及关于哪些系统被优选作为轿车驱动系统的开放性视角，造成了电机相对简单且外壳结构形状不太复杂。外壳、定子安装套、传动法兰和电控装置的外壳采用单独部件设计，主要采用铝压铸件设计。为了实现电机的主动冷却，外壳采用的是多个部分（外部外壳和内部定子安装套）一体式解决方案。如图1所示。这种单部件解决方案适用于压铸，在设计发生较小变更时更为灵活，更适合较小吨位的压铸机。

设计理念发生根本变化

较新一代铸造技术概念的框架条件发生了根本性变化。与此同时，独立汽车平台有针对性地为产量显著增多的电驱动装置而设计。此外，对重量轻、结构空间受限、比功率和效率高以及整体成本低的要求大大增加，这又进一步推动了电机架构的变化。

组件及功能高度集成

优化方法其中之一是提高组件集成度。也就是说，将多个单独铸造的部件，如外壳、传动机构和电控设备等，通过各种连接技术组合到一起，然后安装到一个外壳内。组件集成解决方案的生产技术优势在于，它通过省去关键接口，从而有效降低了成本。在汽车应用中，减轻重量和故障安全性方面也存在很大潜力。 除了组件集成之外，功能集成还提供了另一个降低成本和重量，并改善性能的方法（图2）。冷却介质或其他流体通道的导向是通过失芯技术直接将它们导入到铸件中实现的。因而增加了用于优化冷却通道的自由空间。这些概念可以优选在硬模或砂型铸造中实现。在这里，通过使用为铝压铸而开发的气体注射技术表明了一种新的技术选择项，该技术在不使用型芯的情况下，可以在压铸件中形成一个中空通道。从生产技术方面来看，在铝部件压铸过程中，气体注射过程窗口因迅速固化而受到限制，这就要求提高精确工艺控制的需求和认知。

在阿伦HTW/铸造技术（大学教授Dr. Kallien）的一个研究项目中，人们制定出了带螺旋形冷却通道的简化演示电机外壳所需的过程（图3）。通过在压铸电机外壳的批量生产中实施气体注射技术，未来可实现一体式外壳设计，因而有望获得比两部分解决方案更显著的成本优势。

在第三个阶段形成了组件和功能集成的复杂组合外壳。在这些电机外壳中，电控设备和传动机构的单个部件都被集成到了外壳内，此外，介质导向通道（油，冷却介质等）可能也包含在这个外壳中。这些复杂的外壳只能被用于硬模工艺中或者说优选被用于砂型铸造工艺中（CPS工艺）。

基于在高应力气缸曲轴箱量产方面积累的多年经验，CPS工艺在电机外壳方面的应用一直在不断发展。通过使用外冷铁，可以将局部结构优化技术转移到定子支撑套的铸造过程中。由于会发生收缩，并且因而会导致产生用于固定定子的高周向应力，因此，定子支撑套能够承受增加的机械强度。此外，快速定向固化过程可以大大减小结构中的孔隙率。由此可以提高电机运行过程中的泄漏安全性。

此外，用于设计特别紧凑的铸造设计的经验来自于气缸曲轴箱的生产。这使在许多情况下严重受限的新型电机外壳结构空间可以得到最佳利用。特别值得一提的是，针对硬模和CPS工艺，人们已经开发出了用于表示复杂螺旋形或弯曲流体流动通道的新生产技术解决方案，同时，这一解决方案也适用于新一代电机中（图4）。

冷却概念

对电机而言，优化的外壳设计及冷却通道设计对后续运行具有决定性意义。同时，还必须优化管道设计，以实现无故障和经济高效的生产过程。这项任务优选可以通过模拟工具的使用得以实现。

冷却通道的设计

图5：水道设计结构的对比：a）弯曲管道形状的初始设计，b）功能和生产技术优化的弯曲管道形状，c）螺旋状水道型芯。冷却介质流动速率（上），冷却介质中的压力损失（中）以及外壳中的温度分布（下）均被考虑在了其中。 复杂的冷却通道（弯曲或螺旋状）对集成电机外壳的生产提出了挑战。在计算机流体动力学（CFD）计算的帮助下，人们开发出了功能性解决方案，与此同时，还特别考虑到了最佳生产技术的要求。图5示出的是针对AVL List GmbH外壳而进行的各种CFD计算结果。 1、 图a ：基于其生产只能依靠高度复杂模具实现的弯曲参考几何图形，计算出了两种可供选择的冷却通道几何图形，在工时耗费更短的同时，它们具备更高的工艺可靠性。

2、 图b ：在流动阻力较低的弯曲铸模中插入支撑，从而提高砂芯的刚度。流动计算清楚表明，这种几何形状的调整并不会对冷却通道的效率造成影响。 3、 图 c ：此处计算出了一个螺旋形状。实际上，螺旋形状具有明显更大的冷却表面，并且可以增加流动冷却介质的湍流，从而改善热传输效果。但是，其缺点在于，其电机纵轴上存在超过30K的明显温度梯度。 使用CFD模拟的一个基本优势是可以显著缩短开发时间。

压铸工艺冷却通道设计

目前最常用的电机外壳冷却解决方案之一是螺旋形水套。上述纵轴上温度梯度的特点是在保持压铸机可制造性的前提下，需优化冷却管道几何形状的原因所在。受到来自电子设备或房屋供暖热交换器的启发，人们开发出了销钉式水套概念（图6）。销钉式水套和螺旋状水套的冷却介质表面几乎是相同的。主要区别在于冷却剂体积。销钉式水套只需要螺旋通道体积的四分之一，也就是说，表面/体积比明显更有利。

图6：带销钉式水套的内壳横截面

为了量化销钉式水套冷却效果的效率，利用CFD软件实现了冷却介质的流动和热交换。内壳温度分布计算结果如图7所示。模拟结果在专门为此而开发的测试台上得到了验证： 1、 第一个测试台可以使冷却介质流直接通过有机玻璃外壳。流动模拟和透明模型表现出了很好的相符性。

2、 第二个测试台应被用于验证热传导结果。事实证明，通过模拟预测的压力损失与实测值有很好的相关性。温度分布与测试台上的测量值也存在关系。需要注意的是，在使用销钉式水套时，即是在高达7千瓦的热损失功率条件下，外壳本身温度也保持在90℃以下（表1）。

电机外壳合金材料的选择

在运行过程中，对电机外壳提出通过适当选择铸造合金和热处理才能满足的各种要求。同时，需要注意的是，铸造工艺的选择可以控制铸件的质量和机械性能。这些要求主要受以下因素控制：

1、 将定子压入到内壳（定子支撑套）中，产生的应力要求材料具有高强度和伸长率的合金：2、使用过程中具备尺寸稳定性：适用于进行热处理的铸造材料，3、 避免表面和接触腐蚀，尤其是外壳露在外面的密封表面：使用耐腐蚀合金，4、 屏蔽干扰电磁场：所用材料具有电磁兼容性。 原则上必须检查可用的标准铸造和金是否具备所需特性，以便在必要时尽早启动有针对性的材料开发工作。金属成本被包含在了整体分析中；鉴于电机的巨大成本压力，高价特殊合金被排除在外。图8示出的是可用于各种铸造工艺中的合金成分及其适用性。

图8：符合EN 1706标准的铸造合金一览表：a）最大铁含量示意图，适用于各种铸造工艺。低铁含量在使用初级制造铝方面要求更高，并且会提高金属价格。b）铝合金可承受的最大铜含量。随着铜含量的增加，耐腐蚀性特性会变弱。

为了能够将定子压入到定子支撑套中，对强度和延展性有最低要求。在这种情况下，目标与金属成本之间存在目标冲突；较高的可承受铁含量可以降低金属价格，但同时也会降低金属的延展性。对于两部分压铸解决方案，存在关于140兆帕0.2%弹性极限应力 (Rp0.2)和 1%的断裂伸长率的最低要求，这可以通过标准合金EN AC-AlSi9Cu3 (Fe)得到满足。

在批量生产中，高于180兆帕的较高的0.2%的延展极限值只能通过T5热处理才能实现。在对强度和伸长率要求更高时，需要进行T6热处理，并使用具有更高延展性的合金，例如EN AC-AlSi8Cu3，它可被用于CPS和硬模压铸工艺过程中（图9）。需要注意的是，铸造状态下的部件是最具成本效益的解决方案，T5热处理的成本效益比双级T6热处理更高。含铜铝合金在铸造状态时尺寸不太稳定。

图9：在经过（T5）或（T6）热处理之后，AlSiCu铸造合金在铸造状态下（F）可达到的机械特性值；EN 1706与Nemark生产之间的对比在材料选择方面，第二个决定性标准是耐腐蚀性。这对密封表面尤为重要，其中，平面腐蚀会导致密封件变形，并且导致介质渗透而带来电机故障风险。铜会对铸造合金的耐腐蚀性产生负面影响。AlSiMg合金（例如，AISi7Mg0.3或者AlSi 10Mg）可提供最高级别的防腐蚀攻击安全性，与此同时，机械性能也可以得到满足。确定允许的最大铜含量限值是当前研究的主题。 得益于其顺磁性，所有铝铸造合金都满足电磁兼容性要求。

别靠颜值选电车！新能源汽车铝合金电机壳工艺，与电机内部优化

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文 | 天选小吉

编辑 | 天选小吉

铝合金材料特点

铝合金材料特点丰富多样，它们具有许多优势，这使得它们在众多领域得到广泛应用，首先，铝合金材料具有较低的密度，这意味着它们在重量方面表现优越，与钢铁相比，铝合金更轻便，因此在要求减轻重量的应用中表现尤为突出。

其次，尽管铝合金密度较低，但其强度却不容小觑，虽然它不如钢铁那样坚固，但在结合强度和轻量化要求时，铝合金成为了许多工程项目的首选材料，不管是在航空航天、汽车制造还是其他领域，铝合金的强度足以满足大多数需求。

另外，铝合金材料具有出色的导热性能，这使得它们在热交换器、散热器等应用中大显身手，而且，它们还能够耐受高温环境，即使在恶劣条件下，铝合金仍能保持良好的性能。

不仅如此，铝合金还具有优异的耐腐蚀性，这是由于其表面会自动生成一层氧化膜，保护内部材料免受环境侵蚀，这一特性使得铝合金在湿润、潮湿环境下都能表现出色，因而被广泛用于船舶、海洋设施等领域。

值得一提的是，铝合金材料易于加工和成型，无论是铸造、压铸还是锻造，都能较为轻松地加工出各种复杂形状，这为制造各种零部件提供了便利，因此在制造业中得到广泛应用。

然而，铝合金也有一些不足之处，一方面，尽管其强度较高，但与钢铁相比仍显得相对脆弱，因此，在一些高强度要求的场合，铝合金可能不是最佳选择，另一方面，铝合金的价格相对较高，这在一定程度上限制了它的应用范围。

综上所述，铝合金材料以其轻量、强度、导热性能和耐腐蚀性等特点，成为众多领域的理想选择，尽管存在一些局限性，但在工程应用中，按照具体需求合理选择材料，铝合金必定会继续发挥重要作用。

电机壳的功能与要求

电机壳是新能源汽车电动驱动系统中的重要组成部分，具有多重功能与严格要求，就其功能而言，电机壳承载着电动机的核心元件，起到了保护、散热和密封的作用，首先，它需要为电动机内部提供坚固的支撑和保护，防止电动机的核心部件受到外部撞击或振动影响，保障其正常运转和寿命，其次，电机壳还必须有效地散热，确保电动机在高负荷工况下不过热，保持其高效率运行，同时，电机壳需要具备良好的密封性能，防止水分、灰尘等外界物质侵入，以确保电机内部元件的安全和可靠性。

虽然电机壳在新能源汽车中具有重要作用，但其要求也相当严格，要是电机壳材料不坚固，可能导致电动机内部零部件在工作过程中受到外部冲击而损坏，甚至影响整个车辆的安全性，因此，电机壳的材料选择至关重要，必须具备高强度和抗冲击性能，而且，只有优秀的材料还不够，还要求电机壳的制造工艺要精湛，确保其内外表面的光滑性和精确度，以确保电机的高效运行。

为了提高电机壳的散热性能，可以采用导热材料进行加工，但是与其导热材料的成本较高，不如采取优化的结构设计，增加散热片等散热设施来提高整体散热效果，不管是采用哪种方式，散热效果都是一个不可忽视的关键因素。

另外，电机壳的制造工艺也必须要与其功能要求相匹配，即使采用了优质的材料，如果制造工艺不当，可能导致电机壳内部存在气隙或瑕疵，影响其密封性能，因此，制造工艺要精细，确保电机壳的内外表面光滑平整，尽量减少制造缺陷。

综上所述，电机壳作为新能源汽车电动驱动系统的重要组成部分，其功能包括保护、散热和密封，为了满足其功能要求，电机壳必须选用高强度、抗冲击的材料，并采用精湛的制造工艺来确保其性能和可靠性，同时，优化散热设计也是提高电机壳性能的一个关键因素，因此，无论是在材料选择还是制造工艺上，都需要不断优化和改进，以满足新能源汽车电动驱动系统的高效运行需求。

材料选择对性能的影响

材料选择对新能源汽车铝合金电机壳的性能有着重要的影响，就材料特点而言，铝合金材料具有良好的导热性和机械性能，使其成为制造电机壳的理想选择，而与传统材料相比，铝合金电机壳的优点却更加显著，即使在相对较高的温度下，铝合金仍能保持良好的稳定性，确保电机正常工作。

尽管铝合金材料具有优异的性能，但在材料选择时还需考虑其他因素，虽然一些材料可能具有更高的强度，但也要考虑它们的密度，要是材料密度过高，将增加整体重量，降低汽车的能效，影响续航里程，因此，在平衡轻量化与强度之间做出明智选择至关重要。

另一方面，不同的铝合金成分也会对性能产生不同影响，虽然某些合金具有较高的强度，但同时也伴随着更高的生产成本，可是，对于追求高性能的特定应用而言，这种选择却是合理的，然而，在实际应用中，不得不考虑到成本与性能之间的平衡。

与其只注重单一性能指标，不如综合考虑多方面因素，无论选择哪种材料，都需要在性能、成本和重量之间做出权衡，在为了实现更好的汽车性能的目标下，不光要关注材料的强度和导热性，还要着重考虑与汽车整体设计的协调性，而且，要么是符合环保要求，也要满足制造工艺的要求。

总的来说，材料选择对新能源汽车铝合金电机壳的性能至关重要，只有综合考虑不同材料的特点，按照综合性能和成本的要求做出恰当的选择，才能确保电机壳在新能源汽车中的优异表现，并为汽车产业的发展贡献一份积极的力量。

制造工艺流程分析

制造工艺流程分析是研究“新能源汽车铝合金电机壳的工艺优化”主题中至关重要的一部分，在进行工艺优化之前，我们必须深入了解电机壳的制造过程，这样才能找到改进的空间，下面，我将按照您提供的关联词，详细介绍制造工艺流程分析：

制造工艺流程分析就是对新能源汽车铝合金电机壳从原材料到成品的生产过程进行全面细致的研究与梳理，要是我们能够全面了解每个环节的制造步骤，就能够找到问题所在并进行针对性优化，以确保电机壳的最终质量与性能达到最佳水平。

虽然每家制造厂商可能会有不同的制造工艺，但是通常都会包括以下几个基本步骤：

首先，原材料的选择十分重要，与其选用普通铝材，不如选择高品质的铝合金材料，因为铝合金材料具有轻质、高强度和优良的导热性能等优势，只有选择合适的材料，才能保证电机壳的整体性能。

其次，一边是材料的预处理，为了确保铝合金材料能够顺利进行下一步的加工，要么采取适当的预处理措施，比如去除杂质、调整化学成分等，不管是喷砂、酸洗还是热处理，都可以提高材料的表面质量和内部结构。

然而，制造过程中还需要特殊的工艺加工，与其只有普通的机械加工，不如采用更加先进的数控加工技术，以保证电机壳的精度和稳定性，可是，这也需要配备相应的先进设备和技术人员，才能实现高效率与高质量的加工。

不仅如此，装配过程也是制造工艺中不可忽视的环节，无论制造的各个环节再怎么优化，如果在装配过程中出现问题，都会影响最终产品的性能，因此，为了保证电机壳的可靠性，需要在装配过程中进行严格的质量控制，与其只关注产量，不如更注重质量。

为了实现工艺优化的目标，需要制定详细的制造工艺流程，并严格按照规定执行，只有按照科学合理的流程进行制造，才能最大程度地保障产品质量与性能，不管是新能源汽车铝合金电机壳还是其他制造领域，都适用这一原则，无论制造工艺如何优化，都需要不断地改进和创新，才能与市场需求相适应，促进工艺的持续进步。

工艺参数对性能的影响

工艺参数对新能源汽车铝合金电机壳的性能具有重要的影响，工艺参数是指在制造过程中控制和调整的各项参数，包括温度、压力、速度、时间等，就铝合金电机壳而言，工艺参数的合理选择直接关系到其材料性能和制造质量。

尽管铝合金材料本身具有轻质高强度的特点，但如果工艺参数选择不当，可能导致电机壳的性能下降，甚至出现失效现象，要是在铸造过程中温度过高或过低，都可能造成材料的晶粒过大或过小，从而降低了其强度和韧性，此外，如果制造过程中压力不均匀或过大，还可能导致电机壳内部产生气孔或裂纹，进一步影响其性能。

然而，通过优化工艺参数，可以显著改善铝合金电机壳的性能，只要在铸造过程中控制合适的温度和压力，可以有效地改善材料的晶粒结构，增强其强度和韧性，提高耐磨性和耐腐蚀性，与其盲目追求生产效率，不如适当延长冷却时间，确保电机壳内部充分凝固，减少内部缺陷的发生。

虽然工艺参数的优化对于性能的改善至关重要，但也要充分考虑制造成本和生产效率，不光要关注材料的力学性能，还要考虑其加工性能，以保证生产过程的稳定和可靠，因此，在优化工艺参数时，也要综合考虑多种因素，找到最佳平衡点。

综上所述，无论铝合金电机壳的制造过程多么复杂，都要按照科学的方法选择合适的工艺参数，只有在掌握了工艺参数对性能的影响规律后，才能保证新能源汽车铝合金电机壳具备优良的性能和可靠的品质。

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