電機(jī)散熱系統(tǒng)|電機(jī)發(fā)熱的原因及危害

引言 ?

新能源汽車、機(jī)器人和高精度數(shù)控機(jī)床等國家重點(diǎn)支持領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)電機(jī)的效率、功率密度、響應(yīng)速度和振動(dòng)噪聲等性能指標(biāo)提出了更高的要求，促使電機(jī)向高精度、高功率密度、小型化、輕量化和機(jī)電一體化等方向發(fā)展[1-2]，帶來了電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱量急劇增加、有效散熱空間嚴(yán)重不足等問題，因此散熱問題成為電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步向高功率密度方向發(fā)展的瓶頸[3-4]。電機(jī)內(nèi)部溫升過高不僅會(huì)縮短電機(jī)內(nèi)部絕緣材料的壽命，而且會(huì)降低電機(jī)的運(yùn)行效率，使得發(fā)熱量增加，造成電機(jī)溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響電機(jī)壽命和電機(jī)運(yùn)行的安全性[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，30%～40%的永磁電機(jī)失效是由電機(jī)溫升過高引起的[6]，因此，采用高效的散熱系統(tǒng)抑制電機(jī)溫升是電機(jī)向高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性方向發(fā)展的關(guān)鍵。

風(fēng)冷、液冷和蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)是三種常用的電機(jī)散熱系統(tǒng)。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)憑借成本低、可靠性高和安裝方便等優(yōu)勢(shì)在小功率電機(jī)散熱領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7]。相較于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，液冷散熱系統(tǒng)具有極高的散熱效率，其散熱效率可以達(dá)到前者的50倍[8]，適用于電機(jī)發(fā)熱量大、熱流密度高的散熱場(chǎng)合。然而液冷散熱系統(tǒng)需要額外的循環(huán)液路與密封系統(tǒng)，增加了電機(jī)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性[9]。目前，由我國自主研發(fā)的蒸發(fā)冷卻散熱技術(shù)在兆瓦級(jí)大容量發(fā)電機(jī)組的散熱系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，其主要原理是利用工質(zhì)的氣液相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效冷卻。蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以有效降低電機(jī)運(yùn)行溫升[10]。

高效化是電機(jī)散熱系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，優(yōu)化電機(jī)散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)是提高電機(jī)冷卻效率的常用手段。近年來，通過在電機(jī)關(guān)鍵發(fā)熱部件與冷卻殼體之間構(gòu)建額外熱路來提高電機(jī)散熱效率的額外熱路增強(qiáng)型電機(jī)散熱方案得到了研究與應(yīng)用。利用導(dǎo)熱樹脂[11-12]、導(dǎo)熱膠[13]和導(dǎo)熱陶瓷[14-15]等導(dǎo)熱絕緣材料在電機(jī)端部繞組與機(jī)殼之間構(gòu)建額外熱路是該散熱方案的常用形式。此外，采用鋁片[16]、銅棒[17]和熱管[5, 6, 18]等高熱導(dǎo)率傳熱器件充當(dāng)額外熱路的增強(qiáng)型電機(jī)散熱方案也逐漸得到了研究和應(yīng)用。額外熱路增強(qiáng)型電機(jī)散熱方案是解決電機(jī)關(guān)鍵發(fā)熱部件散熱難題的有效手段，同時(shí)也提供了提高電機(jī)散熱系統(tǒng)效率的新思路。

本文針對(duì)電機(jī)散熱系統(tǒng)向高效化、高可靠性方向發(fā)展的趨勢(shì)，介紹了當(dāng)前電機(jī)散熱系統(tǒng)的類型及其使用范圍，分析了各類電機(jī)散熱系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及不足，總結(jié)了目前國內(nèi)外在提高電機(jī)散熱系統(tǒng)效率方面的研究進(jìn)展，討論了其在實(shí)際應(yīng)用中所存在的問題。結(jié)合額外熱路增強(qiáng)型電機(jī)散熱方案和相變散熱技術(shù)提出了以相變傳熱器件來提高電機(jī)散熱效率的新方案，最后對(duì)電機(jī)散熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了科學(xué)預(yù)測(cè)與展望。

1 電機(jī)發(fā)熱的原因及危害 ?

電機(jī)作為多物理場(chǎng)、強(qiáng)耦合的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)換效率并不是百分之百，在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程中會(huì)損失一部分能量，這些損失的能量絕大部分轉(zhuǎn)換為熱能引起電機(jī)發(fā)熱[5-6]。電機(jī)內(nèi)部的損耗主要由繞組線圈的電阻、磁性材料的磁阻和電機(jī)各部件間的機(jī)械摩擦造成，主要包含繞組銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵耗和機(jī)械損耗三部分[19]。電機(jī)繞組、定子和機(jī)殼等關(guān)鍵部件的接觸面之間存在絕緣漆、絕緣紙和空氣等熱導(dǎo)率極低的材料，增加了電機(jī)各部件間的接觸熱阻，極大地降低了電機(jī)關(guān)鍵部件的散熱效率。永磁同步電機(jī)內(nèi)部熱路如圖1所示，電機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵發(fā)熱部件與機(jī)殼之間的傳熱路徑長、接觸熱阻大,電機(jī)工作過程中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳遞至外部，引起電機(jī)內(nèi)部溫度升高。電機(jī)溫升過高將嚴(yán)重威脅電機(jī)絕緣壽命、運(yùn)行效率和可靠性。

圖1 永磁同步電機(jī)內(nèi)部熱路示意圖
Fig.1 Schematic diagram of internal thermal circuit
of permanent magnet synchronous motor

電機(jī)內(nèi)部的絕緣漆和絕緣紙等絕緣材料的壽命與電機(jī)溫度呈現(xiàn)指數(shù)變化規(guī)律：

(1)

式中，D為絕緣材料的壽命；A0為環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)絕緣材料的壽命；T為電機(jī)的實(shí)際工作溫度；a為電機(jī)絕緣等級(jí)。

從式(1)中可以看出，電機(jī)的絕緣壽命會(huì)隨著電機(jī)實(shí)際工作溫度的上升而急劇下降。同時(shí)，電機(jī)溫度升高將引起電機(jī)繞組阻值增加、電機(jī)內(nèi)部磁性材料去磁等問題，增加電機(jī)損耗，降低電機(jī)工作效率，進(jìn)一步引起電機(jī)發(fā)熱量增加。電機(jī)繞組阻值隨溫度變化的規(guī)律如下：

R=R0[1+α0(T-T0)]

(2)

式中，R為溫度T時(shí)繞組的電阻；R0為溫度T0時(shí)繞組的電阻；α0為電阻溫度系數(shù)；T0為起始溫度。

由式(2)可以看出，繞組的溫度升高將引起繞組阻值變大，進(jìn)一步增大電機(jī)銅耗。同時(shí)，定子鐵芯、永磁體等磁性材料的性能也隨著電機(jī)溫度的上升而下降，增大電機(jī)的鐵耗，降低電機(jī)的工作效率[20]。此外，組成電機(jī)的各種金屬材料的硬度、強(qiáng)度以及其他力學(xué)性能也會(huì)受到電機(jī)溫升的影響而逐漸下降[21]，威脅電機(jī)運(yùn)行的安全。當(dāng)電機(jī)工作在大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速等極限工況時(shí)，電機(jī)的發(fā)熱量將急劇增加，如果不能將電機(jī)內(nèi)部的熱量快速傳遞至外部，甚至?xí)斐呻姍C(jī)內(nèi)部磁性材料永久性退磁、燒機(jī)等現(xiàn)象。

采用高效可靠的散熱系統(tǒng)將電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量快速傳遞至外部，避免熱量在電機(jī)關(guān)鍵部件的積聚，保證電機(jī)始終工作在合適的溫度，對(duì)電機(jī)的壽命、效率和運(yùn)行安全性具有重要意義。

2 電機(jī)散熱系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 ?

電機(jī)散熱系統(tǒng)分類及相應(yīng)電機(jī)照片如圖2所示，電機(jī)散熱系統(tǒng)主要包括風(fēng)冷、液冷、蒸發(fā)冷卻和額外熱路增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)四大類,應(yīng)用最廣泛的是低成本、適用于小功率電機(jī)的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和高效率、適用于大功率電機(jī)的液冷散熱系統(tǒng)。利用液體沸騰氣化進(jìn)行高效散熱的蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要應(yīng)用于兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組的散熱系統(tǒng)。近年來，利用導(dǎo)熱絕緣材料或相變傳熱元件在電機(jī)關(guān)鍵發(fā)熱部件與冷卻殼體之間構(gòu)建額外熱路以強(qiáng)化電機(jī)散熱的額外熱路增強(qiáng)型電機(jī)散熱方案逐漸得到了研究和應(yīng)用。從技術(shù)角度看，任何一臺(tái)電機(jī)都可以隨意選取散熱系統(tǒng)形式，關(guān)鍵是根據(jù)電機(jī)的工作環(huán)境、發(fā)熱功率、可靠性、維護(hù)方便性和成本等因素選取合適的散熱系統(tǒng)。甚至可以將風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和水冷散熱系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，王金松等[22]將封閉式內(nèi)通風(fēng)散熱系統(tǒng)和冷卻水套結(jié)合應(yīng)用于電機(jī)散熱系統(tǒng)，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量在軸端風(fēng)扇的作用下進(jìn)入通風(fēng)管道，并與循環(huán)水套內(nèi)的冷卻水進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)了良好的散熱效果。

(a)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)

(b)液冷散熱系統(tǒng)

(c)蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)

(d)額外熱路增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)
圖2 電機(jī)散熱系統(tǒng)分類
Fig.2 Classification of motor cooling system

2.1 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)通常在機(jī)殼表面設(shè)計(jì)翅片以增加換熱面積、提高散熱效率，具有制造工藝簡單、成本低廉和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在小功率密度電機(jī)散熱領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)可以根據(jù)是否采用額外的增強(qiáng)空氣流動(dòng)的裝置分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷。自然風(fēng)冷不需要額外的動(dòng)力裝置，僅僅通過機(jī)殼與周圍空氣的自然對(duì)流進(jìn)行熱交換。強(qiáng)迫風(fēng)冷通常利用風(fēng)扇系統(tǒng)加強(qiáng)電機(jī)與外部空氣的熱交換，額外的風(fēng)扇系統(tǒng)提高了電機(jī)的散熱效率，但也在一定程度上增加了電機(jī)系統(tǒng)的電力消耗和噪聲。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的分類依據(jù)及分類情況如圖3所示。

圖3 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)分類
Fig.3 Classification of air cooling systems

根據(jù)氣流的流動(dòng)路徑可以將強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)分為外部通風(fēng)和內(nèi)部通風(fēng)兩大類：外部通風(fēng)散熱系統(tǒng)通過風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻氣流在機(jī)殼外表面流動(dòng)，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的；內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)利用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣流從入風(fēng)口進(jìn)入，沿電機(jī)內(nèi)部的氣流通道對(duì)電機(jī)各部件進(jìn)行冷卻后再從出風(fēng)口流出。根據(jù)冷卻氣流在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)路徑可以將其分為軸向式、徑向式和徑軸混合通風(fēng)三種形式[23]。根據(jù)電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路和外部風(fēng)路是否連通，可以將強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)分為開啟式和封閉式系統(tǒng)。開啟式強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的內(nèi)外風(fēng)路連通，外部空氣可以進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部直接進(jìn)行熱交換，具有較高的散熱效率；但是空氣中的灰塵容易進(jìn)入電機(jī)，因此需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行定期清理。封閉式強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)可以有效避免灰塵進(jìn)入電機(jī)，依靠電機(jī)內(nèi)部的同軸風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣流將熱量傳遞至機(jī)殼，然后與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換[24]。此外，也可以根據(jù)風(fēng)扇的安裝位置分為被動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷和主動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷。被動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷是將葉片安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)軸上，葉片跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生氣流以強(qiáng)化電機(jī)散熱。被動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的冷卻流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系，在低轉(zhuǎn)速、高負(fù)載工況下易出現(xiàn)冷卻風(fēng)量不足的問題。主動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷是在電機(jī)的外部設(shè)置獨(dú)立的風(fēng)扇系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱，冷卻氣流的流量和流速與電機(jī)工作狀況無關(guān)，可以始終保持較高的冷卻效率。

(a)原始電機(jī)(b)機(jī)殼表面涂覆
高輻射率石墨

(c)機(jī)殼表面采用(d)機(jī)殼表面采用
小尺寸翅片大尺寸翅片

(e)端部繞組與機(jī)殼之間灌注導(dǎo)熱膠[26]
圖4 自然風(fēng)冷電機(jī)照片
Fig.4 Photos of natural air cooling motors?[26]

2.1.1?自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)

自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，適用于電機(jī)發(fā)熱量較小、電機(jī)可靠性要求較高、電機(jī)工作環(huán)境通風(fēng)良好的散熱場(chǎng)合。機(jī)殼表面的散熱筋、散熱翅片結(jié)構(gòu)可以有效提高自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率。JANG等[25]采用有限元仿真法對(duì)比分析了機(jī)殼表面翅片結(jié)構(gòu)對(duì)自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)冷卻效率的影響，仿真結(jié)果表明在機(jī)殼表面添加翅片結(jié)構(gòu)可使電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的散熱效率分別提高26.1%和16.4%。MELKA等[26]研究了額定功率為430W的永磁無刷直流電機(jī)的自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，采用在機(jī)殼表面涂覆高輻射率材料、機(jī)殼表面設(shè)置不同規(guī)格的翅片和填充導(dǎo)熱材料三種方法來提高散熱系統(tǒng)的效率，機(jī)殼樣品如圖4所示，測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于原始電機(jī)，四種散熱方案可以分別降低繞組溫度約4 ℃、9 ℃、16 ℃和18 ℃。當(dāng)同時(shí)采用大尺寸散熱翅片和填充導(dǎo)熱材料時(shí)，繞組穩(wěn)定溫度可以降低約30 ℃。MELKA等[27]建立了永磁無刷直流電機(jī)的CFD模型用以研究電機(jī)關(guān)鍵發(fā)熱部件的散熱情況及氣體在電機(jī)周圍的流動(dòng)情況，并測(cè)試了電機(jī)在多個(gè)工況下的溫升性能，電機(jī)內(nèi)部溫度的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果之間的誤差不超過9 ℃，電機(jī)外部溫度仿真結(jié)果的誤差為2 ℃。CHIU等[28]采用FLUENT軟件仿真了翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)溫升性能的影響，并設(shè)置機(jī)殼表面自然對(duì)流傳熱系數(shù)為10 W/(m2·K)。仿真結(jié)果表明，當(dāng)翅片面積相同時(shí)，電機(jī)繞組最高溫度隨著翅片數(shù)量的增加而升高；當(dāng)翅片高度相同時(shí)，電機(jī)溫度隨翅片數(shù)量的增加而降低，電機(jī)溫度分布云圖見圖5。

(a)18個(gè)翅片

(b)27個(gè)翅片 (c)36個(gè)翅片
圖5 采用不同翅片結(jié)構(gòu)的電機(jī)溫度分布云圖[28]
Fig.5 The temperature distribution of the motors with
different fin structures[28]

2.1.2?強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)

自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率與機(jī)殼表面翅片面積、翅片高度和機(jī)殼表面的輻射率正相關(guān)，這些因素對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率也同樣具有增強(qiáng)作用。利用有限元仿真軟件，GALLONI等[29]分析了葉片形狀、數(shù)量和長寬比等參數(shù)對(duì)電機(jī)散熱效率的影響，并根據(jù)分析結(jié)果開發(fā)了能夠用于電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)耦合熱分析的數(shù)學(xué)模型。

NAKAHAMA等[30]提出了適用于開啟式風(fēng)冷散熱系統(tǒng)車用電機(jī)的定子鐵心內(nèi)部及外部雙冷卻通路的強(qiáng)化散熱方案。KIM等[31]建立了開啟式風(fēng)冷散熱感應(yīng)電機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，該模型計(jì)算得到的定子、繞組溫度誤差不超過2 ℃。GRABOWSKI等[32]對(duì)額定功率為7.5 kW的封閉式外通風(fēng)散熱電機(jī)的溫升性能進(jìn)行了有限元仿真，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果之間的誤差不超過10%。NODA等[24]設(shè)計(jì)了一款采用開啟式強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的車用電機(jī)，如圖6所示，由于外部空氣直接進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行冷卻，因此每三年需要拆卸電機(jī)進(jìn)行清理，并且高轉(zhuǎn)速工況下的電機(jī)噪聲較大。開啟式散熱系統(tǒng)的散熱效率較封閉式散熱系統(tǒng)高，但是噪聲較大、需要定期清理的不足限制了開啟式風(fēng)冷散熱系統(tǒng)電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。封閉式風(fēng)冷散熱系統(tǒng)具有相互獨(dú)立的內(nèi)部風(fēng)道與外部風(fēng)道，可以有效阻止污染物進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，逐漸取代開啟式散熱系統(tǒng)得到了應(yīng)用與發(fā)展。

圖6 具有開啟式風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的車用電機(jī)[24]
Fig.6 Motor with an open air cooling system[24]

內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)的冷卻氣流可以與電機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱部件直接接觸，其散熱效率高于外部通風(fēng)散熱系統(tǒng)。YOON等[33]對(duì)比了內(nèi)通風(fēng)散熱系統(tǒng)和外通風(fēng)散熱系統(tǒng)對(duì)電機(jī)繞組溫升的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明內(nèi)通風(fēng)散熱系統(tǒng)可以有效降低電機(jī)繞組穩(wěn)定溫度約10 ℃，在電機(jī)滿載工況下提高電機(jī)效率約0.25%，在電機(jī)1.25倍過載工況下提高電機(jī)效率約0.5%。圖7為采用封閉式內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)電機(jī)的截面圖，如圖中箭頭所示，電機(jī)軸端的扇葉驅(qū)動(dòng)氣流在電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間隙及轉(zhuǎn)子通風(fēng)道中流動(dòng)，并通過機(jī)殼表面的散熱翅片與外界進(jìn)行熱交換，冷卻后的氣流進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

圖7 采用封閉式內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)的電機(jī)截面圖[33]
Fig.7 Sectional view of the motor with closed internal
ventilation cooling system[33]

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)也可以滿足大功率電機(jī)的散熱需求，但是往往需要采用多個(gè)風(fēng)扇并復(fù)合大體積的翅片式散熱器。WEN等[34]建立了額定功率為800 kW的高壓異步電機(jī)的外部扇區(qū)和冷卻區(qū)CFD模型，研究了外部風(fēng)機(jī)的流程特性和效率曲線，確定了外部風(fēng)扇的最佳運(yùn)行點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上探討了冷卻器結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)的影響，并通過優(yōu)化冷卻器結(jié)構(gòu)提高了冷卻效率。CHANG等[35]建立了適用于額定功率2350 kW的電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，該散熱系統(tǒng)主要包括一個(gè)離心風(fēng)扇、兩個(gè)軸端風(fēng)扇和一個(gè)具有637支冷卻管的熱交換器，通過調(diào)整散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計(jì)具有導(dǎo)向葉片的高效熱交換器和優(yōu)化兩個(gè)軸端風(fēng)扇距離等方法來提高該風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率，成功降低電機(jī)溫升約6 ℃。XU等[36]研究了額定功率為2500 kW的高壓電機(jī)的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，該散熱系統(tǒng)同時(shí)采用外部通風(fēng)和內(nèi)部通風(fēng)，研究了扇葉偏轉(zhuǎn)角和出口角對(duì)風(fēng)扇系統(tǒng)散熱效率的影響，通過優(yōu)化扇葉傾角提高外部風(fēng)扇冷卻效率約1.16%，增大出口流量0.08 m3/s。

空氣是風(fēng)冷散熱系統(tǒng)最常用的冷卻介質(zhì)，此外，還可以采用氫氣和氦氣對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。XU等[37]采用氦氣對(duì)高溫氣冷堆的鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行冷卻，電機(jī)額定功率為4500 kW，仿真結(jié)果表明氦氣的初始溫度顯著影響電機(jī)的溫升。氦氣和氫氣的熱導(dǎo)率是空氣的6～7倍，因此相同的氣體溫度和流速情況下，氦氣、氫氣冷卻的散熱效率可以達(dá)到空氣的1.3～1.5倍。同時(shí)，氫氣和氦氣的密度只有空氣的1/14～1/7，因此采用氫氣、氦氣代替空氣可以顯著減小冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)損耗和風(fēng)摩損耗。然而，氫氣和氦氣高昂的價(jià)格、復(fù)雜的儲(chǔ)存供應(yīng)系統(tǒng)限制了氫氣、氦氣冷卻系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。此外，氫氣冷卻系統(tǒng)需要?dú)錃饧兌炔恍∮?6%和安全可靠的密封防爆系統(tǒng)，這進(jìn)一步限制了氫氣冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，氫氣、氦氣冷卻系統(tǒng)多應(yīng)用于大功率發(fā)電機(jī)、高溫反應(yīng)堆等特殊場(chǎng)合。

自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的傳熱系數(shù)只有2～25 W/(m2·K)，而強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的傳熱系數(shù)可達(dá)20～300 W/(m2·K)。風(fēng)扇系統(tǒng)雖然在一定程度上增加了系統(tǒng)的噪聲和能耗，但是可以顯著提高電機(jī)的冷卻效率，提高磁性材料的利用率。因此，相對(duì)于采用自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的電機(jī)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的電機(jī)往往具有較小的質(zhì)量和較高的功率密度[38]。

內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)的冷卻氣流與電機(jī)發(fā)熱部件直接接觸，其冷卻效率顯著高于外部通風(fēng)散熱系統(tǒng)。同時(shí)，封閉式散熱系統(tǒng)可以有效避免污染物進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，降低電機(jī)維護(hù)成本。封閉式內(nèi)通風(fēng)散熱系統(tǒng)兼具散熱效率高和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，逐漸取代開啟式散熱系統(tǒng)而得到了廣泛的應(yīng)用。值得注意的是，采用自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和封閉式外通風(fēng)散熱系統(tǒng)的電機(jī)內(nèi)部不存在高速流動(dòng)的冷卻氣流，電機(jī)內(nèi)部熱交換效率極低，因此在電機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵發(fā)熱部件與機(jī)殼之間構(gòu)建高效熱路是提高電機(jī)散熱效率的關(guān)鍵。近年來，逐漸出現(xiàn)了在電機(jī)機(jī)殼與端部繞組之間灌封導(dǎo)熱材料的方案[11-15,26]。導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率是空氣熱導(dǎo)率的幾十倍至幾千倍，可以顯著改善端部繞組的散熱環(huán)境，抑制繞組溫升，提高電機(jī)散熱效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安裝維護(hù)方便和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，然而較低的散熱效率決定了風(fēng)冷散熱系統(tǒng)只能應(yīng)用于功率密度偏低的電機(jī)。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率主要由翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣體通道分布位置、氣體流量、冷卻介質(zhì)和機(jī)殼表面熱輻射率等因素決定。氫氣、氦氣取代空氣作為風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，可以有效提高散熱效率、降低通風(fēng)損耗，然而氫氣易燃易爆、氦氣價(jià)格昂貴的不足限制了其在風(fēng)冷散熱系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用，因此，空氣依然是當(dāng)前風(fēng)冷散熱系統(tǒng)最常用的冷卻介質(zhì)。

2.2 液冷散熱系統(tǒng)

液冷散熱系統(tǒng)是在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部或電機(jī)內(nèi)部設(shè)置密封的循環(huán)流道，并采用循環(huán)裝置驅(qū)動(dòng)冷卻介質(zhì)在流道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行換熱的電機(jī)冷卻系統(tǒng)。常用冷卻介質(zhì)的物理特性如表1所示，根據(jù)冷卻介質(zhì)可以將液冷散熱系統(tǒng)分為水冷散熱系統(tǒng)和油冷散熱系統(tǒng)兩類。水冷散熱系統(tǒng)主要是在機(jī)殼內(nèi)部設(shè)置循環(huán)流道，流道結(jié)構(gòu)主要有圓周型、螺旋型和軸向型三種，還有少部分的復(fù)合型流道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。圓周型冷卻流道的散熱能力較強(qiáng)，螺旋型冷卻流道的壓力損耗較小，而軸向型冷卻流道的軸向溫度梯度小，適合軸向長度較長的電機(jī)[39]。此外，也可以在定子鐵芯上設(shè)計(jì)循環(huán)水路[40]，對(duì)定子進(jìn)行高效冷卻，在鐵芯軛部集成冷卻水管的散熱結(jié)構(gòu)如圖9所示。水介質(zhì)具有無污染、成本低、質(zhì)量熱容和熱導(dǎo)率較高等優(yōu)勢(shì)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。為了克服水介質(zhì)凝固點(diǎn)較高、沸點(diǎn)較低的不足，在實(shí)際使用中往往采用水-乙二醇混合溶液以降低凝固點(diǎn)，提高水冷散熱系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。此外，水冷散熱系統(tǒng)在長期循環(huán)過程中容易產(chǎn)生水垢并腐蝕機(jī)殼，因此在實(shí)際應(yīng)用中還需要添加抗腐蝕和抗泡沫等添加劑[41]。

表1 冷卻介質(zhì)常溫常壓下的物理特性

Tab.1 Properties of cooling medium under normal temperature and pressure

(a)圓周型循環(huán)水道 (b)螺旋型循環(huán)水道

(c)軸向型循環(huán)水道 (d)復(fù)合型循環(huán)水道
圖8 水冷電機(jī)流道結(jié)構(gòu)
Fig.8 Flow channels for water cooling motors

圖9 定子鐵芯集成循環(huán)水路結(jié)構(gòu)圖[40]
Fig.9 Stator integrated with circulating
water channels[40]

油介質(zhì)具有良好的絕緣特性，可以在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)，與電機(jī)繞組、定子等發(fā)熱部件直接進(jìn)行熱交換，也可以在機(jī)殼內(nèi)部的流道中循環(huán)流動(dòng)。這兩種油冷方式分別是直接油冷和間接油冷。直接油冷又可以分為浸油式和噴油式兩種。浸油式油冷是將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子都浸沒在冷卻油中，具有良好冷卻效果的同時(shí)可以降低電機(jī)工作噪聲[42]，但是油的黏度較大，增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的能量損失；噴油式油冷通過將冷卻油噴淋到機(jī)殼內(nèi)表面及定子端部實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效散熱。直接油冷特別是噴油式油冷的冷卻介質(zhì)與電機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱部件直接接觸，可顯著降低電機(jī)繞組、定子等高發(fā)熱部件的散熱熱阻，具有極高的散熱效率，因此多用于高功率密度電機(jī)。油冷系統(tǒng)需要嚴(yán)格的過濾系統(tǒng)對(duì)油介質(zhì)進(jìn)行過濾，以避免油中的雜質(zhì)對(duì)電機(jī)內(nèi)部的絕緣層造成破壞。油冷散熱系統(tǒng)的成本昂貴，因此其應(yīng)用規(guī)模不如水冷散熱系統(tǒng)廣泛。

2.2.1?水冷散熱系統(tǒng)

水冷散熱系統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)是影響其冷卻效率的關(guān)鍵因素，研究人員通過優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)參數(shù)提高了水冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率。通過增加流道數(shù)量、在冷卻流道中添加擾流結(jié)構(gòu)和增加冷卻水流量等方式可以有效提高冷卻效率，但同時(shí)也導(dǎo)致壓力損失明顯增大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮水道換熱能力和壓力損失以設(shè)計(jì)合適的水道結(jié)構(gòu)。

吳柏禧[43]根據(jù)水道壓降、換熱能力和水道均溫性三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)圓周形冷卻水道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合性優(yōu)化，最終確定冷卻流道的最優(yōu)層數(shù)為3層，最優(yōu)截面尺寸為寬8 mm、高11.2 mm。萬珍平等[44]分析了螺旋形流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱能力和壓力損失的影響，結(jié)果表明增加流道螺旋圈數(shù)可以提高散熱能力，但會(huì)導(dǎo)致壓力損失明顯增大；增加流道截面尺寸可以減小壓力損失，但是對(duì)散熱能力的影響較小。楊學(xué)威等[45]采用傳統(tǒng)鋁型材擠壓工藝制作了散熱能力不低于8 kW、壓力損失不超過15 kPa的軸向型冷卻流道。BORGES等[46]采用CFD仿真和紅外攝像技術(shù)從22個(gè)水冷電機(jī)流道結(jié)構(gòu)方案中篩選了3個(gè)最優(yōu)模型進(jìn)行加工，顯著地縮短開發(fā)時(shí)間和降低成本，并進(jìn)一步采用紅外攝像技術(shù)驗(yàn)證了電機(jī)的溫度分布。ZHENG等[47]通過優(yōu)化水道數(shù)量、水流速度和水道分布結(jié)構(gòu)使電機(jī)穩(wěn)定溫度降低了13 ℃。郝嘉欣等[48-49]在水冷電機(jī)冷卻流道內(nèi)增加了擾流片，并采用有限元分析法研究了擾流片厚度、高度和傾斜角度等尺寸參數(shù)對(duì)散熱效果的影響，結(jié)果表明擾流片結(jié)構(gòu)可以降低繞組溫度約3 ℃，擾流片與冷卻液流動(dòng)方向夾角為30°、行間距8 mm、列間距5 mm的叉排方式為最優(yōu)方案。范作智等[50]設(shè)計(jì)了逆向雙水道冷卻結(jié)構(gòu)，通過在電機(jī)流道內(nèi)部設(shè)計(jì)折流筋，將傳統(tǒng)流道的水路分割成兩條方向相反的并行水路，如圖10所示，有效縮短了冷卻液流動(dòng)的距離，解決了電機(jī)冷卻液循環(huán)過程中溫度梯度大的問題。

圖10 逆向雙水道冷卻結(jié)構(gòu)[50]
Fig.10 Reversed double cooling channels structure[50]

2.2.2?油冷散熱系統(tǒng)

間接油冷散熱系統(tǒng)與水冷散熱系統(tǒng)類似，都是利用冷卻介質(zhì)在冷卻流道內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)帶走熱量。LASKARIS等[51]設(shè)計(jì)了一款采用間接油冷散熱系統(tǒng)的汽車牽引電機(jī)，冷卻油在機(jī)殼內(nèi)部的流道中循環(huán)流動(dòng)散熱，該散熱系統(tǒng)可以帶走5 kW的熱量，當(dāng)電機(jī)短時(shí)間工作在過載工況時(shí)，可以通過加快冷卻油流動(dòng)速度的方式帶走25 kW的熱量。LEE等[52]采用轉(zhuǎn)子間接油冷散熱方案提高了電機(jī)的功率密度，如圖11所示，冷卻油在電機(jī)端蓋、機(jī)殼和中空軸形成的流道中循環(huán)，直接對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。與機(jī)殼內(nèi)部冷卻方案相比，該方案可以有效降低電機(jī)繞組溫度約38%。

(a)冷卻油循環(huán)路徑

(b)冷卻通道三維模型
圖11 電機(jī)間接油冷散熱系統(tǒng)[52]
Fig.11 Indirect oil cooling system of motor[52]

直接油冷散熱系統(tǒng)的冷卻油與電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱部件直接接觸，具有極高的散熱效率，是解決高功率密度電機(jī)散熱難題的有效方案。PONOMAREV等[53]采用CFD法和熱網(wǎng)格法分析了采用直接油冷散熱系統(tǒng)電機(jī)的溫升性能，建立了電機(jī)熱仿真1/18模型，極大提高了有限元分析的效率。HUANG等[54]采用CFD仿真法對(duì)比了間接油冷和直接油冷的散熱效率。間接油冷即冷卻油在機(jī)殼內(nèi)部通道中循環(huán)流動(dòng)；直接油冷是通過調(diào)整電機(jī)機(jī)殼結(jié)構(gòu)，使冷卻油直接接觸定子的冷卻方案，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。仿真結(jié)果表明，如果冷卻油驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率保持不變，則直接油冷散熱方案可以降低定子軛部的平均溫度，提高電機(jī)的功率密度。

圖12 直接油冷式電機(jī)機(jī)殼及其截面示意圖[54]
Fig.12 Casing of the direct oil cooling motor and its
sectional view[54]

文獻(xiàn)[55-56]以額定功率35 kW的輪轂電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)比分析了噴油式油冷、浸油式油冷、浸油式循環(huán)油冷和間接油冷散熱方案的冷卻效率，研究結(jié)果表明，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4400 r/min時(shí)，噴油式油冷的平均傳熱系數(shù)可達(dá)5270 W/(m2·K)，有效降低繞組溫升11.6%～25%。DAVIN等[57]實(shí)驗(yàn)研究了冷卻油噴射模式對(duì)電機(jī)冷卻效率的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)冷卻油在繞組頂部滴注時(shí)，冷卻油在繞組端部流過時(shí)具有較高的流速，對(duì)繞組端部的冷卻效果最好。

液冷散熱系統(tǒng)，特別是直接油冷散熱系統(tǒng)具有較高的散熱效率，能夠解決高功率密度電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的問題，在車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。液冷散熱系統(tǒng)需要額外的冷卻系統(tǒng)裝置，在一定程度上降低了電機(jī)系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)成本。水冷散熱系統(tǒng)存在銹蝕、堵塞和滲漏等隱患，一旦發(fā)生泄漏將直接危及電機(jī)的安全，因此需要對(duì)水冷散熱系統(tǒng)的循環(huán)管路進(jìn)行高可靠性的密封以確保電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性。相比于水介質(zhì)，油介質(zhì)具有絕緣特性好、介電常數(shù)高、凝固點(diǎn)低和沸點(diǎn)高等優(yōu)勢(shì)，可以提高電機(jī)系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性，避免氣蝕、水垢等腐蝕危害。然而油介質(zhì)的質(zhì)量熱容和熱導(dǎo)率都遠(yuǎn)小于水介質(zhì)，因此間接油冷散熱系統(tǒng)的效率低于水冷散熱系統(tǒng)，而直接油冷散熱系統(tǒng)的冷卻油與電機(jī)發(fā)熱部件直接接觸，其散熱效率遠(yuǎn)高于水冷散熱系統(tǒng)。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)：高效化是電機(jī)散熱系統(tǒng)的長期發(fā)展趨勢(shì)；通過優(yōu)化循環(huán)水道結(jié)構(gòu)、調(diào)整水道截面形狀和增加擾流結(jié)構(gòu)等方式可以在一定程度上提高水冷散熱系統(tǒng)的效率；在電機(jī)高發(fā)熱部件與機(jī)殼之間搭建額外熱路、縮短冷卻介質(zhì)與電機(jī)關(guān)鍵發(fā)熱部件之間的傳熱路徑是提高水冷散熱系統(tǒng)效率的有效方案與新方向。

2.3 蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)

蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)利用低沸點(diǎn)冷卻介質(zhì)的相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的高效冷卻。當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)、高絕緣系數(shù)的冷卻介質(zhì)與電機(jī)內(nèi)的發(fā)熱部件接觸時(shí)，冷卻介質(zhì)吸收大量的熱量并發(fā)生氣化，氣態(tài)的冷卻介質(zhì)在冷凝器遇冷轉(zhuǎn)化為液態(tài)，利用冷卻介質(zhì)的氣液相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效散熱。根據(jù)冷卻介質(zhì)沸騰溫度的高低，可以將蒸發(fā)冷卻分為低溫制冷式蒸發(fā)冷卻和常溫制冷式蒸發(fā)冷卻；根據(jù)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以將蒸發(fā)冷卻分為管內(nèi)冷卻和浸沒式冷卻；還可以根據(jù)冷卻介質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)是否采用驅(qū)動(dòng)泵，將蒸發(fā)冷卻分為自循環(huán)蒸發(fā)冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻兩大類。

張學(xué)禮[58]驗(yàn)證了蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)的效率顯著高于油冷和水外冷，并研究了冷卻介質(zhì)液面高度對(duì)冷卻效果的影響。蔡靜[59]將全封閉無泵自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于立式電機(jī)，證明了回液管為非滿液位時(shí)，冷卻介質(zhì)的循環(huán)動(dòng)力由回液管內(nèi)液柱高度產(chǎn)生的靜壓差和循環(huán)介質(zhì)具有的壓頭兩部分組成。劉長紅等[60]建立了自循環(huán)蒸發(fā)冷卻電機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。國建鴻等[61]對(duì)采用強(qiáng)迫循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的300 MW汽輪發(fā)電機(jī)的繞組溫升性能進(jìn)行研究，采用分相模型計(jì)算了兩相流動(dòng)的阻力，提出了通過流量調(diào)節(jié)控制蒸發(fā)點(diǎn)位置、防止兩相流動(dòng)阻力過大引起氣阻的方法。溫志偉等[62]首次提出了鐵芯浸潤式冷卻與繞組強(qiáng)迫循環(huán)冷卻相結(jié)合的蒸發(fā)冷卻電機(jī)散熱方案，分析了負(fù)荷變化對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的影響。研究結(jié)果表明蒸發(fā)冷卻方式與強(qiáng)迫循環(huán)內(nèi)冷方式結(jié)合可以有效抑制電機(jī)溫升，提高了電機(jī)長期運(yùn)行的穩(wěn)定性。侯哲[63]分析了電流密度、冷卻介質(zhì)流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻效果的影響，并指出冷卻介質(zhì)流動(dòng)不暢產(chǎn)生的局部缺液現(xiàn)象是導(dǎo)致繞組產(chǎn)生溫差的主要原因。

我國自主研發(fā)的蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)具有冷卻效率高、能耗低和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在兆瓦級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。目前蒸發(fā)冷卻技術(shù)仍存在新型冷卻介質(zhì)選擇、氣液兩相流的流動(dòng)特性和傳熱計(jì)算方面的問題。從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，傳統(tǒng)氟利昂類介質(zhì)不能繼續(xù)使用，新型具有良好物理、化學(xué)特性和絕緣特性的冷卻介質(zhì)還有待開發(fā)。氣液兩相流的傳熱問題缺乏成熟的理論，還未形成完備的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。此外，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前還未出現(xiàn)千瓦級(jí)電機(jī)設(shè)備采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的應(yīng)用案例。開發(fā)環(huán)境友好型冷卻介質(zhì)、完善兩相流傳熱計(jì)算理論以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化、小型化是蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展方向。

2.4 額外熱路增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)

額外熱路增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)是在電機(jī)原有風(fēng)冷、液冷散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立額外高效熱路以提高電機(jī)散熱效率的增強(qiáng)型電機(jī)散熱方案。受電機(jī)內(nèi)部絕緣漆、絕緣紙和空氣等低熱導(dǎo)率材料的限制，電機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵發(fā)熱部件，特別是端部繞組產(chǎn)生的熱量往往不能快速傳遞至冷卻殼體，造成熱量在電機(jī)關(guān)鍵部件大量積聚，形成局部高溫區(qū)。在電機(jī)關(guān)鍵發(fā)熱部件與冷卻殼體之間構(gòu)建額外熱路可以將熱量快速傳遞至機(jī)殼，解決電機(jī)內(nèi)部高發(fā)熱部件的散熱難題。

導(dǎo)熱樹脂[11-12]、導(dǎo)熱膠[13]和導(dǎo)熱陶瓷[14-15]等具有高熱導(dǎo)率和良好絕緣特性的材料是常用的構(gòu)建電機(jī)額外熱路的材料，其物理性能參數(shù)如表2所示。此外，還可以在定子槽[16]或定子鐵芯內(nèi)部[17]設(shè)置額外的導(dǎo)熱路徑以提高電機(jī)的散熱效率。

表2 常用導(dǎo)熱絕緣填充材料的物理性能參數(shù)對(duì)比

Tab.2 Comparison of physical properties of potting materials

SUN等[13]提出了采用導(dǎo)熱灌封膠強(qiáng)化散熱的水冷電機(jī)散熱系統(tǒng)，在電機(jī)端部繞組與機(jī)殼之間的縫隙中灌封導(dǎo)熱材料，該導(dǎo)熱灌封膠由液態(tài)灌封，加熱固化后保持固體狀態(tài)，具有良好的導(dǎo)熱性能和絕緣特性。在電機(jī)端部繞組與機(jī)殼之間增加高效熱路，可有效降低電機(jī)繞組穩(wěn)定溫度約27.3 ℃。導(dǎo)熱陶瓷材料具有較高的熱導(dǎo)率,但是昂貴的成本限制了導(dǎo)熱陶瓷材料在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前，大多采用導(dǎo)熱樹脂和導(dǎo)熱膠材料提高電機(jī)的散熱效率。

GALEA等[16]在水冷電機(jī)的定子槽內(nèi)嵌裝具有高熱導(dǎo)率的熱路并建立了電機(jī)熱路模型，如圖13所示，定子槽內(nèi)的熱路結(jié)構(gòu)可以根據(jù)定子槽型進(jìn)行調(diào)整。研究結(jié)果表明，在同等工作狀態(tài)下，該方案可以有效降低繞組溫度約40%。

圖13 針對(duì)不同槽型設(shè)計(jì)的槽內(nèi)熱路散熱方案[16]
Fig.13 Cooling schemes of internal thermal circuit
for different slot designs[16]

POLIKARPOVA等[17]在軸向磁通永磁同步電機(jī)的定子與機(jī)殼之間安裝了導(dǎo)熱銅棒，同時(shí)在電機(jī)繞組端部與機(jī)殼之間灌封了導(dǎo)熱陶瓷材料，如圖14所示，采用有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法驗(yàn)證了散熱方案的有效性，結(jié)果表明該方案可以降低繞組溫升13～17 ℃。

圖14 采用導(dǎo)熱膠和銅棒增強(qiáng)散熱的水冷電機(jī)[17]
Fig.14 Potting material and copper bars enhanced
water cooling motor[17]

近年來，相變熱管理技術(shù)得到了飛速發(fā)展，在大功率LED[64]、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)[65]、筆記本電腦[66]和智能手機(jī)[67]等高熱流密度電子器件中得到了廣泛應(yīng)用。相變熱管理技術(shù)主要包括相變儲(chǔ)熱技術(shù)和相變傳熱技術(shù)兩大類。相變儲(chǔ)熱技術(shù)利用相變材料的相變潛熱儲(chǔ)存大量的熱量，可以達(dá)到緩解溫度沖擊、抑制溫升的作用，石蠟是常用的相變儲(chǔ)熱材料[68]。相變傳熱技術(shù)利用工質(zhì)的氣液相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效傳熱的技術(shù)。熱管是常用的相變傳熱器件之一，主要包括殼體、吸液芯和工質(zhì)三部分，其工作原理如圖15所示。熱管的殼體是密封結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了抽真空處理，吸液芯附著在殼體內(nèi)壁，工質(zhì)在蒸發(fā)段遇熱氣化并吸收大量的熱量，導(dǎo)致蒸發(fā)段氣體壓力上升并驅(qū)動(dòng)工質(zhì)氣體向冷凝段移動(dòng)；蒸汽在冷凝段遇冷液化并釋放熱量，冷凝后的液態(tài)工質(zhì)在吸液芯的驅(qū)動(dòng)下回到蒸發(fā)段[69]。

圖15 熱管工作原理
Fig.15 Working principle of heat pipe

將相變熱管理技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)散熱系統(tǒng)，在電機(jī)高發(fā)熱部件與冷卻殼體之間搭建額外相變熱路，可以有效延長電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長、抑制電機(jī)溫升，實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效散熱。

BELLETTRE等[70]提出了采用相變材料抑制繞組端部溫升的散熱優(yōu)化方案，并采用熱仿真模型和試驗(yàn)證實(shí)了采用低熔點(diǎn)、高相變潛熱的相變材料可以顯著抑制端部繞組的溫升，并以此為依據(jù)確定鎵和石蠟(P116)分別是抑制端部繞組溫升的最佳金屬和非金屬相變材料。WANG等[71-73]在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部引入石蠟以緩解電機(jī)的溫升沖擊，如圖16所示，將電機(jī)機(jī)殼加工為中空結(jié)構(gòu)并灌注石蠟，并采用前后端蓋進(jìn)行密封以避免液態(tài)石蠟泄漏。有限元仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，當(dāng)電機(jī)工作在連續(xù)模式時(shí)，機(jī)殼內(nèi)部的石蠟可以有效延長電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間約32.7%；當(dāng)電機(jī)工作在周期模式時(shí)，機(jī)殼內(nèi)部的石蠟可以降低電機(jī)的峰值溫度約7.82 ℃。

圖16 風(fēng)冷電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部灌注石蠟示意圖及照片[71-73]
Fig.16 Schematic diagram and photo of paraffin
encapsulated in the casing of air cooling motor[71-73]

PUTRA等[74]在風(fēng)冷電機(jī)的機(jī)殼上安裝了8支L形熱管，將熱管的蒸發(fā)段套在楔形塊內(nèi)，楔形塊嵌裝在電機(jī)相鄰兩個(gè)翅片內(nèi)，熱管的冷凝段安裝了熱沉，并利用電機(jī)端部的風(fēng)扇對(duì)熱管進(jìn)行冷卻，測(cè)試結(jié)果表明機(jī)殼外部安裝的熱管可以有效降低電機(jī)表面溫度約33.8 ℃。HASSETT等[75]提出了在電機(jī)定子內(nèi)部嵌裝熱管以強(qiáng)化電機(jī)散熱的方案，F(xiàn)EDOSEYEV等[76]提出了在電機(jī)轉(zhuǎn)軸內(nèi)部嵌裝熱管優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱的方案,其方案示意圖見圖17。

(a)定子嵌裝熱管散熱方案[75]

(b)轉(zhuǎn)子嵌裝熱管散熱方案[76]
圖17 定子和轉(zhuǎn)子嵌裝熱管散熱方案
Fig.17 Heat dissipation scheme of heat pipes
embedded in stator or in rotor

(a)水冷電機(jī)模型圖

(b)熱管強(qiáng)化散熱的水冷電機(jī)

(c)熱管和導(dǎo)熱膠強(qiáng)化散熱的水冷電機(jī)

(d)熱管截面電鏡圖
圖18 基于3D熱管的水冷電機(jī)散熱方案[77]
Fig.18 Cooling system of water cooling motor
with 3D heat pipes?[77]

SUN等[77]針對(duì)新能源汽車用永磁同步電機(jī)繞組發(fā)熱量大、散熱環(huán)境惡劣和溫升過高的問題，開發(fā)了基于3D相變熱管的水冷電機(jī)散熱方案。如圖18所示，將3D熱管的蒸發(fā)段通過絕緣紙與電機(jī)端部繞組綁接在一起，冷凝段嵌裝在水冷機(jī)殼中；并提出了采用導(dǎo)熱灌封材料固定相變熱管的優(yōu)化方案。測(cè)試了電機(jī)在多個(gè)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和冷卻條件下的溫升性能，結(jié)果表明采用3D熱管優(yōu)化電機(jī)端部繞組散熱的方案可以有效降低繞組溫升約10 ℃；采用導(dǎo)熱灌封膠優(yōu)化的熱管散熱方案可以降低繞組溫升22.9 ℃，延長電機(jī)在峰值工況下的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長約50.6 s。因風(fēng)冷電機(jī)機(jī)殼中部與定子鐵芯直接接觸，而機(jī)殼的熱導(dǎo)率和風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱效率相對(duì)較低，造成熱量在機(jī)殼中部大量聚集，故機(jī)殼中部溫度明顯高于兩端溫度。針對(duì)該問題，F(xiàn)ANG等[78]提出了在機(jī)殼內(nèi)部嵌裝熱管的優(yōu)化方案，如圖19所示，沿機(jī)殼圓周方向均勻嵌裝24支熱管，利用熱管極高的熱導(dǎo)率將機(jī)殼中部的熱量快速傳遞至機(jī)殼兩端，避免機(jī)殼中部溫度過高，提高機(jī)殼的均溫性，有效降低電機(jī)額定工況下的繞組溫度22.3%，分別延長電機(jī)在高速和高轉(zhuǎn)矩工況下的運(yùn)行時(shí)長28.6%和21.4%。

圖19 風(fēng)冷電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部嵌裝熱管強(qiáng)化散熱方案[78]
Fig.19 Air-cooling motor with heat pipes embedded in
the casing to enhance heat dissipation[78]

額外熱路增強(qiáng)型散熱方案，特別是采用相變?cè)?gòu)建額外熱路的散熱方案是目前電機(jī)散熱系統(tǒng)高效化發(fā)展的新思路。相變傳熱元件具有熱導(dǎo)率極高、價(jià)格低廉和無需外部動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，可以將電機(jī)發(fā)熱部件積聚的熱量快速傳遞至冷卻介質(zhì)，提高電機(jī)散熱效率。目前，關(guān)于相變強(qiáng)化電機(jī)散熱方案的研究大多是研究其對(duì)電機(jī)溫升性能的影響，缺乏其對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)分布、效率及可靠性等方面的系統(tǒng)性研究。

系統(tǒng)性研究相變強(qiáng)化散熱方案對(duì)電機(jī)運(yùn)行情況的影響，實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用對(duì)抑制電機(jī)溫升、提高電機(jī)功率密度具有重要意義。

3 電機(jī)散熱系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) ?

風(fēng)冷、液冷、蒸發(fā)冷卻和額外熱路增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)具有各自的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)電機(jī)的發(fā)熱功率、生產(chǎn)成本和安裝空間等要素，選取合適的散熱方案是提高電機(jī)功率密度、運(yùn)行效率、可靠性和極端環(huán)境適應(yīng)能力的關(guān)鍵?？傮w來說，隨著電機(jī)向高功率密度、高集成化和高可靠性方向發(fā)展，電機(jī)散熱系統(tǒng)也逐漸向高效化、高可靠性和輕量化等方向發(fā)展。

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低廉的優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于發(fā)熱量小、對(duì)可靠性要求較高的小功率電機(jī)。液冷散熱系統(tǒng)是中到大功率電機(jī)最常用的散熱方式，具有較高的散熱效率，然而液冷散熱系統(tǒng)需要附加額外的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，增加了電機(jī)系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)整體的可靠性。蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)是解決兆瓦級(jí)大功率發(fā)電機(jī)組散熱的有效手段，然而其復(fù)雜的系統(tǒng)組成限制了其在千瓦級(jí)電機(jī)散熱領(lǐng)域的應(yīng)用。優(yōu)化蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高其集成化程度是蒸發(fā)冷卻散熱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

對(duì)于提高風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率，已有研究人員進(jìn)行了大量的探索與優(yōu)化，采用相變材料或器件提高風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率是電機(jī)散熱領(lǐng)域的新思路。利用相變器件極高的熱導(dǎo)率，將電機(jī)主要發(fā)熱部件的熱量快速傳遞至機(jī)殼，避免熱量在電機(jī)關(guān)鍵部件的積聚，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效散熱的有效手段和新方向。目前，針對(duì)額外熱路增強(qiáng)型散熱方案的研究大都集中在其對(duì)電機(jī)溫升的抑制效果，僅對(duì)該方案的散熱效果進(jìn)行了驗(yàn)證，缺乏從電機(jī)設(shè)計(jì)階段開始的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)與研究。值得注意的是，電機(jī)的溫度場(chǎng)與電磁場(chǎng)密切相關(guān)，采用額外熱路增強(qiáng)型散熱方案的電機(jī)溫升顯著降低，其電磁效率必定有所提高。同時(shí)，額外熱路增強(qiáng)型散熱方案出色的降溫效果理論上可以使電機(jī)在一定的過載工況下長期穩(wěn)定運(yùn)行，提高電機(jī)的功率密度[74,77-78]。因此，系統(tǒng)性研究額外熱路增強(qiáng)型散熱方案對(duì)電機(jī)溫升抑制、磁場(chǎng)分布以及運(yùn)行效率的影響，驗(yàn)證并提高其可靠性和集成化程度是其發(fā)展的主要方向。

高效化是電機(jī)散熱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，額外熱路增強(qiáng)型散熱方案是實(shí)現(xiàn)電機(jī)散熱系統(tǒng)向高效化發(fā)展的新方向。立足于電機(jī)設(shè)計(jì)階段，開發(fā)高可靠性的額外熱路集成式散熱方案不僅可以提高電機(jī)的散熱效率、抑制溫升，還可以提高電機(jī)系統(tǒng)的集成化程度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)向高功率密度、高集成化和高可靠性方向發(fā)展。

4 結(jié)論 ?

高效可靠的散熱系統(tǒng)是抑制電機(jī)溫升、提高電機(jī)運(yùn)行效率和功率密度、提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和延長電機(jī)壽命的重要基礎(chǔ)。風(fēng)冷、液冷、蒸發(fā)冷卻和額外熱路增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用并取得了顯著的降溫效果，針對(duì)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景、發(fā)熱功率和生產(chǎn)成本等因素選取恰當(dāng)?shù)纳嵯到y(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)高效散熱的關(guān)鍵。目前，電機(jī)散熱系統(tǒng)正隨著電機(jī)逐漸向高效化、高可靠性和高集成化方向發(fā)展。結(jié)合當(dāng)前電機(jī)散熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，今后可以針對(duì)以下幾個(gè)方面開展研究。

(1)研究風(fēng)冷散熱系統(tǒng)翅片尺寸結(jié)構(gòu)、翅片分布位置和風(fēng)速等因素與散熱效率之間的關(guān)系，建立并完善翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與散熱效率、生產(chǎn)成本之間的關(guān)系模型。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)在小功率電機(jī)散熱領(lǐng)域具有不可替代的地位，提高其散熱效率、降低其生產(chǎn)成本具有重要意義。建立并完善翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)與散熱效率、生產(chǎn)成本之間的關(guān)系模型，進(jìn)一步推動(dòng)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)向高散熱效率、低生產(chǎn)成本方向發(fā)展。

(2)建立液冷散熱系統(tǒng)流道幾何參數(shù)與散熱效率、水道壓降之間的理論模型。流道幾何參數(shù)是影響散熱效率和水道壓降的關(guān)鍵因素，目前主要通過有限元仿真法研究其對(duì)散熱效率和水道壓降的影響，缺乏完善的理論模型。

(3)建立完善的氣液兩相流傳熱模型，提高蒸發(fā)冷卻技術(shù)在電機(jī)系統(tǒng)中的集成化程度。蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有極高的散熱效率，在兆瓦級(jí)發(fā)電機(jī)組散熱系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，目前關(guān)于蒸發(fā)冷卻技術(shù)氣液兩相流的傳熱理論還有待完善；同時(shí)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)的系統(tǒng)組成相對(duì)龐大、復(fù)雜，應(yīng)推動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)向小型化、集成化方向發(fā)展，提高蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)與電機(jī)系統(tǒng)的集成化程度，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在千瓦級(jí)電機(jī)散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。

(4)系統(tǒng)性研究額外熱路，特別是相變器件對(duì)電機(jī)散熱系統(tǒng)冷卻效率的影響。采用導(dǎo)熱絕緣材料、相變傳熱器件在電機(jī)發(fā)熱部件與散熱系統(tǒng)之間構(gòu)建高效熱路是提高電機(jī)散熱效率的新方向。在電機(jī)設(shè)計(jì)階段充分考慮額外熱路對(duì)電機(jī)溫升的抑制效果，調(diào)整電機(jī)電磁方案以提高電機(jī)功率密度，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)以提高導(dǎo)熱膠、相變器件與電機(jī)的集成化程度，提高相變強(qiáng)化散熱系統(tǒng)的可靠性，從而推動(dòng)相變強(qiáng)化電機(jī)散熱系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

編輯：黃飛

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