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用于汽车电力电子设备的液冷式冷板,采用受鲨鱼启发的导流板

用于汽车电力电子设备的液冷式冷板,采用受鲨鱼启发的导流板

2021-11-22 16:28

该SAE方程式电竞赛是为未来的机械,汽车和电气工程师的试验场。来自世界各地大学的团队设计、制造并在一系列赛车活动中与小型方程式赛车进行比赛。电动类别侧重于高性能环境中的动力传动系统创新和燃油效率。 Dynamis PRC是米兰理工大学的学生方程式车队。Dynamis赢得了无数奖项,甚至在2019赛季跻身欧洲前三名。2021年,车队携全新赛车首次参加电动车组别。

Dynamis PRC 的Formula SAE Electric 赛车。

每辆电动汽车的一个关键系统是驱动电动机的电力电子设备。Dynamis 与专门从事增材制造设计的创新产品开发机构Puntozero 合作,为其高压牵引逆变器开发了一种轻巧且更高效的冷却系统。然后由M4P用商业纯铝增材制造热交换器原型 。

“当没有固定和经过测试的工程工作流程时,多目标优化具有挑战性。nTopology 的强大功能和灵活性使我们能够管理 DfAM 过程的复杂性并掌握增材制造的具体优势。”Puntozero 联合​​创始人 Francesco Leonardi

设计挑战

高压牵引逆变器是一个功率转换单元,其取DC功率从电池并将其转换成交流电,以驱动电动车辆的马达。牵引逆变器控制电机的扭矩,因此它对车辆在道路和赛道上的性能至关重要。 逆变器的 IGBT 控制器需要保持在其最佳工作温度范围内。然而,牵引逆变器的传统液体冷却系统通常又重又笨重,这使得它们不适合高性能赛车应用。 该项目的目标是设计一种比传统组件更轻、更紧凑的高效冷却板。该团队利用增材制造技术和先进的工程软件开发了一种高性能热交换器。

解决方案概述

Puntozero 和 Dynamis 的工程师将管道曲率附近的不均匀流动和原始 CNC 加工散热器的传热表面积不足确定为优化的主要机会。 经过多次快速设计迭代周期后,最终的冷板散热器具有:

  • 仿生导流器可在拐角处产生均匀的流速并最大限度地提高传热表面。
  • 最大限度减轻重量的外部晶格结构确保了可制造性并通过对流促进冷却。
  • 一个模块化的设计,使简单的服务和冷板的更好的定位。

最终的冷板式换热器设计更轻且模块化。

引导流动的陀螺结构 受鲨鱼鳞片结构的启发,Puntozero 的工程师在 nTopology 中生成了定向层状几何形状,该几何形状符合冷板的管道并搅拌通道拐角周围的流动。

内部晶格基于使用场驱动设计技术扭曲的陀螺结构。

导流板基于使用先进的场驱动设计技术扭曲的陀螺晶格。

字段是将数值与 3D 空间中的每个点相关联的规则。您可以从点、曲面、实体,甚至模拟结果和实验数据创建场。在 nTopology 中,所有几何体都定义为距离场。使用字段来驱动几何使您能够以其他方式不切实际或不可能的方式定义复杂设计特征的空间变化。

在此示例中,Puntozero 的工程师使用基本数学方程创建了一个二体场,用于描述管道通道的中平面和等值面。然后,他们沿着 X 和 Y 方向扭曲了一个陀螺晶格,以引导弯曲周围的流动。最后,他们加厚了结构并将其与外部电池结合在一起。

结果是导流板将传热表面增加了 300%,并消除了沿曲线的湍流。

“感谢 nTopology,我们能够自动生成晶格填充。在我们验证了流动指南的几何形状后,我们将网格工作流程打包在一个自定义块中,使其可在任何未来的几何形状上重复使用。”

--Puntozero 联合​​创始人 Francesco Leonardi

轻量化的外部晶格

对于散热器的主体结构,Puntozero 的工程师选择了金刚石 TPMS 晶格结构。 外部晶格降低了组件的重量和生产成本,提高了其可制造性,并增加了与电力电子设备的接触表面积以促进热传递。

外部晶格在接触表面附近逐渐变厚以促进热传递。

该团队在优化外部晶格设计的同时考虑了多种工程和制造要求。 例如,晶格的厚度随着远离与功率电子器件的接触表面而逐渐减小。较厚的区域促进热传递,提高散热器的效率,并提供可在 3D 打印过程中轻松支撑的坚固表面。另一方面,较细的支柱使后处理过程中的粉末排出更容易,并通过与周围空气的对流促进散热。

外部金刚石 TPMS 晶格在提供必要刚度的同时显着降低了系统的总重量 25%。

制造和CT扫描

散热器在 EOS M 290 系统上制造,采用m4p PureAl——一种粉末合金,针对增材制造进行了优化,具有接近纯铝的一致性。然后将零件断电,并在进一步测试之前进行 CNC 加工。 您必须始终考虑设计、材料和工艺的强大影响。这些学科在增材制造中都不是孤立的。在这个项目中,我们设法确定了正确的组件方向,以实现无错误的3D打印。

--Bastian Kallenbach,M4P 的开发工程师

脱粉后(左)和加工过程中(右)制造部件的照片。

在对车辆进行测试之前,该团队使用计算机断层扫描技术扫描了散热器。CT 扫描结果证实:1) 散热片的通道没有粉末,2) 内部晶格的制造没有任何故障,3) 零件的内部孔隙率最小,以及 4) 最大偏差为整个体积保持小于 200 微米。

CT 扫描显示,这个复杂的零件是按照规范制造的,没有缺陷。

下一步

Dynamis PRC 和 Puntozero 已经开始着手进一步完善下一季的设计。他们现在专注于微调内部晶格,以减少压降并最小化组件的整体尺寸,同时保持相同的传热效率,以进一步减少系统的重量和尺寸。 nTopology先进的晶格生成功能和可重复使用的工作流程使团队能够在他们当前的研发工作的基础上更快地创建创新解决方案。

源文摘自:nTopology

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