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随着电机系统向高功率密度、高过载能力和高速小型化等方向发展,电机损耗与温升持续增加,严重影响了电机的运行效率、可靠性和寿命。单一的基础型散热系统已不能满足高功率密度电机的冷却需求,融合多种散热方式的混合型高效率散热系统逐渐成为当前抑制电机温升和提升电机运行稳定性的重要技术手段。 南京理工大学、复旦大学的研究人员朱婷、张雨晴、李强、王俞、耿伟伟,在2022年第8期《电气技术》上撰文,首先介绍风冷和液冷两种基础型散热系统的优缺点和适用范围,然后指出单一散热系统的局限性,从而指出采用混合型散热技术的必要性。按照减小热阻的不同方式对混合型散热系统进行分类,对比分析不同混合型散热技术在高功率密度电机中的应用效果,给出高功率密度电机混合散热方法的设计指南。最后对高功率密度电机混合型散热系统的发展趋势进行预测与展望。

随着诸如新能源汽车、电动飞机等高新技术产业的快速发展,高功率密度已成为电机的一个重要设计指标。在推动电机高功率密度化发展的同时,带来了电机内部发热陡增、有效散热空间严重不足的问题。当电机内部温升过高以致超过绝缘材料耐温限值时,不仅会破坏电机内部绝缘,而且会造成永磁体不可逆退磁,从而降低电机的工作效率,严重影响电机寿命和电机运行的安全性。

如何合理设计散热系统已经成为电机进一步向高功率密度方向发展亟需解决的关键问题。因此,采用高效的散热系统改善电机的温升极值和分布是电机向高功率密度方向发展的必经之路。

风冷和液冷散热系统是两种常用的电机散热系统。风冷散热系统不需要太复杂的辅助设施促进流体流动,对于散热需求不是很高的小功率电机是相对节省成本和可靠的选择。相较于风冷散热系统,液冷散热系统多依靠热物性参数比气体优越的液体,比如水和油,在辅助设施的帮助下,可以产生非常好的冷却效果,其散热效率远远超过风冷散热系统。但是,用来支持液冷散热系统的辅助设备结构复杂,这对电机的成本、占用空间和工艺难度均提出了更高的要求。从性价比考虑的话,液冷散热系统更适用于散热需求较大的高功率密度电机。

关于如何提高风冷和液冷散热系统的冷却效率已经有大量的研究人员进行了探索。高效化是电机散热系统的主要发展方向,逐渐成为越来越多的学者所认可的观点。在电机原有风冷、液冷散热系统的基础上建立额外高效热路以提升电机散热效率的方案是实现电机散热系统向高效化发展的新方向。P. S. Ghahfarokhi等提出增材制造(additive manufacturing, AM)技术允许电机设计者们可以更自由地使用各种散热或隔热材料来优化电机散热系统,从几何角度考虑更高热负荷的电机设计。

AM技术是指用打印技术逐层制造三维元件,它能够快速进行原型制作、构建复杂的几何形状,以及构建包括混合材料的组件来提高和改善电机的热性能。图1展示了3D打印直接绕组液冷换热器的概念设计。A. Boglietti等提出用作绝缘填充或冷却液的高质量材料对于改善电机的冷却效果至关重要,这些材料必须与用于电机散热系统的各种冷却配置相结合。

国内学者提出的利用相变技术与传统风冷、液冷结合起来的混合冷却技术正逐渐引起关注,是未来高功率密度电机热管理技术领域的重要发展趋势之一。

图1 3D打印直接绕组液冷换热器的概念设计

综上,提高原有风冷或液冷系统的散热效率离不开额外的散热技术的支持。本文在已有研究的基础上总结混合冷却技术,对该新型散热技术进行系统分类和拓展。本文所提及的混合散热技术是指将所有在风冷和液冷散热系统的基础上再次利用风冷和液冷或其他先进散热技术,以提高冷却效率的散热系统定义为混合型散热技术。混合型散热技术可能会是高功率密度电机散热系统未来发展的重要方向。

本文首先介绍电机基础型散热系统即风冷和液冷散热系统的特点及其使用范围,分析电机单一基础型散热系统的不足,指出发展高功率密度电机混合型散热系统的必要性。对现有的电机混合型散热系统的混合方式进行整理,比较分析不同混合型散热系统的优缺点。同时列举混合型散热系统在高功率密度电机实际应用中的特点与效果。最后对高功率密度电机混合型散热系统未来的发展趋势进行分析,并提出今后应该关注的发展重点。

1 电机基础型散热系统

电机基础型散热系统有两种,风冷和液冷散热系统,这两种散热系统在日常应用中最为多见,也最容易实现。风冷散热系统成本低,适用于小功率电机;液冷散热系统散热效率高,成本相对较高,适用于大功率电机。

风冷散热系统可以根据是否采用风扇装置分为自然风冷和强迫风冷。自然风冷只依靠自身与外界空气的温差使空气密度发生变化从而产生对流。强迫风冷通常利用风扇旋转,提升风速流动,从而加强电机与空气的热交换,电机可以是封闭式的也可以是开启式的。图2为采用封闭式内部通风散热系统的电机,额外的风扇系统提高了电机的散热效率。

图2 采用封闭式内部通风冷却的电机截面

液冷散热系统与风冷散热系统不同,需要在机壳内部或电机其他部位布设水道,并利用循环装置使冷却液体不断在水道内流动,同时吸取热量;被加热后的液体在循环装置中进行再冷却,重新流入电机水道。液冷散热系统按照常用的冷却流体可以分为水冷散热系统和油冷散热系统。

根据冷却步骤,水冷散热系统又分为间接和直接水冷散热系统。间接水冷散热系统主要是在机壳内部挖设水道,图3所示为主要的几种水道结构。直接水冷散热系统是通过设计复杂而又纤细的水路管道嵌于发热部位实现散热,如图4所示。

图3 各种类型的冷却水道

图4 线圈内部水管示意

有学者研究不同水道对电机整体温升的冷却效果。由于直接水冷散热系统的特殊性,其本质是在关键部位首先创造热路(薄壳管道嵌入绕组、铁心等),然后配合管道内的液体直接对发热部位进行冷却,故将其从基础型散热系统划分至混合型散热系统。油介质具有良好的绝缘特性,可以与发热部位直接接触,一般用作直接油冷散热系统。

直接油冷散热系统又分为油浸式散热系统和喷油式散热系统。油浸式散热系统一般用于定子,如图5所示,冷却油灌满整个定子,可对定子内部所有组件进行大面积冷却。喷油式散热系统一般在端盖或转轴设置喷油口,主要对端部绕组进行冷却,如图6所示。

图5 定子油浸式冷却

图6 端盖喷油式冷却

另外值得一提的是,目前所阐述的电机散热系统所对应的电机规模都不是很大。而对于大规模的电机比如水轮发电机或风力发电机,有一种特别的直接水冷技术,即蒸发冷却技术,其原理是利用定子线棒空心股线内介质的汽化潜热带走热量,如图7所示。大量实践结果表明,对于大型电机,蒸发冷却技术在经济和性能上具有更明显的优势。

图7 蒸发冷却系统循环原理

各种基础型散热系统对电机主要发热部位的冷却效果见表1。

表1 基础型散热系统对电机主要发热部位的冷却效果

由表1可以看出,无论是风冷还是液冷,它们的有效冷却部位和冷却效率都是有限的。比如,当采用封闭式外通风散热系统时,电机的内部不存在高速流动的冷却气流,此时电机内部热交换的效率较低。当采用开启式外通风散热系统时,虽然定子部分的散热效率得以提高,但是电机产生的风摩损耗可能会对温升造成不可忽略的影响。

间接水冷或间接油冷虽然具有较高的对流传热能力,但只能在特定的范围内进行局部降温,距离流道越远的部位温升就越难以改善。直接油冷的冷却对象相对其他冷却方式可以更广泛,比如油浸式冷却,但也对电机的密封性提出了更高的要求。并且在轴向磁通电机中,例如双转子单定子轴向磁通电机,定子与转子完全隔开,油浸式冷却只能解决定子的散热问题,而转子的冷却可能需要额外考虑。

另外,绕组端部的散热较为困难,喷油式冷却一般是针对端部绕组的散热进行设计,往往不能顾及其他发热部位,并且由于重力的原因,喷油式冷却会造成散热不均衡的问题,同时喷油设备相对其他冷却设备较为复杂。

综上所述,不管是哪一种散热系统都有其不足,而结合多种散热技术的混合型散热系统则能够加强原本所针对冷却部位的冷却效果,同时能够兼顾其他部位的散热需求。因此利用多种散热技术配合风冷或液冷形成高可靠、高空间利用率及相对更低成本的混合型散热系统是解决目前高功率密度电机温升日趋严重问题的有效方案。

2 高功率密度电机混合型散热系统

2.1 复合基础型散热系统基本概念

使用任何一种基础型散热系统,都会遇到无法满足全部关键部位散热需求的情况。因此有人提出同时采用两种或两种以上的基础型散热系统形成复合基础型散热系统对电机进行多部位的综合冷却。有学者对一台1.12MW的高速永磁电机,采用不同类型机壳水冷和通风冷却相结合的方法,并进行对比分析。图8为轴向通风系统和混合通风系统,实验结果表明定子的温度较低,而转子的温度却高于定子,机壳水冷解决了定子的温升问题,风冷却没有解决转子的温升问题,在转子散热方面仍有较大的提升空间。

图8 转子风冷结合机壳水冷散热电机

因此,单纯通过基础型散热系统的简单叠加进行冷却,往往需要过多的冷却设备空间及成本,并且会由于冷却不够灵活、针对性不强而造成冷却性能浪费。故许多学者研究了能够相对节省空间和成本且更有针对性的混合型散热系统。比如,当采用风冷和水冷进行混合冷却时,不会选择额外增添风扇装置,而是通过设计扰流翅片并利用转子自身的旋转来加强空气的流动从而达到风冷的效果。又或者是当冷却水道只能针对一处进行散热时,不会选择在另一处继续增设水道,而是通过导热插件将发热部位的热量引向冷却水道,诸如此类。

2.2 增强型散热系统

电机的温升主要取决于损耗与热阻这两个因素,关于抑制电机自身损耗,可以通过优化拓扑或使用低损耗电磁材料来实现。比如有学者通过优化定子铁心轭部宽度与齿部宽度的比例,将对绕组平均温度影响更大的一部分铜损转化为定子轭部铁损,从而成功控制绕组的温升,并且将电机的持续运行功率密度提高了约26.7%。定子铁心轭部与齿部宽度比对损耗分布的影响如图9所示。

图9 定子铁心轭部与齿部宽度比对损耗分布的影响

此外,减小热阻也是改善电机温升的一种方法,并且是最主要的方法。根据传热学原理,电机内的热量传递可以分为热传导、热对流和热辐射三种方式。

这三种传热方式抵抗传热能力的大小可以通过热阻表示为

目前,各种针对电机的散热方法所运用的原理以基于减小部件之间的传导热阻和对流热阻为主。大部分散热技术是基于减小传热距离、增大传热面积、提高材料导热系数及表面传热系数这四个因素进行设计的。因此,本文从这四个影响因素出发,对目前已有的一些先进增强型散热系统进行归纳整理。

传热距离与传热面积这两个因素可以归为一类,即几何参数。改变几何参数的方法主要是将电机的某一部位以凸出延伸的方式嵌入发热严重的部位,比如冷却管道延伸或铁心延伸等,此类方法既减小了传热距离又增大了传热面积。

改变表面传热系数,一般是通过添加扰流翅片增强流体的湍流度,以达到提升表面传热系数的效果。改变材料导热系数,利用此原理的方法较多,比如使用导热绝缘材料填充空隙,采取导热金属连接冷却设备与发热部位,或者利用传热效率极高的相变物质代替填充和热连接。增强型散热系统的具体分类如图10所示。

图10 增强型散热系统分类

扰流翅片最早应用于机壳表面,用于扩大传热面积,提高湍流程度,以增强空气对电机的散热效果。当自然风速提高时,这种翅片的散热效果也随之提升,所以有人也将此方法用于强迫风冷。翅片可以设置在机壳表面,也可以设置在电机内部,取决于设计者想提高表面传热强度的具体部位。如果将风冷换为换热能力更高的液冷,增加扰流翅片会起到事半功倍的效果。

扰流翅片通常设置在有空隙或有流体存在且流体流动程度不可忽视的地方。当空隙狭小甚至没有空隙或流体流动微弱时,有学者通过填充灌封材料即导热绝缘物质、嵌插导热金属或利用相变物质来缩短传热路径、增大传热面积、加快导热速率,以减小关键部件之间的热阻。

导热树脂和导热胶是相对空气具有较高导热率和良好绝缘特性的材料,也是电机常用的灌封材料]。导热陶瓷相对其他灌封材料来说具有最高的导热率,不过由于其成本较为昂贵,所以应用较少。有学者对导热硅胶、环氧树脂和聚氨酯的材料性能进行比较,结果表明:硅胶在温度范围、电绝缘和工艺等方面具有最佳的材料特性;环氧树脂在耐化学性、刚度和粘合剂强度方面是最好的;聚氨酯是最好的防潮层,但就材料的温度范围而言不是很理想。

导热金属一般是铝或铜,铜的导热率更高但需要考虑更多的涡流损耗。相变物质主要有石蜡和热管,石蜡具有良好的储热性能,化学性质稳定,并且成本低廉,在日常生活中被广泛应用。同理也可以应用于电机散热,它可以对电机的温升起到缓冲和抑制作用。

热管是一种比较复杂的复合型相变材料,它的工作原理如图11所示。根据作用不同可以将热管划分为三个区域:蒸发段、冷凝段和绝热段。蒸发段负责吸收热源传播的热量,网芯内工质被加热超过临界温度后,相态发生改变,由液态变为气态,同时向绝热段和冷凝段流去,在绝热段并不发生热交换。

气态工质到达冷凝段后,遇冷再次发生相变,由气态变为液态,附着在网芯上,并通过网芯的逆流作用,回到蒸发段,冷凝时散发的热量可以由另外的冷却系统吸收。此过程反复进行,从而实现高效传热。热管的三个工作区域具有随意性,可根据实际热源与冷源的分布任意切换。

为了便于摆放,热管也可以进行一定程度的弯折与挤压。这些独特的性质使热管可以非常灵活地作为辅助电机散热的材料。热管被应用于电机的各种部位,如图12所示,包括定子槽部绕组、定子端部绕组、定子铁心及转子铁心等。

图11 热管工作原理

图12 热管在电机各部位中的应用

2.3 混合型散热系统

1)混合方式

在前文中已经分别介绍了基础型散热系统和增强型散热系统,混合型散热系统即是在基础型散热系统的基础上利用基础型或增强型散热技术,解决单一基础型散热系统不足的散热技术。两种散热系统在不同配合方式下形成的混合型散热系统所产生的冷却效果也不同。以径向电机为例,电机外部即机壳处的冷却方法主要是风冷和水冷。风冷可以是自然冷却也可以是外置风扇强迫冷却,水冷则是在机壳内部挖设水道。

增强机壳散热的措施有在机壳表面增加翅片或在水道内部增加翅片,如图13(a)所示,包含了电机机壳处基础型散热系统和增强型散热技术匹配的所有可能。图13(a)也给出了针对绕组槽部散热的增强型散热技术,包括将机壳冷却管道延伸至槽部,将导热插件嵌入机壳与槽部之间,以及将铁心延伸至槽部。这些增强型散热技术可以同时配合机壳处的散热系统形成多重混合型散热系统。

根据图13(a)中的热网络图可以看出,机壳处的散热措施主要是为了增大传热面积以减小导热热阻或是增强表面传热系数从而减小表面传热热阻,使机壳与冷却液体或外部空气的温差减小。针对绕组槽部的散热措施主要是构建额外的热路,以加强热量的传递,使电机内部与内机壳的温差减小,而内机壳的温度又受机壳处所采取的散热措施影响。

除了绕组槽部,构建额外热路的方法同样可以运用于绕组端部或铁心,如图13(b)所示。除此之外,还有在电机内部设置扰流翅片以增强整个内部气隙流动的方法,该方法的目的是增大电机内部所有物体表面的表面传热系数,以减小电机各部位与冷却气体的温差,同样也可以配合机壳处的散热系统形成多重混合型散热系统。

值得注意的是,不仅混合型散热系统的混合方式是多样的,混合型散热系统的组成也可以是多种的。除此之外,还有一些特殊结构的电机,其散热系统也可以采取类似的混合方式。

图13 混合散热系统的不同混合方式(基于LPTN法)

2)不同混合型散热系统的优缺点

混合型散热系统虽使冷却效率有所提高,但在其他方面可能造成负面影响,比如电机性能、制造工艺、空间大小和制作成本等。所以综合考虑各方面因素,权衡利弊,采取合适的混合型散热系统是非常必要的。首先是采用扰流翅片配合基础型散热系统。翅片的形状一般比较简单,容易加工。

有的翅片是直接在原部位的基础上加工,比如机壳表面、机壳水道、轴向电机转子的背轭铁心(back iron extension, BIE),这些部位的原材料相对比较便宜。有的翅片是额外制造再进行装配,同样在加工难度和取材成本方面都比较宽容。但是如果扰流翅片的形状和方位设计不合理,会对散热起反效果,增大摩擦损失。

然后是延伸冷却管道配合基础型散热系统。具有这种结构的混合型散热系统往往冷却效率都比较高,但这种结构的制造难度较大。若管道延伸至绕组,则会影响绕组的下线及排布;若延伸至铁心,则会减少铁心的用量,从而影响电磁性能。特别需要指出的是,由于这种带有冷却液体的管道深入关键部位,所以更加需要做好密封措施。

接着是导热插件配合基础型散热系统。导热插件是外加的工具,基本不需要对原电机进行额外加工,但是需要为其选好安插固定的位置,若插在绕组中同样会给下线带来困难。导热插件的导热效果和成本完全取决于设计者,若采用普通的金属,则成本较低,若采用导热率极高的热管,则成本会上升,而且需要考虑铜外壳带来的涡流损耗。但是相对来说,导热插件的设计比较灵活。

最后是导热绝缘灌封材料配合基础型散热系统。一般采用导热绝缘材料进行灌封的用量都比较大,因而会增加成本及电机质量。导热绝缘材料的导热率相对空气较高,而相对金属较低,且具有高导热率的导热绝缘材料比如陶瓷的价格比较昂贵。尽管如此,由于导热绝缘材料大量灌封,填充到的空间比较全面,虽不能明显降低峰值温度,但对降低平均温度效果比较好。

表2 不同混合型散热系统的优缺点

表2给出了不同混合型散热系统的优缺点。另外,对于一些空间限制比较严格的电机,无法增设循环冷却水设施,可以采用扰流翅片、导热插件或灌封材料配合风冷的混合型散热系统。对于一些散热需求大、运行工况恶劣的电机,可以采用延伸冷却管道或导热插件配合液冷的混合型散热系统。对于需要大规模快速生产的低成本电机,延伸冷却管道的做法不再适用。对于槽满率较高的电机,因为下线困难,在槽中延伸或插入任何元件都不合适。具体的混合型散热系统方案应该根据电机的实际需求,按照主次关系进行选择。

2.4 混合型散热系统在高功率密度电机中的应用

1)扰流翅片配合基础型散热系统

高速电机由于高频所产生的损耗较大,定转子的发热问题均比较严重,所以其多采用风冷与机壳水冷相结合的混合散热系统。当电机为全封闭结构时,外部的风冷对电机内部的冷却效果将微乎其微。而机壳水冷只能解决定子的温升问题,所以有学者研究转子风刺对机壳水冷全封闭式高速永磁电机散热的影响,带转子风刺结构的水冷电机如图14所示,转子风刺位于端部空腔处。研究结果表明,转子风刺可使电机内部空气的流速显著增加,从而提高转子表面的换热效率。

图14 带转子风刺结构的水冷电机

这种类似风刺的结构即使在没有机壳水冷的情况下,利用强迫风冷也可以起到较好的散热效果。有学者研究分析一种大容量高速感应电机的气隙翅片对绕组冷却性能的影响。带转轴气隙翅片的风冷电机如图15所示,气隙翅片位于转轴两端,该翅片与风刺相比更为复杂,是一种利于加剧空气流动的形状结构。研究发现,有气隙翅片存在的空腔具有更高的流速分布,如图16所示,特别是端部绕组的内侧对流更加强烈。气隙翅片使端部绕组表面和气隙处的传热系数分别增加了31%和90%,能够有效降低端部绕组和转子的平均温度。

图15 带转轴气隙翅片的风冷电机

图16 电机内腔速度流线分布

在径向电机中,这种增强风冷的扰流翅片多设置在机壳表面或转轴处。在轴向电机中,多将扰流翅片设置在转子背轭铁心处。有学者采用内部风冷,在转子背铁处设计了3种翅片来加强空气扰动,以改善转子散热效果,如图17所示。通过比较不同形状的翅片对电机风摩损耗、散热性能的影响,表明泪滴式翅片具有最好的辅助散热效果。

图17 背铁处采用不同形状翅片的轴向电机转子

有学者将扰流翅片应用于水冷散热,在一台双定子轴向电机两端端盖水冷管道中添加方形或椭圆形的扰流板,以提高水流的湍流强度,从而增强水冷效果,如图18所示。实验结果表明,椭圆形扰流板结构的水道冷却效果较好,而方形扰流板结构的水道冷却效果弱于无扰流板结构的水道,这证明扰流翅片不一定能对风冷或液冷起到加强效果,合理地设计扰流翅片的形状也非常重要。

图18 不同扰流板形状的水道结构

大量的论证和实验都已表明,液冷系统的散热效率相对于风冷系统要高几十倍。但是,不能与发热部件直接接触的间接水冷系统的散热范围具有较大的局限性,即使在流道内增加扰流翅片来提高冷却液体的对流换热能力,也不能对超出间接水冷系统散热范围的其他部位进行冷却。而直接水冷系统在流道和绝缘的设计上已经花费了许多成本,使其能对相应电机部位进行精准高效冷却,故没有必要再增设扰流翅片加强散热效果。

采用油浸式冷却的电机往往内部油路轨迹已非常复杂,此时利用扰流翅片增加湍流度的意义不大。而对于喷油式冷却,油滴作无规则运动,扰流翅片难以影响冷却油的流动及换热。因此相对来说,扰流翅片更适合配合风冷作为混合型散热系统。

2)灌封材料配合基础型散热系统

除了利用扰流翅片加强风冷或水冷自身的湍流程度以提升对流换热能力外,也可以利用导热绝缘材料填充气隙减小热阻来加强电机关键部位与冷却设施之间的热连接。作为一种增强热管理策略,有学者将导热硅胶封装在端部绕组与外壳之间的空隙中,如图19所示。温升试验表明,在任何工况下,采用导热硅胶的电机稳定运行温度都低于原电机,最高温度可降低27.3℃,并且能够提高极限工况下的过载时间。

图19 采用导热硅胶灌封的水冷电机

有学者在轴向电机的定子外侧安装两排并联的水冷铜管,如图20所示。水冷铜管与绕组之间具有一定的距离,其间的空气会严重影响水冷铜管对定子的散热,所以在水冷铜管和定子之间用高热导率的环氧树脂填充以降低热阻,由温度场图可以看出水管与周围填充物质的温差较小。

图20 采用导热树脂灌封的轴向电机

导热陶瓷具有比导热硅胶和导热树脂更高的热导率,有学者使用导热陶瓷对一轴向永磁电机的端部绕组和水冷机壳之间的空隙进行填充,如图21所示,它避免了端部绕组和水冷机壳之间的高热阻。结果表明,在导热陶瓷的辅助下,该电机的温度可以降低10%左右。

图21 采用导热陶瓷灌封的轴向电机

3)导热金属配合基础型散热系统

导热硅胶和导热树脂的导热系数普遍在2W/ (m·℃)以下,而导热陶瓷的导热系数虽然高达几十,但其成本较为昂贵。尽管相对于空气,灌封材料使关键部位之间的接触热阻减小了很多,但是这些灌封材料的塑形和导热系数远不如金属。导热金属更容易作为两个部位之间连接的桥梁,采用更高热导率的金属嵌入电机关键部位的内部,在缩短传热路径的同时又能更大程度地减小传导热阻。

有学者为了提高集中绕组电机的功率密度,引入封装定子端部绕组的导热插件替代导热绝缘灌封材料,如图22所示。端部绕组与导热插件之间的大面积直接接触使热量可以在定子绕组与机壳之间进行较好的传递。经过对比分析,没有该导热插件封装的电机定子绕组只能达到19.0A/mm2的电流密度,具有导热插件封装的定子绕组电流密度可以达到26.5A/mm2。但是这种封装型导热插件的结构较为复杂,增加了工艺难度,并且需要考虑铁心损耗的增加。

图22 采用导热插件封装端部绕组的电机

YASA电机高功率密度及高纵横比的特性使其非常适合作为轮毂电机应用于电动汽车。但由于轮毂电机空间位置的限制,使用风扇型风冷和液冷比较困难。为了节省成本、简化工艺,只能采取自然风冷,但单纯的自然风冷的散热能力对这种高功率高转矩电机远远不够。有学者对轮内牵引用YASA电机的空冷问题进行了分析和实验研究。定子齿、绕组和导热翅片组件如图23所示,研究人员在绕组和转子背轭之间嵌插铝制的导热翅片,向周围空气提供额外的低热阻路径,通过空气冷却可以达到所需的性能。

图23 定子齿、绕组和导热翅片组件

有无导热翅片电机的温升对比如图24所示,有限元分析和物理模型实验表明,此设计可使电流密度提高大约40%,还提高了电机的短时间过载能力。有学者在定子槽部绕组之间插入导热器,并给出几种导热器变种设计,插入导热器的定子槽部绕组结构如图25所示。结果表明,该设计只会造成很少的功率损失,并且在低频工作时输入功率可增加约40%,高频时输入功率可增加20%。

图24 有无导热翅片电机的温升对比

图25 插入导热器的定子槽部绕组结构

4)延伸铁心配合基础型散热系统

与利用导热插件这种外加零件方法不一样的是,可以直接改变原属部件的结构形状使其深入发热部件内部,从而达到相同的散热效果。比如有学者提出一种简单、新颖的方法,通过延长槽内的部分背轭铁心,缩短槽内热源与冷却介质之间的传热距离来提高集中绕组的电机热性能。图26为BIE电机定子槽部的热网络,这种修改的实现成本很低,因为不涉及任何新的附加材料。通过优化BIE的长宽比,可以降低26.7%的峰值绕组温度,并且这种BIE结构对电机的电磁性能影响很小。

图26 BIE电机定子槽部热网络

有学者同样设计了一种类似BIE结构的散热系统,如图27所示,延伸铁心贯穿整个绕组的中间。不同的是有的学者将其应用于高转矩密度的管式电机,延伸铁心的存在使电机在相同温升的情况下可以输出更高的电流密度和功率。

图27 采用BIE结构的管式电机

5)延伸冷却管道配合基础型散热系统

同样也可以改变冷却管道的结构,使冷却路径能够到达发热部位。有学者提出一种新的水冷拓扑结构,即将机壳水道的一部分延伸至定子铁心内,并在一12槽10极永磁同步电机上证明了该水冷结构的有效性。机壳水道延伸结构如图28所示。仿真结果表明,在额定条件下,与传统机壳水冷相比,使用该机壳水冷结构的最大绕组温度可降低至少20℃。电机温度场对比如图29所示。

图28 机壳水道延伸结构

图29 电机温度场对比

有学者针对YASA电机设计了类似的机壳冷却管道延伸结构,如图30所示,并对延伸的水冷管直径和数量进行优化。CFD结果表明,该电机的峰值输出功率为65kW,比原型机高30%,功率密度从2.22kW/kg增加到3.07kW/kg。

图30 背铁处采用不同形状翅片的轴向电机转子

有时因客观因素无法设置循环水冷却设施,但可以利用机壳延伸结构加强散热。有学者在YASA电机定子的热设计中,对机壳进行延伸,机壳延伸的部分位于绕组之间,如图31所示。绕组的热量可以通过延伸机壳更快地传递至外部,通过外部风冷散去。特别地,当绕组与机壳之间的灌封材料导热率较低时,这种延伸机壳的导热作用将会显得更为重要。

图31 机壳延伸结构的YASA电机

除了字面意义上的冷却管道延伸,即对传统的机壳冷却管道进行一定的变形外,利用AM或其他技术构造形状特别的管道嵌入发热部位之间也属于一种特别的冷却管道延伸方法。有学者设计了一种比功率为11.8kW/kg的分数槽集中绕组电机,并采用特殊材料和AM技术制成了应用于绕组槽部的T型冷却管道,如图32所示。该电机能够实现在33.3A/mm2电流密度输入的情况下,使绕组峰值温度保持在195℃以下。

有学者采用硅橡胶制成冷却管道夹在端部绕组之间,如图33所示。通过简单地直接冷却端部绕组,可以显著降低绕组温度。实验证明了其有效性,即使冷却方法仅应用于一个端部绕组侧,端部绕组温度也降低了25%。

图32 T型冷却管道延伸结构

图33 端部绕组冷却管道延伸结构

6)相变物质配合基础型散热系统

比导热金属具有更高传热效率的材料是相变物质,与普通导热物质相比,其跨越式的导热能力越来越受到电机设计者们的青睐,逐渐被广泛应用。有学者在电机机壳内部引入石蜡以缓解电机的温升冲击,如图34所示。与自冷永磁同步电机的传统外壳相比,采用石蜡填充的新外壳,可使电机的工作时间延长近32.7%,使电机的峰值温度最大可以降低约7.8℃。

图34 石蜡填充机壳式自冷电机

比石蜡应用更广的是复合型相变元件——热管。有学者采用热管和翅片联结式的结构配合外部风冷增强电机的散热能力,基于热管-翅片辅助风冷的无人机电机定子如图35所示。槽部绕组中的热管负责快速导热,翅片吸收热量后再通过较大的表面积散发到外部空间。

图35 基于热管-翅片辅助风冷的无人机电机定子

有学者提出一种提高分数槽集中绕组外转子电机热性能的方法,基于槽部热管冷却的外转子电机如图36所示,热管的蒸发段位于整个槽部绕组中间,冷凝段嵌于冷却水道中,定子铁心内侧同时有冷却水道通过。在考虑热管铜壁产生的额外涡流损耗的前提下,经过仿真优化得到热管的最佳尺寸大小与在绕组槽部中的安放位置。

在额定工况时,槽部绕组的峰值温度相比无热管时最大可降低约50℃,含优化热管定子槽部与原电机温度场对比如图37所示。在该散热系统的作用下,实际电机在转速1 000~6 000r/min时绕组的电流密度可达到15A/mm2。

图36 基于槽部热管冷却的外转子电机

图37 含优化热管定子槽部与原电机温度场对比

有学者设计了一种端盖上带热管的新型水冷电机,如图38所示。热管一端掩埋在端盖内可进行自然风冷,一端嵌入定子铁心内传导定子的热量,此结构可有效降低绕组温度约15℃。

图38 采用端盖热管结构的水冷电机

7)多种增强散热技术配合基础型散热系统

目前也有不少学者在原有基础型散热系统的基础上采用多种增强型散热技术并用的设计方法。比如有学者在电机绕组端部与机壳之间灌封导热陶瓷材料,又在定子与机壳之间安装导热铜棒,采用导热陶瓷和铜棒的轴向电机如图39所示,结果显示该方法对降低绕组温度有较好的效果。

图39 采用导热陶瓷和铜棒的轴向电机

有学者将热管嵌入定子铁心外侧的护套中,如图40所示,同时由机壳水和端部风扇进行冷却。对于特定的85kW电机,在1500s模拟时间内,与传统液体冷却相比,该混合冷却系统可以节省约370kJ的能量。

图40 采用定子铁心热管结构的混合冷却电机

有学者针对绕组端部温升较高的情况设计基于热管冷却的永磁同步电机散热方案,使用热管直接连接电机端部绕组与机壳,解决电机绕组的散热难题,并且为了减小热管蒸发端与端部绕组之间的接触热阻,在二者之间填充了导热硅脂,采用端部绕组热管结构的水冷电机如图41所示。实验结果证明,此方案对端部绕组起到了良好的降温效果。

图41 采用端部绕组热管结构的水冷电机

3 混合型散热系统的发展趋势

无论是基础型散热系统还是增强型散热系统都具有各自的优缺点和适用范围,根据电机的发热部位、制作成本、工艺难度和空间限制等要素,选取合适的散热方案是提高电机功率密度、运行效率、可靠性和恶劣工况上限的关键。比如对于低成本风冷电机,可以通过设置扰流翅片增强风冷效率;对于槽满率低、槽部温升严重的集中绕组电机可以采用BIE结构;对于端部较长的分布式绕组电机可以利用导热插件与冷却设备连接;对于空隙较多的电机则可以选择热导率相对较高的绝缘材料进行填充等。

总体来说,随着电机向高功率密度、高集成化和高可靠性方向发展,电机散热系统也趋向多元化,发展成多种散热技术并用,且具有针对性、补偿性、配合性及加强性的混合型散热系统。

除了根据电机的发热部位、生产成本和空间限制等要素来按需设计混合型散热系统,同时基于多物理场耦合分析也是非常必要的。温度并不是独立存在的影响因素,它与电磁场、流体场、应力乃至噪声等因素相互影响。随着高功率密度电机应用所涉及的方面越来越广泛,要求越来越严苛,从多物理场耦合出发研究电机的混合型散热系统是必然趋势。当不能平衡所有物理场时,要在遵循主次原则的前提下进行相关改良。

高效化是电机散热系统的主要发展方向,混合型散热系统是实现电机散热系统向高效化发展的必然产物。开发高可靠性的混合型散热系统可以提升电机的散热效率、输出性能,实现电机向高功率密度和高可靠性方向的快速发展。

4 结论

设计电机散热系统的目的是避免因电机温升超过材料耐温而引起材料失效。在对原电机进行散热系统融合时,难免会使电机结构发生改变,更甚者会影响电机性能,所以应该从两方面权衡进行取舍设计:一是电机质量、体积、尺寸及成本等客观物性指标;二是电机电磁、应力及振动噪声等性能指标。

随着电机向高功率密度、高集成化和高可靠性方向发展,电机各方面的指标裕度也越来越小。每一种电机由于结构、尺寸及材料不同都会有其独特的损耗特性及发热特性。在设计对应电机的散热系统时,应针对其发热特性,利用减小各种热阻的基本原理,灵活而精准地配合多种增强型散热技术,避免冷却性能不足或浪费。高功率密度电机混合型散热系统的核心不是追求更多的散热技术并用,而是在尽可能精简的情况下采取多元化的散热技术达到更高效的冷却效果,减小关键部件的发热负担。

另外,在确认一种混合型散热系统方案的初期,散热效率并不是最高的。对散热系统模型进行适当简化,并以此建立高效可行的参数优化过程是非常必要的,这样可以为电机其他设计环节争取更多的可能性。同时,配备具有可参考价值的实验测试也是非常关键的一步,电机在实际运转时存在许多非理想因素,通过对这些影响因素的把握,并在模拟设计中进行合理等效或纠正,也能将高功率密度电机散热系统的设计提上一个层次。

高效可靠的混合型散热系统是抑制电机温升、提高电机运行效率和功率密度及提升电机运行稳定性和延长电机寿命的重要基础。相信随着对高功率密度电机混合型散热系统的深入研究,电机的性能将得到进一步提升,以满足更高需求。

本文编自2022年第8期《电气技术》,论文标题为“高功率密度电机混合型散热技术综述”,作者为朱婷、张雨晴 等。

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