高功率密度電機混合型散熱技術綜述

朱 婷 張雨晴 李 強 王 俞 耿偉偉

高功率密度電機混合型散熱技術綜述

朱 婷1張雨晴1李 強1王 俞2耿偉偉1

（1. 南京理工大學，南京 210094；2. 復旦大學，上海 200433）

隨著電機系統向高功率密度、高過載能力和高速小型化等方向發展，電機損耗與溫升持續增加，嚴重影響了電機的運行效率、可靠性和壽命。單一的基礎型散熱系統已不能滿足高功率密度電機的冷卻需求，融合多種散熱方式的混合型高效率散熱系統逐漸成為當前抑制電機溫升和提升電機運行穩定性的重要技術手段。本文首先介紹風冷和液冷兩種基礎型散熱系統的優缺點和適用范圍，然后指出單一散熱系統的局限性，從而指出采用混合型散熱技術的必要性。按照減小熱阻的不同方式對混合型散熱系統進行分類，對比分析不同混合型散熱技術在高功率密度電機中的應用效果，給出高功率密度電機混合散熱方法的設計指南。最后對高功率密度電機混合型散熱系統的發展趨勢進行預測與展望。

高功率密度電機；混合；散熱系統；溫升；熱分析

0 引言

隨著諸如新能源汽車、電動飛機等高新技術產業的快速發展，高功率密度已成為電機的一個重要設計指標[1-4]。在推動電機高功率密度化發展的同時，帶來了電機內部發熱陡增、有效散熱空間嚴重不足的問題[5-8]。當電機內部溫升過高以致超過絕緣材料耐溫限值時，不僅會破壞電機內部絕緣，而且會造成永磁體不可逆退磁，從而降低電機的工作效率，嚴重影響電機壽命和電機運行的安全性[9-13]。如何合理設計散熱系統已經成為電機進一步向高功率密度方向發展亟需解決的關鍵問題。因此，采用高效的散熱系統改善電機的溫升極值和分布是電機向高功率密度方向發展的必經之路[14-16]。

風冷和液冷散熱系統是兩種常用的電機散熱系統。風冷散熱系統不需要太復雜的輔助設施促進流體流動，對于散熱需求不是很高的小功率電機是相對節省成本和可靠的選擇。相較于風冷散熱系統，液冷散熱系統多依靠熱物性參數比氣體優越的液體，比如水和油，在輔助設施的幫助下，可以產生非常好的冷卻效果，其散熱效率遠遠超過風冷散熱系統。但是，用來支持液冷散熱系統的輔助設備結構復雜，這對電機的成本、占用空間和工藝難度均提出了更高的要求。從性價比考慮的話，液冷散熱系統更適用于散熱需求較大的高功率密度電機。

關于如何提高風冷和液冷散熱系統的冷卻效率已經有大量的研究人員進行了探索[17-19]。高效化是電機散熱系統的主要發展方向，逐漸成為越來越多的學者所認可的觀點。在電機原有風冷、液冷散熱系統的基礎上建立額外高效熱路以提升電機散熱效率的方案是實現電機散熱系統向高效化發展的新方向[20]。P. S. Ghahfarokhi等提出增材制造（additive manufacturing, AM）技術允許電機設計者們可以更自由地使用各種散熱或隔熱材料來優化電機散熱系統，從幾何角度考慮更高熱負荷的電機設計[21]。AM技術是指用打印技術逐層制造三維元件，它能夠快速進行原型制作、構建復雜的幾何形狀，以及構建包括混合材料的組件來提高和改善電機的熱性能。圖1展示了3D打印直接繞組液冷換熱器的概念設計[22-24]。A. Boglietti等提出用作絕緣填充或冷卻液的高質量材料對于改善電機的冷卻效果至關重要，這些材料必須與用于電機散熱系統的各種冷卻配置相結合[25]。國內學者提出的利用相變技術與傳統風冷、液冷結合起來的混合冷卻技術正逐漸引起關注，是未來高功率密度電機熱管理技術領域的重要發展趨勢之一[26]。

圖1 3D打印直接繞組液冷換熱器的概念設計

綜上，提高原有風冷或液冷系統的散熱效率離不開額外的散熱技術的支持。本文在已有研究的基礎上總結混合冷卻技術，對該新型散熱技術進行系統分類和拓展。本文所提及的混合散熱技術是指將所有在風冷和液冷散熱系統的基礎上再次利用風冷和液冷或其他先進散熱技術，以提高冷卻效率的散熱系統定義為混合型散熱技術。混合型散熱技術可能會是高功率密度電機散熱系統未來發展的重要方向。

本文首先介紹電機基礎型散熱系統即風冷和液冷散熱系統的特點及其使用范圍，分析電機單一基礎型散熱系統的不足，指出發展高功率密度電機混合型散熱系統的必要性。對現有的電機混合型散熱系統的混合方式進行整理，比較分析不同混合型散熱系統的優缺點。同時列舉混合型散熱系統在高功率密度電機實際應用中的特點與效果。最后對高功率密度電機混合型散熱系統未來的發展趨勢進行分析，并提出今后應該關注的發展重點。

1 電機基礎型散熱系統

電機基礎型散熱系統有兩種，風冷和液冷散熱系統，這兩種散熱系統在日常應用中最為多見，也最容易實現。風冷散熱系統成本低，適用于小功率電機；液冷散熱系統散熱效率高，成本相對較高，適用于大功率電機。風冷散熱系統可以根據是否采用風扇裝置分為自然風冷和強迫風冷。自然風冷只依靠自身與外界空氣的溫差使空氣密度發生變化從而產生對流[27]。強迫風冷通常利用風扇旋轉，提升風速流動，從而加強電機與空氣的熱交換，電機可以是封閉式的也可以是開啟式的[28-30]。圖2為采用封閉式內部通風散熱系統的電機[31]，額外的風扇系統提高了電機的散熱效率。

圖2 采用封閉式內部通風冷卻的電機截面

液冷散熱系統與風冷散熱系統不同，需要在機殼內部或電機其他部位布設水道，并利用循環裝置使冷卻液體不斷在水道內流動，同時吸取熱量；被加熱后的液體在循環裝置中進行再冷卻，重新流入電機水道。液冷散熱系統按照常用的冷卻流體可以分為水冷散熱系統和油冷散熱系統。根據冷卻步驟，水冷散熱系統又分為間接和直接水冷散熱系統。間接水冷散熱系統主要是在機殼內部挖設水道[32-34]，圖3所示為主要的幾種水道結構[35]。直接水冷散熱系統是通過設計復雜而又纖細的水路管道嵌于發熱部位實現散熱，如圖4所示[36]。

圖3 各種類型的冷卻水道

圖4 線圈內部水管示意

文獻[14-15, 37]研究不同水道對電機整體溫升的冷卻效果。由于直接水冷散熱系統的特殊性，其本質是在關鍵部位首先創造熱路（薄殼管道嵌入繞組、鐵心等），然后配合管道內的液體直接對發熱部位進行冷卻，故將其從基礎型散熱系統劃分至混合型散熱系統。油介質具有良好的絕緣特性，可以與發熱部位直接接觸，一般用作直接油冷散熱系統。直接油冷散熱系統又分為油浸式散熱系統和噴油式散熱系統。油浸式散熱系統一般用于定子，如圖5所示，冷卻油灌滿整個定子，可對定子內部所有組件進行大面積冷卻。噴油式散熱系統一般在端蓋或轉軸設置噴油口，主要對端部繞組進行冷卻，如圖6所示[38]。

圖5 定子油浸式冷卻

另外值得一提的是，目前所闡述的電機散熱系統所對應的電機規模都不是很大。而對于大規模的電機比如水輪發電機或風力發電機，有一種特別的直接水冷技術，即蒸發冷卻技術，其原理是利用定子線棒空心股線內介質的汽化潛熱帶走熱量，如圖7所示。大量實踐結果表明，對于大型電機，蒸發冷卻技術在經濟和性能上具有更明顯的優勢[39-41]。

圖6 端蓋噴油式冷卻

圖7 蒸發冷卻系統循環原理

各種基礎型散熱系統對電機主要發熱部位的冷卻效果見表1。

表1 基礎型散熱系統對電機主要發熱部位的冷卻效果

由表1可以看出，無論是風冷還是液冷，它們的有效冷卻部位和冷卻效率都是有限的。比如，當采用封閉式外通風散熱系統時，電機的內部不存在高速流動的冷卻氣流，此時電機內部熱交換的效率較低。當采用開啟式外通風散熱系統時，雖然定子部分的散熱效率得以提高，但是電機產生的風摩損耗可能會對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流傳熱能力，但只能在特定的范圍內進行局部降溫，距離流道越遠的部位溫升就越難以改善。直接油冷的冷卻對象相對其他冷卻方式可以更廣泛，比如油浸式冷卻，但也對電機的密封性提出了更高的要求。并且在軸向磁通電機中，例如雙轉子單定子軸向磁通電機，定子與轉子完全隔開，油浸式冷卻只能解決定子的散熱問題，而轉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端部繞組的散熱進行設計，往往不能顧及其他發熱部位，并且由于重力的原因，噴油式冷卻會造成散熱不均衡的問題，同時噴油設備相對其他冷卻設備較為復雜。

綜上所述，不管是哪一種散熱系統都有其不足，而結合多種散熱技術的混合型散熱系統則能夠加強原本所針對冷卻部位的冷卻效果，同時能夠兼顧其他部位的散熱需求。因此利用多種散熱技術配合風冷或液冷形成高可靠、高空間利用率及相對更低成本的混合型散熱系統是解決目前高功率密度電機溫升日趨嚴重問題的有效方案。

2 高功率密度電機混合型散熱系統

2.1 復合基礎型散熱系統基本概念

使用任何一種基礎型散熱系統，都會遇到無法滿足全部關鍵部位散熱需求的情況。因此有人提出同時采用兩種或兩種以上的基礎型散熱系統形成復合基礎型散熱系統對電機進行多部位的綜合冷卻。文獻[42-44]對一臺1.12MW的高速永磁電機，采用不同類型機殼水冷和通風冷卻相結合的方法，并進行對比分析。圖8為軸向通風系統和混合通風系統，實驗結果表明定子的溫度較低，而轉子的溫度卻高于定子，機殼水冷解決了定子的溫升問題，風冷卻沒有解決轉子的溫升問題，在轉子散熱方面仍有較大的提升空間。

因此，單純通過基礎型散熱系統的簡單疊加進行冷卻，往往需要過多的冷卻設備空間及成本，并且會由于冷卻不夠靈活、針對性不強而造成冷卻性能浪費。故許多學者研究了能夠相對節省空間和成本且更有針對性的混合型散熱系統。比如，當采用風冷和水冷進行混合冷卻時，不會選擇額外增添風扇裝置，而是通過設計擾流翅片并利用轉子自身的旋轉來加強空氣的流動從而達到風冷的效果。又或者是當冷卻水道只能針對一處進行散熱時，不會選擇在另一處繼續增設水道，而是通過導熱插件將發熱部位的熱量引向冷卻水道，諸如此類。

（a）軸向通風系統

（b）混合通風系統

圖8 轉子風冷結合機殼水冷散熱電機

2.2 增強型散熱系統

電機的溫升主要取決于損耗與熱阻這兩個因素，關于抑制電機自身損耗，可以通過優化拓撲或使用低損耗電磁材料來實現。比如文獻[45]通過優化定子鐵心軛部寬度與齒部寬度的比例，將對繞組平均溫度影響更大的一部分銅損轉化為定子軛部鐵損，從而成功控制繞組的溫升，并且將電機的持續運行功率密度提高了約26.7%。定子鐵心軛部與齒部寬度比對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損耗分布的影響

此外，減小熱阻也是改善電機溫升的一種方法，并且是最主要的方法。根據傳熱學原理，電機內的熱量傳遞可以分為熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式[46-48]。這三種傳熱方式抵抗傳熱能力的大小可以通過熱阻表示為

目前，各種針對電機的散熱方法所運用的原理以基于減小部件之間的傳導熱阻和對流熱阻為主。大部分散熱技術是基于減小傳熱距離、增大傳熱面積、提高材料導熱系數及表面傳熱系數這四個因素進行設計的。因此，本文從這四個影響因素出發，對目前已有的一些先進增強型散熱系統進行歸納 整理。

傳熱距離與傳熱面積這兩個因素可以歸為一類，即幾何參數。改變幾何參數的方法主要是將電機的某一部位以凸出延伸的方式嵌入發熱嚴重的部位，比如冷卻管道延伸或鐵心延伸等，此類方法既減小了傳熱距離又增大了傳熱面積。改變表面傳熱系數，一般是通過添加擾流翅片增強流體的湍流度，以達到提升表面傳熱系數的效果。改變材料導熱系數，利用此原理的方法較多，比如使用導熱絕緣材料填充空隙，采取導熱金屬連接冷卻設備與發熱部位，或者利用傳熱效率極高的相變物質代替填充和熱連接。增強型散熱系統的具體分類如圖10所示。

圖10 增強型散熱系統分類

擾流翅片最早應用于機殼表面，用于擴大傳熱面積，提高湍流程度，以增強空氣對電機的散熱效果。當自然風速提高時，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迫風冷。翅片可以設置在機殼表面，也可以設置在電機內部，取決于設計者想提高表面傳熱強度的具體部位。如果將風冷換為換熱能力更高的液冷，增加擾流翅片會起到事半功倍的效果。擾流翅片通常設置在有空隙或有流體存在且流體流動程度不可忽視的地方。當空隙狹小甚至沒有空隙或流體流動微弱時，有學者通過填充灌封材料即導熱絕緣物質、嵌插導熱金屬或利用相變物質來縮短傳熱路徑、增大傳熱面積、加快導熱速率，以減小關鍵部件之間的熱阻。

導熱樹脂和導熱膠是相對空氣具有較高導熱率和良好絕緣特性的材料，也是電機常用的灌封材 料[49-51]。導熱陶瓷相對其他灌封材料來說具有最高的導熱率，不過由于其成本較為昂貴，所以應用較少[52-53]。文獻[54]對導熱硅膠、環氧樹脂和聚氨酯的材料性能進行比較，結果表明：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；環氧樹脂在耐化學性、剛度和粘合劑強度方面是最好的；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。

導熱金屬一般是鋁或銅，銅的導熱率更高但需要考慮更多的渦流損耗。相變物質主要有石蠟和熱管，石蠟具有良好的儲熱性能，化學性質穩定，并且成本低廉，在日常生活中被廣泛應用[55]。同理也可以應用于電機散熱，它可以對電機的溫升起到緩沖和抑制作用。

熱管是一種比較復雜的復合型相變材料，它的工作原理如圖11所示[56]。根據作用不同可以將熱管劃分為三個區域：蒸發段、冷凝段和絕熱段。蒸發段負責吸收熱源傳播的熱量，網芯內工質被加熱超過臨界溫度后，相態發生改變，由液態變為氣態，同時向絕熱段和冷凝段流去，在絕熱段并不發生熱交換。氣態工質到達冷凝段后，遇冷再次發生相變，由氣態變為液態，附著在網芯上，并通過網芯的逆流作用，回到蒸發段，冷凝時散發的熱量可以由另外的冷卻系統吸收。此過程反復進行，從而實現高效傳熱。熱管的三個工作區域具有隨意性，可根據實際熱源與冷源的分布任意切換。為了便于擺放，熱管也可以進行一定程度的彎折與擠壓。這些獨特的性質使熱管可以非常靈活地作為輔助電機散熱的材料。熱管被應用于電機的各種部位，如圖12所示，包括定子槽部繞組、定子端部繞組、定子鐵心及轉子鐵心等[57]。

圖11 熱管工作原理

2.3 混合型散熱系統

1）混合方式

在前文中已經分別介紹了基礎型散熱系統和增強型散熱系統，混合型散熱系統即是在基礎型散熱系統的基礎上利用基礎型或增強型散熱技術，解決單一基礎型散熱系統不足的散熱技術。兩種散熱系統在不同配合方式下形成的混合型散熱系統所產生的冷卻效果也不同。以徑向電機為例，電機外部即機殼處的冷卻方法主要是風冷和水冷。風冷可以是自然冷卻也可以是外置風扇強迫冷卻，水冷則是在機殼內部挖設水道。增強機殼散熱的措施有在機殼表面增加翅片或在水道內部增加翅片，如圖13（a）所示，包含了電機機殼處基礎型散熱系統和增強型散熱技術匹配的所有可能。圖13（a）也給出了針對繞組槽部散熱的增強型散熱技術，包括將機殼冷卻管道延伸至槽部，將導熱插件嵌入機殼與槽部之間，以及將鐵心延伸至槽部。這些增強型散熱技術可以同時配合機殼處的散熱系統形成多重混合型散熱系統。根據圖13（a）中的熱網絡圖可以看出，機殼處的散熱措施主要是為了增大傳熱面積以減小導熱熱阻或是增強表面傳熱系數從而減小表面傳熱熱阻，使機殼與冷卻液體或外部空氣的溫差減小。針對繞組槽部的散熱措施主要是構建額外的熱路，以加強熱量的傳遞，使電機內部與內機殼的溫差減小，而內機殼的溫度又受機殼處所采取的散熱措施影響。除了繞組槽部，構建額外熱路的方法同樣可以運用于繞組端部或鐵心，如圖13（b）所示。除此之外，還有在電機內部設置擾流翅片以增強整個內部氣隙流動的方法，該方法的目的是增大電機內部所有物體表面的表面傳熱系數，以減小電機各部位與冷卻氣體的溫差，同樣也可以配合機殼處的散熱系統形成多重混合型散熱系統。

圖12 熱管在電機各部位中的應用

值得注意的是，不僅混合型散熱系統的混合方式是多樣的，混合型散熱系統的組成也可以是多種的。除此之外，還有一些特殊結構的電機，其散熱系統也可以采取類似的混合方式。

圖13 混合散熱系統的不同混合方式（基于LPTN法）

2）不同混合型散熱系統的優缺點

混合型散熱系統雖使冷卻效率有所提高，但在其他方面可能造成負面影響，比如電機性能、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，權衡利弊，采取合適的混合型散熱系統是非常必要的。

首先是采用擾流翅片配合基礎型散熱系統。翅片的形狀一般比較簡單，容易加工。有的翅片是直接在原部位的基礎上加工，比如機殼表面、機殼水道、軸向電機轉子的背軛鐵心（back iron extension, BIE），這些部位的原材料相對比較便宜。有的翅片是額外制造再進行裝配，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計不合理，會對散熱起反效果，增大摩擦損失。

然后是延伸冷卻管道配合基礎型散熱系統。具有這種結構的混合型散熱系統往往冷卻效率都比較高，但這種結構的制造難度較大。若管道延伸至繞組，則會影響繞組的下線及排布；若延伸至鐵心，則會減少鐵心的用量，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鍵部位，所以更加需要做好密封措施。

接著是導熱插件配合基礎型散熱系統。導熱插件是外加的工具，基本不需要對原電機進行額外加工，但是需要為其選好安插固定的位置，若插在繞組中同樣會給下線帶來困難。導熱插件的導熱效果和成本完全取決于設計者，若采用普通的金屬，則成本較低，若采用導熱率極高的熱管，則成本會上升，而且需要考慮銅外殼帶來的渦流損耗。但是相對來說，導熱插件的設計比較靈活。

最后是導熱絕緣灌封材料配合基礎型散熱系統。一般采用導熱絕緣材料進行灌封的用量都比較大，因而會增加成本及電機質量。導熱絕緣材料的導熱率相對空氣較高，而相對金屬較低，且具有高導熱率的導熱絕緣材料比如陶瓷的價格比較昂貴。盡管如此，由于導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，但對降低平均溫度效果比較好。

表2給出了不同混合型散熱系統的優缺點。另外，對于一些空間限制比較嚴格的電機，無法增設循環冷卻水設施，可以采用擾流翅片、導熱插件或灌封材料配合風冷的混合型散熱系統。對于一些散熱需求大、運行工況惡劣的電機，可以采用延伸冷卻管道或導熱插件配合液冷的混合型散熱系統。對于需要大規模快速生產的低成本電機，延伸冷卻管道的做法不再適用。對于槽滿率較高的電機，因為下線困難，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方案應該根據電機的實際需求，按照主次關系進行選擇。

表2 不同混合型散熱系統的優缺點

2.4 混合型散熱系統在高功率密度電機中的應用

1）擾流翅片配合基礎型散熱系統

高速電機由于高頻所產生的損耗較大，定轉子的發熱問題均比較嚴重，所以其多采用風冷與機殼水冷相結合的混合散熱系統。當電機為全封閉結構時，外部的風冷對電機內部的冷卻效果將微乎其微。而機殼水冷只能解決定子的溫升問題，所以文獻[58]研究轉子風刺對機殼水冷全封閉式高速永磁電機散熱的影響，帶轉子風刺結構的水冷電機如圖14所示，轉子風刺位于端部空腔處。研究結果表明，轉子風刺可使電機內部空氣的流速顯著增加，從而提高轉子表面的換熱效率。

圖14 帶轉子風刺結構的水冷電機

這種類似風刺的結構即使在沒有機殼水冷的情況下，利用強迫風冷也可以起到較好的散熱效果。文獻[59]研究分析一種大容量高速感應電機的氣隙翅片對繞組冷卻性能的影響。帶轉軸氣隙翅片的風冷電機如圖15所示，氣隙翅片位于轉軸兩端，該翅片與風刺相比更為復雜，是一種利于加劇空氣流動的形狀結構。研究發現，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側對流更加強烈。氣隙翅片使端部繞組表面和氣隙處的傳熱系數分別增加了31%和90%，能夠有效降低端部繞組和轉子的平均溫度。

圖15 帶轉軸氣隙翅片的風冷電機

圖16 電機內腔速度流線分布

在徑向電機中，這種增強風冷的擾流翅片多設置在機殼表面或轉軸處。在軸向電機中，多將擾流翅片設置在轉子背軛鐵心處。文獻[60]采用內部風冷，在轉子背鐵處設計了3種翅片來加強空氣擾動，以改善轉子散熱效果，如圖17所示。通過比較不同形狀的翅片對電機風摩損耗、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轉子

文獻[61]將擾流翅片應用于水冷散熱，在一臺雙定子軸向電機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度，從而增強水冷效果，如圖18所示。實驗結果表明，橢圓形擾流板結構的水道冷卻效果較好，而方形擾流板結構的水道冷卻效果弱于無擾流板結構的水道，這證明擾流翅片不一定能對風冷或液冷起到加強效果，合理地設計擾流翅片的形狀也非常重要。

大量的論證和實驗都已表明，液冷系統的散熱效率相對于風冷系統要高幾十倍。但是，不能與發熱部件直接接觸的間接水冷系統的散熱范圍具有較大的局限性，即使在流道內增加擾流翅片來提高冷卻液體的對流換熱能力，也不能對超出間接水冷系統散熱范圍的其他部位進行冷卻。而直接水冷系統在流道和絕緣的設計上已經花費了許多成本，使其能對相應電機部位進行精準高效冷卻，故沒有必要再增設擾流翅片加強散熱效果。采用油浸式冷卻的電機往往內部油路軌跡已非常復雜，此時利用擾流翅片增加湍流度的意義不大。而對于噴油式冷卻，油滴作無規則運動，擾流翅片難以影響冷卻油的流動及換熱。因此相對來說，擾流翅片更適合配合風冷作為混合型散熱系統。

圖18 不同擾流板形狀的水道結構

2）灌封材料配合基礎型散熱系統

除了利用擾流翅片加強風冷或水冷自身的湍流程度以提升對流換熱能力外，也可以利用導熱絕緣材料填充氣隙減小熱阻來加強電機關鍵部位與冷卻設施之間的熱連接。作為一種增強熱管理策略，文獻[51]將導熱硅膠封裝在端部繞組與外殼之間的空隙中，如圖19所示。溫升試驗表明，在任何工況下，采用導熱硅膠的電機穩定運行溫度都低于原電機，最高溫度可降低27.3℃，并且能夠提高極限工況下的過載時間。

圖19 采用導熱硅膠灌封的水冷電機

文獻[62]在軸向電機的定子外側安裝兩排并聯的水冷銅管，如圖20所示。水冷銅管與繞組之間具有一定的距離，其間的空氣會嚴重影響水冷銅管對定子的散熱，所以在水冷銅管和定子之間用高熱導率的環氧樹脂填充以降低熱阻，由溫度場圖可以看出水管與周圍填充物質的溫差較小。

圖20 采用導熱樹脂灌封的軸向電機

導熱陶瓷具有比導熱硅膠和導熱樹脂更高的熱導率，文獻[63]使用導熱陶瓷對一軸向永磁電機的端部繞組和水冷機殼之間的空隙進行填充，如圖21所示，它避免了端部繞組和水冷機殼之間的高熱阻。結果表明，在導熱陶瓷的輔助下，該電機的溫度可以降低10%左右。

圖21 采用導熱陶瓷灌封的軸向電機

3）導熱金屬配合基礎型散熱系統

導熱硅膠和導熱樹脂的導熱系數普遍在2W/ (m·℃)以下，而導熱陶瓷的導熱系數雖然高達幾十，但其成本較為昂貴。盡管相對于空氣，灌封材料使關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熱系數遠不如金屬。導熱金屬更容易作為兩個部位之間連接的橋梁，采用更高熱導率的金屬嵌入電機關鍵部位的內部，在縮短傳熱路徑的同時又能更大程度地減小傳導熱阻。

文獻[64]為了提高集中繞組電機的功率密度，引入封裝定子端部繞組的導熱插件替代導熱絕緣灌封材料，如圖22所示。端部繞組與導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殼之間進行較好的傳遞。經過對比分析，沒有該導熱插件封裝的電機定子繞組只能達到19.0A/mm2的電流密度，具有導熱插件封裝的定子繞組電流密度可以達到26.5A/mm2。但是這種封裝型導熱插件的結構較為復雜，增加了工藝難度，并且需要考慮鐵心損耗的增加。

圖22 采用導熱插件封裝端部繞組的電機

YASA電機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應用于電動汽車[65]。但由于輪轂電機空間位置的限制，使用風扇型風冷和液冷比較困難。為了節省成本、簡化工藝，只能采取自然風冷，但單純的自然風冷的散熱能力對這種高功率高轉矩電機遠遠不夠。文獻[66]對輪內牽引用YASA電機的空冷問題進行了分析和實驗研究。定子齒、繞組和導熱翅片組件如圖23所示，研究人員在繞組和轉子背軛之間嵌插鋁制的導熱翅片，向周圍空氣提供額外的低熱阻路徑，通過空氣冷卻可以達到所需的性能。

圖23 定子齒、繞組和導熱翅片組件

有無導熱翅片電機的溫升對比如圖24所示，有限元分析和物理模型實驗表明，此設計可使電流密度提高大約40%，還提高了電機的短時間過載能力。

文獻[67]在定子槽部繞組之間插入導熱器，并給出幾種導熱器變種設計，插入導熱器的定子槽部繞組結構如圖25所示。結果表明，該設計只會造成很少的功率損失，并且在低頻工作時輸入功率可增加約40%，高頻時輸入功率可增加20%。

圖24 有無導熱翅片電機的溫升對比

圖25 插入導熱器的定子槽部繞組結構

4）延伸鐵心配合基礎型散熱系統

與利用導熱插件這種外加零件方法不一樣的是，可以直接改變原屬部件的結構形狀使其深入發熱部件內部，從而達到相同的散熱效果。比如文獻[68]提出一種簡單、新穎的方法，通過延長槽內的部分背軛鐵心，縮短槽內熱源與冷卻介質之間的傳熱距離來提高集中繞組的電機熱性能。圖26為BIE電機定子槽部的熱網絡，這種修改的實現成本很低，因為不涉及任何新的附加材料。通過優化BIE的長寬比，可以降低26.7%的峰值繞組溫度，并且這種BIE結構對電機的電磁性能影響很小。

圖26 BIE電機定子槽部熱網絡

文獻[69]同樣設計了一種類似BIE結構的散熱系統，如圖27所示，延伸鐵心貫穿整個繞組的中間。不同的是文獻[69]將其應用于高轉矩密度的管式電機，延伸鐵心的存在使電機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結構的管式電機

5）延伸冷卻管道配合基礎型散熱系統

同樣也可以改變冷卻管道的結構，使冷卻路徑能夠到達發熱部位。文獻[70]提出一種新的水冷拓撲結構，即將機殼水道的一部分延伸至定子鐵心內，并在一12槽10極永磁同步電機上證明了該水冷結構的有效性。機殼水道延伸結構如圖28所示。仿真結果表明，在額定條件下，與傳統機殼水冷相比，使用該機殼水冷結構的最大繞組溫度可降低至少20℃。電機溫度場對比如圖29所示。

圖28 機殼水道延伸結構

圖29 電機溫度場對比

文獻[71]針對YASA電機設計了類似的機殼冷卻管道延伸結構，如圖30所示，并對延伸的水冷管直徑和數量進行優化。CFD結果表明，該電機的峰值輸出功率為65kW，比原型機高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轉子

有時因客觀因素無法設置循環水冷卻設施，但可以利用機殼延伸結構加強散熱。文獻[72-73]在YASA電機定子的熱設計中，對機殼進行延伸，機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延伸機殼更快地傳遞至外部，通過外部風冷散去。特別地，當繞組與機殼之間的灌封材料導熱率較低時，這種延伸機殼的導熱作用將會顯得更為重要。

圖31 機殼延伸結構的YASA電機

除了字面意義上的冷卻管道延伸，即對傳統的機殼冷卻管道進行一定的變形外，利用AM或其他技術構造形狀特別的管道嵌入發熱部位之間也屬于一種特別的冷卻管道延伸方法。文獻[22]設計了一種比功率為11.8kW/kg的分數槽集中繞組電機，并采用特殊材料和AM技術制成了應用于繞組槽部的T型冷卻管道，如圖32所示。該電機能夠實現在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。

文獻[74-75]采用硅橡膠制成冷卻管道夾在端部繞組之間，如圖33所示。通過簡單地直接冷卻端部繞組，可以顯著降低繞組溫度。實驗證明了其有效性，即使冷卻方法僅應用于一個端部繞組側，端部繞組溫度也降低了25%。

圖32 T型冷卻管道延伸結構

圖33 端部繞組冷卻管道延伸結構

6）相變物質配合基礎型散熱系統

比導熱金屬具有更高傳熱效率的材料是相變物質，與普通導熱物質相比，其跨越式的導熱能力越來越受到電機設計者們的青睞，逐漸被廣泛應用。文獻[76-77]在電機機殼內部引入石蠟以緩解電機的溫升沖擊，如圖34所示。與自冷永磁同步電機的傳統外殼相比，采用石蠟填充的新外殼，可使電機的工作時間延長近32.7%，使電機的峰值溫度最大可以降低約7.8℃。

圖34 石蠟填充機殼式自冷電機

比石蠟應用更廣的是復合型相變元件——熱管。文獻[78]采用熱管和翅片聯結式的結構配合外部風冷增強電機的散熱能力，基于熱管-翅片輔助風冷的無人機電機定子如圖35所示。槽部繞組中的熱管負責快速導熱，翅片吸收熱量后再通過較大的表面積散發到外部空間。

圖35 基于熱管-翅片輔助風冷的無人機電機定子

文獻[79]提出一種提高分數槽集中繞組外轉子電機熱性能的方法，基于槽部熱管冷卻的外轉子電機如圖36所示，熱管的蒸發段位于整個槽部繞組中間，冷凝段嵌于冷卻水道中，定子鐵心內側同時有冷卻水道通過。在考慮熱管銅壁產生的額外渦流損耗的前提下，經過仿真優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，槽部繞組的峰值溫度相比無熱管時最大可降低約50℃，含優化熱管定子槽部與原電機溫度場對比如圖37所示。在該散熱系統的作用下，實際電機在轉速1 000～6 000r/min時繞組的電流密度可達到15A/mm2。

圖36 基于槽部熱管冷卻的外轉子電機

圖37 含優化熱管定子槽部與原電機溫度場對比

文獻[80]設計了一種端蓋上帶熱管的新型水冷電機，如圖38所示。熱管一端掩埋在端蓋內可進行自然風冷，一端嵌入定子鐵心內傳導定子的熱量，此結構可有效降低繞組溫度約15℃。

圖38 采用端蓋熱管結構的水冷電機

7）多種增強散熱技術配合基礎型散熱系統

目前也有不少學者在原有基礎型散熱系統的基礎上采用多種增強型散熱技術并用的設計方法。比如文獻[81]在電機繞組端部與機殼之間灌封導熱陶瓷材料，又在定子與機殼之間安裝導熱銅棒，采用導熱陶瓷和銅棒的軸向電機如圖39所示，結果顯示該方法對降低繞組溫度有較好的效果。

圖39 采用導熱陶瓷和銅棒的軸向電機

文獻[82]將熱管嵌入定子鐵心外側的護套中，如圖40所示，同時由機殼水和端部風扇進行冷卻。對于特定的85kW電機，在1 500s模擬時間內，與傳統液體冷卻相比，該混合冷卻系統可以節省約370kJ的能量。

圖40 采用定子鐵心熱管結構的混合冷卻電機

文獻[83-85]針對繞組端部溫升較高的情況設計基于熱管冷卻的永磁同步電機散熱方案，使用熱管直接連接電機端部繞組與機殼，解決電機繞組的散熱難題，并且為了減小熱管蒸發端與端部繞組之間的接觸熱阻，在二者之間填充了導熱硅脂，采用端部繞組熱管結構的水冷電機如圖41所示。實驗結果證明，此方案對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構的水冷電機

3 混合型散熱系統的發展趨勢

無論是基礎型散熱系統還是增強型散熱系統都具有各自的優缺點和適用范圍，根據電機的發熱部位、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功率密度、運行效率、可靠性和惡劣工況上限的關鍵。比如對于低成本風冷電機，可以通過設置擾流翅片增強風冷效率；對于槽滿率低、槽部溫升嚴重的集中繞組電機可以采用BIE結構；對于端部較長的分布式繞組電機可以利用導熱插件與冷卻設備連接；對于空隙較多的電機則可以選擇熱導率相對較高的絕緣材料進行填充等。總體來說，隨著電機向高功率密度、高集成化和高可靠性方向發展，電機散熱系統也趨向多元化，發展成多種散熱技術并用，且具有針對性、補償性、配合性及加強性的混合型散熱系統。

除了根據電機的發熱部位、生產成本和空間限制等要素來按需設計混合型散熱系統，同時基于多物理場耦合分析也是非常必要的。溫度并不是獨立存在的影響因素，它與電磁場、流體場、應力乃至噪聲等因素相互影響。隨著高功率密度電機應用所涉及的方面越來越廣泛，要求越來越嚴苛，從多物理場耦合出發研究電機的混合型散熱系統是必然趨勢。當不能平衡所有物理場時，要在遵循主次原則的前提下進行相關改良。

高效化是電機散熱系統的主要發展方向，混合型散熱系統是實現電機散熱系統向高效化發展的必然產物。開發高可靠性的混合型散熱系統可以提升電機的散熱效率、輸出性能，實現電機向高功率密度和高可靠性方向的快速發展。

4 結論

設計電機散熱系統的目的是避免因電機溫升超過材料耐溫而引起材料失效。在對原電機進行散熱系統融合時，難免會使電機結構發生改變，更甚者會影響電機性能，所以應該從兩方面權衡進行取舍設計：一是電機質量、體積、尺寸及成本等客觀物性指標；二是電機電磁、應力及振動噪聲等性能指標。隨著電機向高功率密度、高集成化和高可靠性方向發展，電機各方面的指標裕度也越來越小。每一種電機由于結構、尺寸及材料不同都會有其獨特的損耗特性及發熱特性。在設計對應電機的散熱系統時，應針對其發熱特性，利用減小各種熱阻的基本原理，靈活而精準地配合多種增強型散熱技術，避免冷卻性能不足或浪費。高功率密度電機混合型散熱系統的核心不是追求更多的散熱技術并用，而是在盡可能精簡的情況下采取多元化的散熱技術達到更高效的冷卻效果，減小關鍵部件的發熱負擔。

另外，在確認一種混合型散熱系統方案的初期，散熱效率并不是最高的。對散熱系統模型進行適當簡化，并以此建立高效可行的參數優化過程是非常必要的，這樣可以為電機其他設計環節爭取更多的可能性。同時，配備具有可參考價值的實驗測試也是非常關鍵的一步，電機在實際運轉時存在許多非理想因素，通過對這些影響因素的把握，并在模擬設計中進行合理等效或糾正，也能將高功率密度電機散熱系統的設計提上一個層次。

高效可靠的混合型散熱系統是抑制電機溫升、提高電機運行效率和功率密度及提升電機運行穩定性和延長電機壽命的重要基礎。相信隨著對高功率密度電機混合型散熱系統的深入研究，電機的性能將得到進一步提升，以滿足更高需求。

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Overview of hybrid cooling system for high power density motor

ZHU Ting1ZHANG Yuqing1LI Qiang1WANG Yu2GENG Weiwei1

(1. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094; 2. Fudan University, Shanghai 200433)

With the development of motors in the direction of high power density, high overload capacity and high-speed miniaturization, motor losses and temperature rise continue to increase, which seriously affects the operating efficiency, reliability and life of the motor. A single basic cooling system can no longer meet the cooling needs of high power density motors. A hybrid high-efficiency heat dissipation system that integrates multiple heat dissipation technologies is an important technical means to suppress the current temperature rise of the motor and improve the stability of the motor operation. This paper first introduces the advantages, disadvantages and application scope of air-cooled and liquid cooled basic cooling systems, and then points out the limitations of single cooling system and the necessity of using hybrid cooling system. Then the hybrid cooling system is classified according to the principle of reducing thermal resistance. The application effect of different hybrid cooling systems for high power density motor is compared and analyzed, and the design guide of hybrid cooling system for high power density motor is given. Finally, the development trend of hybrid cooling system for high power density motor is predicted and prospected.

high power density motor; hybrid; cooling system; temperature rise; thermal analysis

2022-02-10

2022-03-22

朱 婷（1997—），女，碩士研究生，主要研究方向為電機熱分析。