隨著諸如新能源汽車(chē)、電動(dòng)飛機(jī)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高功率密度已成為電機(jī)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。在推動(dòng)電機(jī)高功率密度化發(fā)展的同時(shí)，帶來(lái)了電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱陡增、有效散熱空間嚴(yán)重不足的問(wèn)題。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部溫升過(guò)高以致超過(guò)絕緣材料耐溫限值時(shí)，不僅會(huì)破壞電機(jī)內(nèi)部絕緣，而且會(huì)造成永磁體不可逆退磁，從而降低電機(jī)的工作效率，嚴(yán)重影響電機(jī)壽命和電機(jī)運(yùn)行的安全性。

如何合理設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)已經(jīng)成為電機(jī)進(jìn)一步向高功率密度方向發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，采用高效的散熱系統(tǒng)改善電機(jī)的溫升極值和分布是電機(jī)向高功率密度方向發(fā)展的必經(jīng)之路。

風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)是兩種常用的電機(jī)散熱系統(tǒng)。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)不需要太復(fù)雜的輔助設(shè)施促進(jìn)流體流動(dòng)，對(duì)于散熱需求不是很高的小功率電機(jī)是相對(duì)節(jié)省成本和可靠的選擇。相較于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，液冷散熱系統(tǒng)多依靠熱物性參數(shù)比氣體優(yōu)越的液體，比如水和油，在輔助設(shè)施的幫助下，可以產(chǎn)生非常好的冷卻效果，其散熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。但是，用來(lái)支持液冷散熱系統(tǒng)的輔助設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這對(duì)電機(jī)的成本、占用空間和工藝難度均提出了更高的要求。從性?xún)r(jià)比考慮的話，液冷散熱系統(tǒng)更適用于散熱需求較大的高功率密度電機(jī)。

關(guān)于如何提高風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率已經(jīng)有大量的研究人員進(jìn)行了探索。高效化是電機(jī)散熱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，逐漸成為越來(lái)越多的學(xué)者所認(rèn)可的觀點(diǎn)。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升電機(jī)散熱效率的方案是實(shí)現(xiàn)電機(jī)散熱系統(tǒng)向高效化發(fā)展的新方向。P. S. Ghahfarokhi等提出增材制造（additive manufacturing, AM）技術(shù)允許電機(jī)設(shè)計(jì)者們可以更自由地使用各種散熱或隔熱材料來(lái)優(yōu)化電機(jī)散熱系統(tǒng)，從幾何角度考慮更高熱負(fù)荷的電機(jī)設(shè)計(jì)。

AM技術(shù)是指用打印技術(shù)逐層制造三維元件，它能夠快速進(jìn)行原型制作、構(gòu)建復(fù)雜的幾何形狀，以及構(gòu)建包括混合材料的組件來(lái)提高和改善電機(jī)的熱性能。圖1展示了3D打印直接繞組液冷換熱器的概念設(shè)計(jì)。A. Boglietti等提出用作絕緣填充或冷卻液的高質(zhì)量材料對(duì)于改善電機(jī)的冷卻效果至關(guān)重要，這些材料必須與用于電機(jī)散熱系統(tǒng)的各種冷卻配置相結(jié)合。

國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的利用相變技術(shù)與傳統(tǒng)風(fēng)冷、液冷結(jié)合起來(lái)的混合冷卻技術(shù)正逐漸引起關(guān)注，是未來(lái)高功率密度電機(jī)熱管理技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。

圖1 3D打印直接繞組液冷換熱器的概念設(shè)計(jì)

綜上，提高原有風(fēng)冷或液冷系統(tǒng)的散熱效率離不開(kāi)額外的散熱技術(shù)的支持。本文在已有研究的基礎(chǔ)上總結(jié)混合冷卻技術(shù)，對(duì)該新型散熱技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分類(lèi)和拓展。本文所提及的混合散熱技術(shù)是指將所有在風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再次利用風(fēng)冷和液冷或其他先進(jìn)散熱技術(shù)，以提高冷卻效率的散熱系統(tǒng)定義為混合型散熱技術(shù)。混合型散熱技術(shù)可能會(huì)是高功率密度電機(jī)散熱系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的重要方向。

本文首先介紹電機(jī)基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)即風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)的特點(diǎn)及其使用范圍，分析電機(jī)單一基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的不足，指出發(fā)展高功率密度電機(jī)混合型散熱系統(tǒng)的必要性。對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)混合型散熱系統(tǒng)的混合方式進(jìn)行整理，比較分析不同混合型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。同時(shí)列舉混合型散熱系統(tǒng)在高功率密度電機(jī)實(shí)際應(yīng)用中的特點(diǎn)與效果。最后對(duì)高功率密度電機(jī)混合型散熱系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，并提出今后應(yīng)該關(guān)注的發(fā)展重點(diǎn)。

1 電機(jī)基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

電機(jī)基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)有兩種，風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)，這兩種散熱系統(tǒng)在日常應(yīng)用中最為多見(jiàn)，也最容易實(shí)現(xiàn)。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)成本低，適用于小功率電機(jī)；液冷散熱系統(tǒng)散熱效率高，成本相對(duì)較高，適用于大功率電機(jī)。

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)可以根據(jù)是否采用風(fēng)扇裝置分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷。自然風(fēng)冷只依靠自身與外界空氣的溫差使空氣密度發(fā)生變化從而產(chǎn)生對(duì)流。強(qiáng)迫風(fēng)冷通常利用風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，提升風(fēng)速流動(dòng)，從而加強(qiáng)電機(jī)與空氣的熱交換，電機(jī)可以是封閉式的也可以是開(kāi)啟式的。圖2為采用封閉式內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)的電機(jī)，額外的風(fēng)扇系統(tǒng)提高了電機(jī)的散熱效率。

圖2 采用封閉式內(nèi)部通風(fēng)冷卻的電機(jī)截面

液冷散熱系統(tǒng)與風(fēng)冷散熱系統(tǒng)不同，需要在機(jī)殼內(nèi)部或電機(jī)其他部位布設(shè)水道，并利用循環(huán)裝置使冷卻液體不斷在水道內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)吸取熱量；被加熱后的液體在循環(huán)裝置中進(jìn)行再冷卻，重新流入電機(jī)水道。液冷散熱系統(tǒng)按照常用的冷卻流體可以分為水冷散熱系統(tǒng)和油冷散熱系統(tǒng)。

根據(jù)冷卻步驟，水冷散熱系統(tǒng)又分為間接和直接水冷散熱系統(tǒng)。間接水冷散熱系統(tǒng)主要是在機(jī)殼內(nèi)部挖設(shè)水道，圖3所示為主要的幾種水道結(jié)構(gòu)。直接水冷散熱系統(tǒng)是通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜而又纖細(xì)的水路管道嵌于發(fā)熱部位實(shí)現(xiàn)散熱，如圖4所示。

圖3 各種類(lèi)型的冷卻水道

圖4 線圈內(nèi)部水管示意

有學(xué)者研究不同水道對(duì)電機(jī)整體溫升的冷卻效果。由于直接水冷散熱系統(tǒng)的特殊性，其本質(zhì)是在關(guān)鍵部位首先創(chuàng)造熱路（薄殼管道嵌入繞組、鐵心等），然后配合管道內(nèi)的液體直接對(duì)發(fā)熱部位進(jìn)行冷卻，故將其從基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)劃分至混合型散熱系統(tǒng)。油介質(zhì)具有良好的絕緣特性，可以與發(fā)熱部位直接接觸，一般用作直接油冷散熱系統(tǒng)。

直接油冷散熱系統(tǒng)又分為油浸式散熱系統(tǒng)和噴油式散熱系統(tǒng)。油浸式散熱系統(tǒng)一般用于定子，如圖5所示，冷卻油灌滿(mǎn)整個(gè)定子，可對(duì)定子內(nèi)部所有組件進(jìn)行大面積冷卻。噴油式散熱系統(tǒng)一般在端蓋或轉(zhuǎn)軸設(shè)置噴油口，主要對(duì)端部繞組進(jìn)行冷卻，如圖6所示。

圖5 定子油浸式冷卻

圖6 端蓋噴油式冷卻

另外值得一提的是，目前所闡述的電機(jī)散熱系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)規(guī)模都不是很大。而對(duì)于大規(guī)模的電機(jī)比如水輪發(fā)電機(jī)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)，有一種特別的直接水冷技術(shù)，即蒸發(fā)冷卻技術(shù)，其原理是利用定子線棒空心股線內(nèi)介質(zhì)的汽化潛熱帶走熱量，如圖7所示。大量實(shí)踐結(jié)果表明，對(duì)于大型電機(jī)，蒸發(fā)冷卻技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和性能上具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖7 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)循環(huán)原理

各種基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)對(duì)電機(jī)主要發(fā)熱部位的冷卻效果見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)對(duì)電機(jī)主要發(fā)熱部位的冷卻效果

由表1可以看出，無(wú)論是風(fēng)冷還是液冷，它們的有效冷卻部位和冷卻效率都是有限的。比如，當(dāng)采用封閉式外通風(fēng)散熱系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)的內(nèi)部不存在高速流動(dòng)的冷卻氣流，此時(shí)電機(jī)內(nèi)部熱交換的效率較低。當(dāng)采用開(kāi)啟式外通風(fēng)散熱系統(tǒng)時(shí)，雖然定子部分的散熱效率得以提高，但是電機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)摩損耗可能會(huì)對(duì)溫升造成不可忽略的影響。

間接水冷或間接油冷雖然具有較高的對(duì)流傳熱能力，但只能在特定的范圍內(nèi)進(jìn)行局部降溫，距離流道越遠(yuǎn)的部位溫升就越難以改善。直接油冷的冷卻對(duì)象相對(duì)其他冷卻方式可以更廣泛，比如油浸式冷卻，但也對(duì)電機(jī)的密封性提出了更高的要求。并且在軸向磁通電機(jī)中，例如雙轉(zhuǎn)子單定子軸向磁通電機(jī)，定子與轉(zhuǎn)子完全隔開(kāi)，油浸式冷卻只能解決定子的散熱問(wèn)題，而轉(zhuǎn)子的冷卻可能需要額外考慮。

另外，繞組端部的散熱較為困難，噴油式冷卻一般是針對(duì)端部繞組的散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往不能顧及其他發(fā)熱部位，并且由于重力的原因，噴油式冷卻會(huì)造成散熱不均衡的問(wèn)題，同時(shí)噴油設(shè)備相對(duì)其他冷卻設(shè)備較為復(fù)雜。

綜上所述，不管是哪一種散熱系統(tǒng)都有其不足，而結(jié)合多種散熱技術(shù)的混合型散熱系統(tǒng)則能夠加強(qiáng)原本所針對(duì)冷卻部位的冷卻效果，同時(shí)能夠兼顧其他部位的散熱需求。因此利用多種散熱技術(shù)配合風(fēng)冷或液冷形成高可靠、高空間利用率及相對(duì)更低成本的混合型散熱系統(tǒng)是解決目前高功率密度電機(jī)溫升日趨嚴(yán)重問(wèn)題的有效方案。

2 高功率密度電機(jī)混合型散熱系統(tǒng)

2.1 復(fù)合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)基本概念

使用任何一種基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)，都會(huì)遇到無(wú)法滿(mǎn)足全部關(guān)鍵部位散熱需求的情況。因此有人提出同時(shí)采用兩種或兩種以上的基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)形成復(fù)合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行多部位的綜合冷卻。有學(xué)者對(duì)一臺(tái)1.12MW的高速永磁電機(jī)，采用不同類(lèi)型機(jī)殼水冷和通風(fēng)冷卻相結(jié)合的方法，并進(jìn)行對(duì)比分析。圖8為軸向通風(fēng)系統(tǒng)和混合通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明定子的溫度較低，而轉(zhuǎn)子的溫度卻高于定子，機(jī)殼水冷解決了定子的溫升問(wèn)題，風(fēng)冷卻沒(méi)有解決轉(zhuǎn)子的溫升問(wèn)題，在轉(zhuǎn)子散熱方面仍有較大的提升空間。

圖8 轉(zhuǎn)子風(fēng)冷結(jié)合機(jī)殼水冷散熱電機(jī)

因此，單純通過(guò)基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的簡(jiǎn)單疊加進(jìn)行冷卻，往往需要過(guò)多的冷卻設(shè)備空間及成本，并且會(huì)由于冷卻不夠靈活、針對(duì)性不強(qiáng)而造成冷卻性能浪費(fèi)。故許多學(xué)者研究了能夠相對(duì)節(jié)省空間和成本且更有針對(duì)性的混合型散熱系統(tǒng)。比如，當(dāng)采用風(fēng)冷和水冷進(jìn)行混合冷卻時(shí)，不會(huì)選擇額外增添風(fēng)扇裝置，而是通過(guò)設(shè)計(jì)擾流翅片并利用轉(zhuǎn)子自身的旋轉(zhuǎn)來(lái)加強(qiáng)空氣的流動(dòng)從而達(dá)到風(fēng)冷的效果。又或者是當(dāng)冷卻水道只能針對(duì)一處進(jìn)行散熱時(shí)，不會(huì)選擇在另一處繼續(xù)增設(shè)水道，而是通過(guò)導(dǎo)熱插件將發(fā)熱部位的熱量引向冷卻水道，諸如此類(lèi)。

2.2 增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)

電機(jī)的溫升主要取決于損耗與熱阻這兩個(gè)因素，關(guān)于抑制電機(jī)自身?yè)p耗，可以通過(guò)優(yōu)化拓?fù)浠蚴褂玫蛽p耗電磁材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如有學(xué)者通過(guò)優(yōu)化定子鐵心軛部寬度與齒部寬度的比例，將對(duì)繞組平均溫度影響更大的一部分銅損轉(zhuǎn)化為定子軛部鐵損，從而成功控制繞組的溫升，并且將電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行功率密度提高了約26.7%。定子鐵心軛部與齒部寬度比對(duì)損耗分布的影響如圖9所示。

圖9 定子鐵心軛部與齒部寬度比對(duì)損耗分布的影響

此外，減小熱阻也是改善電機(jī)溫升的一種方法，并且是最主要的方法。根據(jù)傳熱學(xué)原理，電機(jī)內(nèi)的熱量傳遞可以分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式。

這三種傳熱方式抵抗傳熱能力的大小可以通過(guò)熱阻表示為

目前，各種針對(duì)電機(jī)的散熱方法所運(yùn)用的原理以基于減小部件之間的傳導(dǎo)熱阻和對(duì)流熱阻為主。大部分散熱技術(shù)是基于減小傳熱距離、增大傳熱面積、提高材料導(dǎo)熱系數(shù)及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)這四個(gè)因素進(jìn)行設(shè)計(jì)的。因此，本文從這四個(gè)影響因素出發(fā)，對(duì)目前已有的一些先進(jìn)增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)進(jìn)行歸納整理。

傳熱距離與傳熱面積這兩個(gè)因素可以歸為一類(lèi)，即幾何參數(shù)。改變幾何參數(shù)的方法主要是將電機(jī)的某一部位以凸出延伸的方式嵌入發(fā)熱嚴(yán)重的部位，比如冷卻管道延伸或鐵心延伸等，此類(lèi)方法既減小了傳熱距離又增大了傳熱面積。

改變表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，一般是通過(guò)添加擾流翅片增強(qiáng)流體的湍流度，以達(dá)到提升表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的效果。改變材料導(dǎo)熱系數(shù)，利用此原理的方法較多，比如使用導(dǎo)熱絕緣材料填充空隙，采取導(dǎo)熱金屬連接冷卻設(shè)備與發(fā)熱部位，或者利用傳熱效率極高的相變物質(zhì)代替填充和熱連接。增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)的具體分類(lèi)如圖10所示。

圖10 增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)分類(lèi)

擾流翅片最早應(yīng)用于機(jī)殼表面，用于擴(kuò)大傳熱面積，提高湍流程度，以增強(qiáng)空氣對(duì)電機(jī)的散熱效果。當(dāng)自然風(fēng)速提高時(shí)，這種翅片的散熱效果也隨之提升，所以有人也將此方法用于強(qiáng)迫風(fēng)冷。翅片可以設(shè)置在機(jī)殼表面，也可以設(shè)置在電機(jī)內(nèi)部，取決于設(shè)計(jì)者想提高表面?zhèn)鳠釓?qiáng)度的具體部位。如果將風(fēng)冷換為換熱能力更高的液冷，增加擾流翅片會(huì)起到事半功倍的效果。

擾流翅片通常設(shè)置在有空隙或有流體存在且流體流動(dòng)程度不可忽視的地方。當(dāng)空隙狹小甚至沒(méi)有空隙或流體流動(dòng)微弱時(shí)，有學(xué)者通過(guò)填充灌封材料即導(dǎo)熱絕緣物質(zhì)、嵌插導(dǎo)熱金屬或利用相變物質(zhì)來(lái)縮短傳熱路徑、增大傳熱面積、加快導(dǎo)熱速率，以減小關(guān)鍵部件之間的熱阻。

導(dǎo)熱樹(shù)脂和導(dǎo)熱膠是相對(duì)空氣具有較高導(dǎo)熱率和良好絕緣特性的材料，也是電機(jī)常用的灌封材料]。導(dǎo)熱陶瓷相對(duì)其他灌封材料來(lái)說(shuō)具有最高的導(dǎo)熱率，不過(guò)由于其成本較為昂貴，所以應(yīng)用較少。有學(xué)者對(duì)導(dǎo)熱硅膠、環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯的材料性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明：硅膠在溫度范圍、電絕緣和工藝等方面具有最佳的材料特性；環(huán)氧樹(shù)脂在耐化學(xué)性、剛度和粘合劑強(qiáng)度方面是最好的；聚氨酯是最好的防潮層，但就材料的溫度范圍而言不是很理想。

導(dǎo)熱金屬一般是鋁或銅，銅的導(dǎo)熱率更高但需要考慮更多的渦流損耗。相變物質(zhì)主要有石蠟和熱管，石蠟具有良好的儲(chǔ)熱性能，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且成本低廉，在日常生活中被廣泛應(yīng)用。同理也可以應(yīng)用于電機(jī)散熱，它可以對(duì)電機(jī)的溫升起到緩沖和抑制作用。

熱管是一種比較復(fù)雜的復(fù)合型相變材料，它的工作原理如圖11所示。根據(jù)作用不同可以將熱管劃分為三個(gè)區(qū)域：蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段。蒸發(fā)段負(fù)責(zé)吸收熱源傳播的熱量，網(wǎng)芯內(nèi)工質(zhì)被加熱超過(guò)臨界溫度后，相態(tài)發(fā)生改變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，同時(shí)向絕熱段和冷凝段流去，在絕熱段并不發(fā)生熱交換。

氣態(tài)工質(zhì)到達(dá)冷凝段后，遇冷再次發(fā)生相變，由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，附著在網(wǎng)芯上，并通過(guò)網(wǎng)芯的逆流作用，回到蒸發(fā)段，冷凝時(shí)散發(fā)的熱量可以由另外的冷卻系統(tǒng)吸收。此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)高效傳熱。熱管的三個(gè)工作區(qū)域具有隨意性，可根據(jù)實(shí)際熱源與冷源的分布任意切換。

為了便于擺放，熱管也可以進(jìn)行一定程度的彎折與擠壓。這些獨(dú)特的性質(zhì)使熱管可以非常靈活地作為輔助電機(jī)散熱的材料。熱管被應(yīng)用于電機(jī)的各種部位，如圖12所示，包括定子槽部繞組、定子端部繞組、定子鐵心及轉(zhuǎn)子鐵心等。

圖11 熱管工作原理

圖12 熱管在電機(jī)各部位中的應(yīng)用

2.3 混合型散熱系統(tǒng)

1）混合方式

在前文中已經(jīng)分別介紹了基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)和增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)，混合型散熱系統(tǒng)即是在基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用基礎(chǔ)型或增強(qiáng)型散熱技術(shù)，解決單一基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)不足的散熱技術(shù)。兩種散熱系統(tǒng)在不同配合方式下形成的混合型散熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷卻效果也不同。以徑向電機(jī)為例，電機(jī)外部即機(jī)殼處的冷卻方法主要是風(fēng)冷和水冷。風(fēng)冷可以是自然冷卻也可以是外置風(fēng)扇強(qiáng)迫冷卻，水冷則是在機(jī)殼內(nèi)部挖設(shè)水道。

增強(qiáng)機(jī)殼散熱的措施有在機(jī)殼表面增加翅片或在水道內(nèi)部增加翅片，如圖13（a）所示，包含了電機(jī)機(jī)殼處基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)和增強(qiáng)型散熱技術(shù)匹配的所有可能。圖13（a）也給出了針對(duì)繞組槽部散熱的增強(qiáng)型散熱技術(shù)，包括將機(jī)殼冷卻管道延伸至槽部，將導(dǎo)熱插件嵌入機(jī)殼與槽部之間，以及將鐵心延伸至槽部。這些增強(qiáng)型散熱技術(shù)可以同時(shí)配合機(jī)殼處的散熱系統(tǒng)形成多重混合型散熱系統(tǒng)。

根據(jù)圖13（a）中的熱網(wǎng)絡(luò)圖可以看出，機(jī)殼處的散熱措施主要是為了增大傳熱面積以減小導(dǎo)熱熱阻或是增強(qiáng)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從而減小表面?zhèn)鳠釤嶙?，使機(jī)殼與冷卻液體或外部空氣的溫差減小。針對(duì)繞組槽部的散熱措施主要是構(gòu)建額外的熱路，以加強(qiáng)熱量的傳遞，使電機(jī)內(nèi)部與內(nèi)機(jī)殼的溫差減小，而內(nèi)機(jī)殼的溫度又受機(jī)殼處所采取的散熱措施影響。

除了繞組槽部，構(gòu)建額外熱路的方法同樣可以運(yùn)用于繞組端部或鐵心，如圖13（b）所示。除此之外，還有在電機(jī)內(nèi)部設(shè)置擾流翅片以增強(qiáng)整個(gè)內(nèi)部氣隙流動(dòng)的方法，該方法的目的是增大電機(jī)內(nèi)部所有物體表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，以減小電機(jī)各部位與冷卻氣體的溫差，同樣也可以配合機(jī)殼處的散熱系統(tǒng)形成多重混合型散熱系統(tǒng)。

值得注意的是，不僅混合型散熱系統(tǒng)的混合方式是多樣的，混合型散熱系統(tǒng)的組成也可以是多種的。除此之外，還有一些特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其散熱系統(tǒng)也可以采取類(lèi)似的混合方式。

圖13 混合散熱系統(tǒng)的不同混合方式（基于LPTN法）

2）不同混合型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

混合型散熱系統(tǒng)雖使冷卻效率有所提高，但在其他方面可能造成負(fù)面影響，比如電機(jī)性能、制造工藝、空間大小和制作成本等。所以綜合考慮各方面因素，權(quán)衡利弊，采取合適的混合型散熱系統(tǒng)是非常必要的。

首先是采用擾流翅片配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)。翅片的形狀一般比較簡(jiǎn)單，容易加工。

有的翅片是直接在原部位的基礎(chǔ)上加工，比如機(jī)殼表面、機(jī)殼水道、軸向電機(jī)轉(zhuǎn)子的背軛鐵心（back iron extension, BIE），這些部位的原材料相對(duì)比較便宜。有的翅片是額外制造再進(jìn)行裝配，同樣在加工難度和取材成本方面都比較寬容。但是如果擾流翅片的形狀和方位設(shè)計(jì)不合理，會(huì)對(duì)散熱起反效果，增大摩擦損失。

然后是延伸冷卻管道配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)。具有這種結(jié)構(gòu)的混合型散熱系統(tǒng)往往冷卻效率都比較高，但這種結(jié)構(gòu)的制造難度較大。若管道延伸至繞組，則會(huì)影響繞組的下線及排布；若延伸至鐵心，則會(huì)減少鐵心的用量，從而影響電磁性能。特別需要指出的是，由于這種帶有冷卻液體的管道深入關(guān)鍵部位，所以更加需要做好密封措施。

接著是導(dǎo)熱插件配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)。導(dǎo)熱插件是外加的工具，基本不需要對(duì)原電機(jī)進(jìn)行額外加工，但是需要為其選好安插固定的位置，若插在繞組中同樣會(huì)給下線帶來(lái)困難。導(dǎo)熱插件的導(dǎo)熱效果和成本完全取決于設(shè)計(jì)者，若采用普通的金屬，則成本較低，若采用導(dǎo)熱率極高的熱管，則成本會(huì)上升，而且需要考慮銅外殼帶來(lái)的渦流損耗。但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱插件的設(shè)計(jì)比較靈活。

最后是導(dǎo)熱絕緣灌封材料配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)。一般采用導(dǎo)熱絕緣材料進(jìn)行灌封的用量都比較大，因而會(huì)增加成本及電機(jī)質(zhì)量。導(dǎo)熱絕緣材料的導(dǎo)熱率相對(duì)空氣較高，而相對(duì)金屬較低，且具有高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱絕緣材料比如陶瓷的價(jià)格比較昂貴。盡管如此，由于導(dǎo)熱絕緣材料大量灌封，填充到的空間比較全面，雖不能明顯降低峰值溫度，但對(duì)降低平均溫度效果比較好。

表2 不同混合型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

表2給出了不同混合型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。另外，對(duì)于一些空間限制比較嚴(yán)格的電機(jī)，無(wú)法增設(shè)循環(huán)冷卻水設(shè)施，可以采用擾流翅片、導(dǎo)熱插件或灌封材料配合風(fēng)冷的混合型散熱系統(tǒng)。對(duì)于一些散熱需求大、運(yùn)行工況惡劣的電機(jī)，可以采用延伸冷卻管道或?qū)岵寮浜弦豪涞幕旌闲蜕嵯到y(tǒng)。

對(duì)于需要大規(guī)?？焖偕a(chǎn)的低成本電機(jī)，延伸冷卻管道的做法不再適用。對(duì)于槽滿(mǎn)率較高的電機(jī)，因?yàn)橄戮€困難，在槽中延伸或插入任何元件都不合適。具體的混合型散熱系統(tǒng)方案應(yīng)該根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需求，按照主次關(guān)系進(jìn)行選擇。

2.4 混合型散熱系統(tǒng)在高功率密度電機(jī)中的應(yīng)用

1）擾流翅片配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

高速電機(jī)由于高頻所產(chǎn)生的損耗較大，定轉(zhuǎn)子的發(fā)熱問(wèn)題均比較嚴(yán)重，所以其多采用風(fēng)冷與機(jī)殼水冷相結(jié)合的混合散熱系統(tǒng)。當(dāng)電機(jī)為全封閉結(jié)構(gòu)時(shí)，外部的風(fēng)冷對(duì)電機(jī)內(nèi)部的冷卻效果將微乎其微。而機(jī)殼水冷只能解決定子的溫升問(wèn)題，所以有學(xué)者研究轉(zhuǎn)子風(fēng)刺對(duì)機(jī)殼水冷全封閉式高速永磁電機(jī)散熱的影響，帶轉(zhuǎn)子風(fēng)刺結(jié)構(gòu)的水冷電機(jī)如圖14所示，轉(zhuǎn)子風(fēng)刺位于端部空腔處。研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子風(fēng)刺可使電機(jī)內(nèi)部空氣的流速顯著增加，從而提高轉(zhuǎn)子表面的換熱效率。

圖14 帶轉(zhuǎn)子風(fēng)刺結(jié)構(gòu)的水冷電機(jī)

這種類(lèi)似風(fēng)刺的結(jié)構(gòu)即使在沒(méi)有機(jī)殼水冷的情況下，利用強(qiáng)迫風(fēng)冷也可以起到較好的散熱效果。有學(xué)者研究分析一種大容量高速感應(yīng)電機(jī)的氣隙翅片對(duì)繞組冷卻性能的影響。帶轉(zhuǎn)軸氣隙翅片的風(fēng)冷電機(jī)如圖15所示，氣隙翅片位于轉(zhuǎn)軸兩端，該翅片與風(fēng)刺相比更為復(fù)雜，是一種利于加劇空氣流動(dòng)的形狀結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)，有氣隙翅片存在的空腔具有更高的流速分布，如圖16所示，特別是端部繞組的內(nèi)側(cè)對(duì)流更加強(qiáng)烈。氣隙翅片使端部繞組表面和氣隙處的傳熱系數(shù)分別增加了31%和90%，能夠有效降低端部繞組和轉(zhuǎn)子的平均溫度。

圖15 帶轉(zhuǎn)軸氣隙翅片的風(fēng)冷電機(jī)

圖16 電機(jī)內(nèi)腔速度流線分布

在徑向電機(jī)中，這種增強(qiáng)風(fēng)冷的擾流翅片多設(shè)置在機(jī)殼表面或轉(zhuǎn)軸處。在軸向電機(jī)中，多將擾流翅片設(shè)置在轉(zhuǎn)子背軛鐵心處。有學(xué)者采用內(nèi)部風(fēng)冷，在轉(zhuǎn)子背鐵處設(shè)計(jì)了3種翅片來(lái)加強(qiáng)空氣擾動(dòng)，以改善轉(zhuǎn)子散熱效果，如圖17所示。通過(guò)比較不同形狀的翅片對(duì)電機(jī)風(fēng)摩損耗、散熱性能的影響，表明淚滴式翅片具有最好的輔助散熱效果。

圖17 背鐵處采用不同形狀翅片的軸向電機(jī)轉(zhuǎn)子

有學(xué)者將擾流翅片應(yīng)用于水冷散熱，在一臺(tái)雙定子軸向電機(jī)兩端端蓋水冷管道中添加方形或橢圓形的擾流板，以提高水流的湍流強(qiáng)度，從而增強(qiáng)水冷效果，如圖18所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，橢圓形擾流板結(jié)構(gòu)的水道冷卻效果較好，而方形擾流板結(jié)構(gòu)的水道冷卻效果弱于無(wú)擾流板結(jié)構(gòu)的水道，這證明擾流翅片不一定能對(duì)風(fēng)冷或液冷起到加強(qiáng)效果，合理地設(shè)計(jì)擾流翅片的形狀也非常重要。

圖18 不同擾流板形狀的水道結(jié)構(gòu)

大量的論證和實(shí)驗(yàn)都已表明，液冷系統(tǒng)的散熱效率相對(duì)于風(fēng)冷系統(tǒng)要高幾十倍。但是，不能與發(fā)熱部件直接接觸的間接水冷系統(tǒng)的散熱范圍具有較大的局限性，即使在流道內(nèi)增加擾流翅片來(lái)提高冷卻液體的對(duì)流換熱能力，也不能對(duì)超出間接水冷系統(tǒng)散熱范圍的其他部位進(jìn)行冷卻。而直接水冷系統(tǒng)在流道和絕緣的設(shè)計(jì)上已經(jīng)花費(fèi)了許多成本，使其能對(duì)相應(yīng)電機(jī)部位進(jìn)行精準(zhǔn)高效冷卻，故沒(méi)有必要再增設(shè)擾流翅片加強(qiáng)散熱效果。

采用油浸式冷卻的電機(jī)往往內(nèi)部油路軌跡已非常復(fù)雜，此時(shí)利用擾流翅片增加湍流度的意義不大。而對(duì)于噴油式冷卻，油滴作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，擾流翅片難以影響冷卻油的流動(dòng)及換熱。因此相對(duì)來(lái)說(shuō)，擾流翅片更適合配合風(fēng)冷作為混合型散熱系統(tǒng)。

2）灌封材料配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

除了利用擾流翅片加強(qiáng)風(fēng)冷或水冷自身的湍流程度以提升對(duì)流換熱能力外，也可以利用導(dǎo)熱絕緣材料填充氣隙減小熱阻來(lái)加強(qiáng)電機(jī)關(guān)鍵部位與冷卻設(shè)施之間的熱連接。作為一種增強(qiáng)熱管理策略，有學(xué)者將導(dǎo)熱硅膠封裝在端部繞組與外殼之間的空隙中，如圖19所示。溫升試驗(yàn)表明，在任何工況下，采用導(dǎo)熱硅膠的電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行溫度都低于原電機(jī)，最高溫度可降低27.3℃，并且能夠提高極限工況下的過(guò)載時(shí)間。

圖19 采用導(dǎo)熱硅膠灌封的水冷電機(jī)

有學(xué)者在軸向電機(jī)的定子外側(cè)安裝兩排并聯(lián)的水冷銅管，如圖20所示。水冷銅管與繞組之間具有一定的距離，其間的空氣會(huì)嚴(yán)重影響水冷銅管對(duì)定子的散熱，所以在水冷銅管和定子之間用高熱導(dǎo)率的環(huán)氧樹(shù)脂填充以降低熱阻，由溫度場(chǎng)圖可以看出水管與周?chē)畛湮镔|(zhì)的溫差較小。

圖20 采用導(dǎo)熱樹(shù)脂灌封的軸向電機(jī)

導(dǎo)熱陶瓷具有比導(dǎo)熱硅膠和導(dǎo)熱樹(shù)脂更高的熱導(dǎo)率，有學(xué)者使用導(dǎo)熱陶瓷對(duì)一軸向永磁電機(jī)的端部繞組和水冷機(jī)殼之間的空隙進(jìn)行填充，如圖21所示，它避免了端部繞組和水冷機(jī)殼之間的高熱阻。結(jié)果表明，在導(dǎo)熱陶瓷的輔助下，該電機(jī)的溫度可以降低10%左右。

圖21 采用導(dǎo)熱陶瓷灌封的軸向電機(jī)

3）導(dǎo)熱金屬配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

導(dǎo)熱硅膠和導(dǎo)熱樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)普遍在2W/ (m·℃)以下，而導(dǎo)熱陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)雖然高達(dá)幾十，但其成本較為昂貴。盡管相對(duì)于空氣，灌封材料使關(guān)鍵部位之間的接觸熱阻減小了很多，但是這些灌封材料的塑形和導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)不如金屬。導(dǎo)熱金屬更容易作為兩個(gè)部位之間連接的橋梁，采用更高熱導(dǎo)率的金屬嵌入電機(jī)關(guān)鍵部位的內(nèi)部，在縮短傳熱路徑的同時(shí)又能更大程度地減小傳導(dǎo)熱阻。

有學(xué)者為了提高集中繞組電機(jī)的功率密度，引入封裝定子端部繞組的導(dǎo)熱插件替代導(dǎo)熱絕緣灌封材料，如圖22所示。端部繞組與導(dǎo)熱插件之間的大面積直接接觸使熱量可以在定子繞組與機(jī)殼之間進(jìn)行較好的傳遞。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，沒(méi)有該導(dǎo)熱插件封裝的電機(jī)定子繞組只能達(dá)到19.0A/mm2的電流密度，具有導(dǎo)熱插件封裝的定子繞組電流密度可以達(dá)到26.5A/mm2。但是這種封裝型導(dǎo)熱插件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了工藝難度，并且需要考慮鐵心損耗的增加。

圖22 采用導(dǎo)熱插件封裝端部繞組的電機(jī)

YASA電機(jī)高功率密度及高縱橫比的特性使其非常適合作為輪轂電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)。但由于輪轂電機(jī)空間位置的限制，使用風(fēng)扇型風(fēng)冷和液冷比較困難。為了節(jié)省成本、簡(jiǎn)化工藝，只能采取自然風(fēng)冷，但單純的自然風(fēng)冷的散熱能力對(duì)這種高功率高轉(zhuǎn)矩電機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。有學(xué)者對(duì)輪內(nèi)牽引用YASA電機(jī)的空冷問(wèn)題進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究。定子齒、繞組和導(dǎo)熱翅片組件如圖23所示，研究人員在繞組和轉(zhuǎn)子背軛之間嵌插鋁制的導(dǎo)熱翅片，向周?chē)諝馓峁╊~外的低熱阻路徑，通過(guò)空氣冷卻可以達(dá)到所需的性能。

圖23 定子齒、繞組和導(dǎo)熱翅片組件

有無(wú)導(dǎo)熱翅片電機(jī)的溫升對(duì)比如圖24所示，有限元分析和物理模型實(shí)驗(yàn)表明，此設(shè)計(jì)可使電流密度提高大約40%，還提高了電機(jī)的短時(shí)間過(guò)載能力。有學(xué)者在定子槽部繞組之間插入導(dǎo)熱器，并給出幾種導(dǎo)熱器變種設(shè)計(jì)，插入導(dǎo)熱器的定子槽部繞組結(jié)構(gòu)如圖25所示。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)只會(huì)造成很少的功率損失，并且在低頻工作時(shí)輸入功率可增加約40%，高頻時(shí)輸入功率可增加20%。

圖24 有無(wú)導(dǎo)熱翅片電機(jī)的溫升對(duì)比

圖25 插入導(dǎo)熱器的定子槽部繞組結(jié)構(gòu)

4）延伸鐵心配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

與利用導(dǎo)熱插件這種外加零件方法不一樣的是，可以直接改變?cè)瓕俨考慕Y(jié)構(gòu)形狀使其深入發(fā)熱部件內(nèi)部，從而達(dá)到相同的散熱效果。比如有學(xué)者提出一種簡(jiǎn)單、新穎的方法，通過(guò)延長(zhǎng)槽內(nèi)的部分背軛鐵心，縮短槽內(nèi)熱源與冷卻介質(zhì)之間的傳熱距離來(lái)提高集中繞組的電機(jī)熱性能。圖26為BIE電機(jī)定子槽部的熱網(wǎng)絡(luò)，這種修改的實(shí)現(xiàn)成本很低，因?yàn)椴簧婕叭魏涡碌母郊硬牧?。通過(guò)優(yōu)化BIE的長(zhǎng)寬比，可以降低26.7%的峰值繞組溫度，并且這種BIE結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的電磁性能影響很小。

圖26 BIE電機(jī)定子槽部熱網(wǎng)絡(luò)

有學(xué)者同樣設(shè)計(jì)了一種類(lèi)似BIE結(jié)構(gòu)的散熱系統(tǒng)，如圖27所示，延伸鐵心貫穿整個(gè)繞組的中間。不同的是有的學(xué)者將其應(yīng)用于高轉(zhuǎn)矩密度的管式電機(jī)，延伸鐵心的存在使電機(jī)在相同溫升的情況下可以輸出更高的電流密度和功率。

圖27 采用BIE結(jié)構(gòu)的管式電機(jī)

5）延伸冷卻管道配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

同樣也可以改變冷卻管道的結(jié)構(gòu)，使冷卻路徑能夠到達(dá)發(fā)熱部位。有學(xué)者提出一種新的水冷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即將機(jī)殼水道的一部分延伸至定子鐵心內(nèi)，并在一12槽10極永磁同步電機(jī)上證明了該水冷結(jié)構(gòu)的有效性。機(jī)殼水道延伸結(jié)構(gòu)如圖28所示。仿真結(jié)果表明，在額定條件下，與傳統(tǒng)機(jī)殼水冷相比，使用該機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)的最大繞組溫度可降低至少20℃。電機(jī)溫度場(chǎng)對(duì)比如圖29所示。

圖28 機(jī)殼水道延伸結(jié)構(gòu)

圖29 電機(jī)溫度場(chǎng)對(duì)比

有學(xué)者針對(duì)YASA電機(jī)設(shè)計(jì)了類(lèi)似的機(jī)殼冷卻管道延伸結(jié)構(gòu)，如圖30所示，并對(duì)延伸的水冷管直徑和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。CFD結(jié)果表明，該電機(jī)的峰值輸出功率為65kW，比原型機(jī)高30%，功率密度從2.22kW/kg增加到3.07kW/kg。

圖30 背鐵處采用不同形狀翅片的軸向電機(jī)轉(zhuǎn)子

有時(shí)因客觀因素?zé)o法設(shè)置循環(huán)水冷卻設(shè)施，但可以利用機(jī)殼延伸結(jié)構(gòu)加強(qiáng)散熱。有學(xué)者在YASA電機(jī)定子的熱設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)殼進(jìn)行延伸，機(jī)殼延伸的部分位于繞組之間，如圖31所示。繞組的熱量可以通過(guò)延伸機(jī)殼更快地傳遞至外部，通過(guò)外部風(fēng)冷散去。特別地，當(dāng)繞組與機(jī)殼之間的灌封材料導(dǎo)熱率較低時(shí)，這種延伸機(jī)殼的導(dǎo)熱作用將會(huì)顯得更為重要。

圖31 機(jī)殼延伸結(jié)構(gòu)的YASA電機(jī)

除了字面意義上的冷卻管道延伸，即對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)殼冷卻管道進(jìn)行一定的變形外，利用AM或其他技術(shù)構(gòu)造形狀特別的管道嵌入發(fā)熱部位之間也屬于一種特別的冷卻管道延伸方法。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種比功率為11.8kW/kg的分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)，并采用特殊材料和AM技術(shù)制成了應(yīng)用于繞組槽部的T型冷卻管道，如圖32所示。該電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在33.3A/mm2電流密度輸入的情況下，使繞組峰值溫度保持在195℃以下。

有學(xué)者采用硅橡膠制成冷卻管道夾在端部繞組之間，如圖33所示。通過(guò)簡(jiǎn)單地直接冷卻端部繞組，可以顯著降低繞組溫度。實(shí)驗(yàn)證明了其有效性，即使冷卻方法僅應(yīng)用于一個(gè)端部繞組側(cè)，端部繞組溫度也降低了25%。

圖32 T型冷卻管道延伸結(jié)構(gòu)

圖33 端部繞組冷卻管道延伸結(jié)構(gòu)

6）相變物質(zhì)配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

比導(dǎo)熱金屬具有更高傳熱效率的材料是相變物質(zhì)，與普通導(dǎo)熱物質(zhì)相比，其跨越式的導(dǎo)熱能力越來(lái)越受到電機(jī)設(shè)計(jì)者們的青睞，逐漸被廣泛應(yīng)用。有學(xué)者在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)部引入石蠟以緩解電機(jī)的溫升沖擊，如圖34所示。與自冷永磁同步電機(jī)的傳統(tǒng)外殼相比，采用石蠟填充的新外殼，可使電機(jī)的工作時(shí)間延長(zhǎng)近32.7%，使電機(jī)的峰值溫度最大可以降低約7.8℃。

圖34 石蠟填充機(jī)殼式自冷電機(jī)

比石蠟應(yīng)用更廣的是復(fù)合型相變?cè)獰峁?。有學(xué)者采用熱管和翅片聯(lián)結(jié)式的結(jié)構(gòu)配合外部風(fēng)冷增強(qiáng)電機(jī)的散熱能力，基于熱管-翅片輔助風(fēng)冷的無(wú)人機(jī)電機(jī)定子如圖35所示。槽部繞組中的熱管負(fù)責(zé)快速導(dǎo)熱，翅片吸收熱量后再通過(guò)較大的表面積散發(fā)到外部空間。

圖35 基于熱管-翅片輔助風(fēng)冷的無(wú)人機(jī)電機(jī)定子

有學(xué)者提出一種提高分?jǐn)?shù)槽集中繞組外轉(zhuǎn)子電機(jī)熱性能的方法，基于槽部熱管冷卻的外轉(zhuǎn)子電機(jī)如圖36所示，熱管的蒸發(fā)段位于整個(gè)槽部繞組中間，冷凝段嵌于冷卻水道中，定子鐵心內(nèi)側(cè)同時(shí)有冷卻水道通過(guò)。在考慮熱管銅壁產(chǎn)生的額外渦流損耗的前提下，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化得到熱管的最佳尺寸大小與在繞組槽部中的安放位置。

在額定工況時(shí)，槽部繞組的峰值溫度相比無(wú)熱管時(shí)最大可降低約50℃，含優(yōu)化熱管定子槽部與原電機(jī)溫度場(chǎng)對(duì)比如圖37所示。在該散熱系統(tǒng)的作用下，實(shí)際電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 000~6 000r/min時(shí)繞組的電流密度可達(dá)到15A/mm2。

圖36 基于槽部熱管冷卻的外轉(zhuǎn)子電機(jī)

圖37 含優(yōu)化熱管定子槽部與原電機(jī)溫度場(chǎng)對(duì)比

有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種端蓋上帶熱管的新型水冷電機(jī)，如圖38所示。熱管一端掩埋在端蓋內(nèi)可進(jìn)行自然風(fēng)冷，一端嵌入定子鐵心內(nèi)傳導(dǎo)定子的熱量，此結(jié)構(gòu)可有效降低繞組溫度約15℃。

圖38 采用端蓋熱管結(jié)構(gòu)的水冷電機(jī)

7）多種增強(qiáng)散熱技術(shù)配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)

目前也有不少學(xué)者在原有基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用多種增強(qiáng)型散熱技術(shù)并用的設(shè)計(jì)方法。比如有學(xué)者在電機(jī)繞組端部與機(jī)殼之間灌封導(dǎo)熱陶瓷材料，又在定子與機(jī)殼之間安裝導(dǎo)熱銅棒，采用導(dǎo)熱陶瓷和銅棒的軸向電機(jī)如圖39所示，結(jié)果顯示該方法對(duì)降低繞組溫度有較好的效果。

圖39 采用導(dǎo)熱陶瓷和銅棒的軸向電機(jī)

有學(xué)者將熱管嵌入定子鐵心外側(cè)的護(hù)套中，如圖40所示，同時(shí)由機(jī)殼水和端部風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。對(duì)于特定的85kW電機(jī)，在1500s模擬時(shí)間內(nèi)，與傳統(tǒng)液體冷卻相比，該混合冷卻系統(tǒng)可以節(jié)省約370kJ的能量。

圖40 采用定子鐵心熱管結(jié)構(gòu)的混合冷卻電機(jī)

有學(xué)者針對(duì)繞組端部溫升較高的情況設(shè)計(jì)基于熱管冷卻的永磁同步電機(jī)散熱方案，使用熱管直接連接電機(jī)端部繞組與機(jī)殼，解決電機(jī)繞組的散熱難題，并且為了減小熱管蒸發(fā)端與端部繞組之間的接觸熱阻，在二者之間填充了導(dǎo)熱硅脂，采用端部繞組熱管結(jié)構(gòu)的水冷電機(jī)如圖41所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，此方案對(duì)端部繞組起到了良好的降溫效果。

圖41 采用端部繞組熱管結(jié)構(gòu)的水冷電機(jī)

3 混合型散熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)論是基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)還是增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，根據(jù)電機(jī)的發(fā)熱部位、制作成本、工藝難度和空間限制等要素，選取合適的散熱方案是提高電機(jī)功率密度、運(yùn)行效率、可靠性和惡劣工況上限的關(guān)鍵。比如對(duì)于低成本風(fēng)冷電機(jī)，可以通過(guò)設(shè)置擾流翅片增強(qiáng)風(fēng)冷效率；對(duì)于槽滿(mǎn)率低、槽部溫升嚴(yán)重的集中繞組電機(jī)可以采用BIE結(jié)構(gòu)；對(duì)于端部較長(zhǎng)的分布式繞組電機(jī)可以利用導(dǎo)熱插件與冷卻設(shè)備連接；對(duì)于空隙較多的電機(jī)則可以選擇熱導(dǎo)率相對(duì)較高的絕緣材料進(jìn)行填充等。

總體來(lái)說(shuō)，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)也趨向多元化，發(fā)展成多種散熱技術(shù)并用，且具有針對(duì)性、補(bǔ)償性、配合性及加強(qiáng)性的混合型散熱系統(tǒng)。

除了根據(jù)電機(jī)的發(fā)熱部位、生產(chǎn)成本和空間限制等要素來(lái)按需設(shè)計(jì)混合型散熱系統(tǒng)，同時(shí)基于多物理場(chǎng)耦合分析也是非常必要的。溫度并不是獨(dú)立存在的影響因素，它與電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)、應(yīng)力乃至噪聲等因素相互影響。隨著高功率密度電機(jī)應(yīng)用所涉及的方面越來(lái)越廣泛，要求越來(lái)越嚴(yán)苛，從多物理場(chǎng)耦合出發(fā)研究電機(jī)的混合型散熱系統(tǒng)是必然趨勢(shì)。當(dāng)不能平衡所有物理場(chǎng)時(shí)，要在遵循主次原則的前提下進(jìn)行相關(guān)改良。

高效化是電機(jī)散熱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，混合型散熱系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電機(jī)散熱系統(tǒng)向高效化發(fā)展的必然產(chǎn)物。開(kāi)發(fā)高可靠性的混合型散熱系統(tǒng)可以提升電機(jī)的散熱效率、輸出性能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)向高功率密度和高可靠性方向的快速發(fā)展。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)電機(jī)散熱系統(tǒng)的目的是避免因電機(jī)溫升超過(guò)材料耐溫而引起材料失效。在對(duì)原電機(jī)進(jìn)行散熱系統(tǒng)融合時(shí)，難免會(huì)使電機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，更甚者會(huì)影響電機(jī)性能，所以應(yīng)該從兩方面權(quán)衡進(jìn)行取舍設(shè)計(jì)：一是電機(jī)質(zhì)量、體積、尺寸及成本等客觀物性指標(biāo)；二是電機(jī)電磁、應(yīng)力及振動(dòng)噪聲等性能指標(biāo)。

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)各方面的指標(biāo)裕度也越來(lái)越小。每一種電機(jī)由于結(jié)構(gòu)、尺寸及材料不同都會(huì)有其獨(dú)特的損耗特性及發(fā)熱特性。在設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)電機(jī)的散熱系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)針對(duì)其發(fā)熱特性，利用減小各種熱阻的基本原理，靈活而精準(zhǔn)地配合多種增強(qiáng)型散熱技術(shù)，避免冷卻性能不足或浪費(fèi)。高功率密度電機(jī)混合型散熱系統(tǒng)的核心不是追求更多的散熱技術(shù)并用，而是在盡可能精簡(jiǎn)的情況下采取多元化的散熱技術(shù)達(dá)到更高效的冷卻效果，減小關(guān)鍵部件的發(fā)熱負(fù)擔(dān)。

另外，在確認(rèn)一種混合型散熱系統(tǒng)方案的初期，散熱效率并不是最高的。對(duì)散熱系統(tǒng)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，并以此建立高效可行的參數(shù)優(yōu)化過(guò)程是非常必要的，這樣可以為電機(jī)其他設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)爭(zhēng)取更多的可能性。同時(shí)，配備具有可參考價(jià)值的實(shí)驗(yàn)測(cè)試也是非常關(guān)鍵的一步，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在許多非理想因素，通過(guò)對(duì)這些影響因素的把握，并在模擬設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理等效或糾正，也能將高功率密度電機(jī)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提上一個(gè)層次。

高效可靠的混合型散熱系統(tǒng)是抑制電機(jī)溫升、提高電機(jī)運(yùn)行效率和功率密度及提升電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和延長(zhǎng)電機(jī)壽命的重要基礎(chǔ)。相信隨著對(duì)高功率密度電機(jī)混合型散熱系統(tǒng)的深入研究，電機(jī)的性能將得到進(jìn)一步提升，以滿(mǎn)足更高需求。

本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“高功率密度電機(jī)混合型散熱技術(shù)綜述”，作者為朱婷、張雨晴 等。