隨著諸如新能源汽車、電動飛機等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,高功率密度已成為電機的一個重要設(shè)計指標(biāo)。在推動電機高功率密度化發(fā)展的同時,帶來了電機內(nèi)部發(fā)熱陡增、有效散熱空間嚴(yán)重不足的問題。當(dāng)電機內(nèi)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(nèi)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(yán)重影響電機壽命和電機運行的安全性。
如何合理設(shè)計散熱系統(tǒng)已經(jīng)成為電機進一步向高功率密度方向發(fā)展亟需解決的關(guān)鍵問題。因此,采用高效的散熱系統(tǒng)改善電機的溫升極值和分布是電機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)施促進流體流動,對于散熱需求不是很高的小功率電機是相對節(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)超過風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。但是,用來支持液冷散熱系統(tǒng)的輔助設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)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(tǒng)更適用于散熱需求較大的高功率密度電機。
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行了探索。高效化是電機散熱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,逐漸成為越來越多的學(xué)者所認(rèn)可的觀點。在電機原有風(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散熱效率的方案是實現(xiàn)電機散熱系統(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)允許電機設(shè)計者們可以更自由地使用各種散熱或隔熱材料來優(yōu)化電機散熱系統(tǒng),從幾何角度考慮更高熱負(fù)荷的電機設(shè)計。
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(shè)計。A. Boglietti等提出用作絕緣填充或冷卻液的高質(zhì)量材料對于改善電機的冷卻效果至關(guān)重要,這些材料必須與用于電機散熱系統(tǒng)的各種冷卻配置相結(jié)合。
國內(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)合起來的混合冷卻技術(shù)正逐漸引起關(guān)注,是未來高功率密度電機熱管理技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢之一。
圖1 3D打印直接繞組液冷換熱器的概念設(shè)計
綜上,提高原有風(fēng)冷或液冷系統(tǒng)的散熱效率離不開額外的散熱技術(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),對該新型散熱技術(shù)進行系統(tǒng)分類和拓展。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)可能會是高功率密度電機散熱系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向。
本文首先介紹電機基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)即風(fēng)冷和液冷散熱系統(tǒng)的特點及其使用范圍,分析電機單一基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的不足,指出發(fā)展高功率密度電機混合型散熱系統(tǒng)的必要性。對現(xiàn)有的電機混合型散熱系統(tǒng)的混合方式進行整理,比較分析不同混合型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點。同時列舉混合型散熱系統(tǒng)在高功率密度電機實際應(yīng)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(tǒng)未來的發(fā)展趨勢進行分析,并提出今后應(yīng)該關(guān)注的發(fā)展重點。
電機基礎(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,也最容易實現(xiàn)。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)成本低,適用于小功率電機;液冷散熱系統(tǒng)散熱效率高,成本相對較高,適用于大功率電機。
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)生對流。強迫風(fēng)冷通常利用風(fēng)扇旋轉(zhuǎn),提升風(fēng)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。圖2為采用封閉式內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)的電機,額外的風(fēng)扇系統(tǒng)提高了電機的散熱效率。
圖2 采用封閉式內(nèi)部通風(fēng)冷卻的電機截面
液冷散熱系統(tǒng)與風(fēng)冷散熱系統(tǒng)不同,需要在機殼內(nèi)部或電機其他部位布設(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,同時吸取熱量;被加熱后的液體在循環(huán)裝置中進行再冷卻,重新流入電機水道。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)是通過設(shè)計復(fù)雜而又纖細(xì)的水路管道嵌于發(fā)熱部位實現(xiàn)散熱,如圖4所示。
圖3 各種類型的冷卻水道
圖4 線圈內(nèi)部水管示意
有學(xué)者研究不同水道對電機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)的液體直接對發(fā)熱部位進行冷卻,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,冷卻油灌滿整個定子,可對定子內(nèi)部所有組件進行大面積冷卻。噴油式散熱系統(tǒng)一般在端蓋或轉(zhuǎn)軸設(shè)置噴油口,主要對端部繞組進行冷卻,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,目前所闡述的電機散熱系統(tǒng)所對應(yīng)的電機規(guī)模都不是很大。而對于大規(guī)模的電機比如水輪發(fā)電機或風(fēng)力發(fā)電機,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。大量實踐結(jié)果表明,對于大型電機,蒸發(fā)冷卻技術(shù)在經(jīng)濟和性能上具有更明顯的優(yōu)勢。
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)對電機主要發(fā)熱部位的冷卻效果見表1。
表1 基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)對電機主要發(fā)熱部位的冷卻效果
由表1可以看出,無論是風(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,電機的內(nèi)部不存在高速流動的冷卻氣流,此時電機內(nèi)部熱交換的效率較低。當(dāng)采用開啟式外通風(fēng)散熱系統(tǒng)時,雖然定子部分的散熱效率得以提高,但是電機產(chǎn)生的風(fēng)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(nèi)進行局部降溫,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(zhuǎn)子單定子軸向磁通電機,定子與轉(zhuǎn)子完全隔開,油浸式冷卻只能解決定子的散熱問題,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端部繞組的散熱進行設(shè)計,往往不能顧及其他發(fā)熱部位,并且由于重力的原因,噴油式冷卻會造成散熱不均衡的問題,同時噴油設(shè)備相對其他冷卻設(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(shù)配合風(fēng)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(tǒng)是解決目前高功率密度電機溫升日趨嚴(yán)重問題的有效方案。
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),都會遇到無法滿足全部關(guān)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(chǔ)型散熱系統(tǒng)形成復(fù)合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)對電機進行多部位的綜合冷卻。有學(xué)者對一臺1.12MW的高速永磁電機,采用不同類型機殼水冷和通風(fēng)冷卻相結(jié)合的方法,并進行對比分析。圖8為軸向通風(fēng)系統(tǒng)和混合通風(fēng)系統(tǒng),實驗結(jié)果表明定子的溫度較低,而轉(zhuǎn)子的溫度卻高于定子,機殼水冷解決了定子的溫升問題,風(fēng)冷卻沒有解決轉(zhuǎn)子的溫升問題,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)合機殼水冷散熱電機
因此,單純通過基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的簡單疊加進行冷卻,往往需要過多的冷卻設(shè)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(xué)者研究了能夠相對節(jié)省空間和成本且更有針對性的混合型散熱系統(tǒng)。比如,當(dāng)采用風(fēng)冷和水冷進行混合冷卻時,不會選擇額外增添風(fēng)扇裝置,而是通過設(shè)計擾流翅片并利用轉(zhuǎn)子自身的旋轉(zhuǎn)來加強空氣的流動從而達(dá)到風(fēng)冷的效果。又或者是當(dāng)冷卻水道只能針對一處進行散熱時,不會選擇在另一處繼續(xù)增設(shè)水道,而是通過導(dǎo)熱插件將發(fā)熱部位的熱量引向冷卻水道,諸如此類。
2.2 增強型散熱系統(tǒng)
電機的溫升主要取決于損耗與熱阻這兩個因素,關(guān)于抑制電機自身損耗,可以通過優(yōu)化拓?fù)浠蚴褂玫蛽p耗電磁材料來實現(xiàn)。比如有學(xué)者通過優(yōu)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(zhuǎn)化為定子軛部鐵損,從而成功控制繞組的溫升,并且將電機的持續(xù)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(jù)傳熱學(xué)原理,電機內(nèi)的熱量傳遞可以分為熱傳導(dǎo)、熱對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(dǎo)熱阻和對流熱阻為主。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)這四個因素進行設(shè)計的。因此,本文從這四個影響因素出發(fā),對目前已有的一些先進增強型散熱系統(tǒng)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(shù)。改變幾何參數(shù)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(fā)熱嚴(yán)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?zhèn)鳠嵯禂?shù),一般是通過添加擾流翅片增強流體的湍流度,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。增強型散熱系統(tǒng)的具體分類如圖10所示。
圖10 增強型散熱系統(tǒng)分類
擾流翅片最早應(yīng)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(dāng)自然風(fēng)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(fēng)冷。翅片可以設(shè)置在機殼表面,也可以設(shè)置在電機內(nèi)部,取決于設(shè)計者想提高表面?zhèn)鳠釓姸鹊木唧w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程度不可忽視的地方。當(dāng)空隙狹小甚至沒有空隙或流體流動微弱時,有學(xué)者通過填充灌封材料即導(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)熱樹脂和導(dǎo)熱膠是相對空氣具有較高導(dǎo)熱率和良好絕緣特性的材料,也是電機常用的灌封材料]。導(dǎo)熱陶瓷相對其他灌封材料來說具有最高的導(dǎo)熱率,不過由于其成本較為昂貴,所以應(yīng)用較少。有學(xué)者對導(dǎo)熱硅膠、環(huán)氧樹脂和聚氨酯的材料性能進行比較,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)氧樹脂在耐化學(xué)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(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(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,并通過網(wǎng)芯的逆流作用,回到蒸發(fā)段,冷凝時散發(fā)的熱量可以由另外的冷卻系統(tǒng)吸收。此過程反復(fù)進行,從而實現(xiàn)高效傳熱。熱管的三個工作區(qū)域具有隨意性,可根據(jù)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(zhì)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(yīng)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(zhuǎn)子鐵心等。
圖11 熱管工作原理
圖12 熱管在電機各部位中的應(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。以徑向電機為例,電機外部即機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)扇強迫冷卻,水冷則是在機殼內(nèi)部挖設(shè)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(nèi)部增加翅片,如圖13(a)所示,包含了電機機殼處基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)和增強型散熱技術(shù)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(shù),包括將機殼冷卻管道延伸至槽部,將導(dǎo)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(shù)可以同時配合機殼處的散熱系統(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)熱熱阻或是增強表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從而減小表面?zhèn)鳠釤嶙瑁箼C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(gòu)建額外的熱路,以加強熱量的傳遞,使電機內(nèi)部與內(nèi)機殼的溫差減小,而內(nèi)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(gòu)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(nèi)部設(shè)置擾流翅片以增強整個內(nèi)部氣隙流動的方法,該方法的目的是增大電機內(nèi)部所有物體表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),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(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,其散熱系統(tǒng)也可以采取類似的混合方式。
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
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,比如機殼表面、機殼水道、軸向電機轉(zhuǎn)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(shè)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(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(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(dǎo)熱插件的導(dǎo)熱效果和成本完全取決于設(shè)計者,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(dǎo)熱插件的設(shè)計比較靈活。
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)熱絕緣材料進行灌封的用量都比較大,因而會增加成本及電機質(zhì)量。導(dǎo)熱絕緣材料的導(dǎo)熱率相對空氣較高,而相對金屬較低,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
表2給出了不同混合型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點。另外,對于一些空間限制比較嚴(yán)格的電機,無法增設(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?qū)岵寮浜弦豪涞幕旌闲蜕嵯到y(tǒng)。
對于需要大規(guī)模快速生產(chǎn)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(tǒng)方案應(yīng)該根據(jù)電機的實際需求,按照主次關(guān)系進行選擇。
2.4 混合型散熱系統(tǒng)在高功率密度電機中的應(yīng)用
1)擾流翅片配合基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)
高速電機由于高頻所產(chǎn)生的損耗較大,定轉(zhuǎn)子的發(fā)熱問題均比較嚴(yán)重,所以其多采用風(fēng)冷與機殼水冷相結(jié)合的混合散熱系統(tǒng)。當(dāng)電機為全封閉結(jié)構(gòu)時,外部的風(fēng)冷對電機內(nèi)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,所以有學(xué)者研究轉(zhuǎn)子風(fēng)刺對機殼水冷全封閉式高速永磁電機散熱的影響,帶轉(zhuǎn)子風(fēng)刺結(jié)構(gòu)的水冷電機如圖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
這種類似風(fēng)刺的結(jié)構(gòu)即使在沒有機殼水冷的情況下,利用強迫風(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)電機的氣隙翅片對繞組冷卻性能的影響。帶轉(zhuǎn)軸氣隙翅片的風(fēng)冷電機如圖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(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
圖16 電機內(nèi)腔速度流線分布
在徑向電機中,這種增強風(fēng)冷的擾流翅片多設(shè)置在機殼表面或轉(zhuǎn)軸處。在軸向電機中,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)計了3種翅片來加強空氣擾動,以改善轉(zhuǎn)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(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轉(zhuǎn)子
有學(xué)者將擾流翅片應(yīng)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(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擾流板結(jié)構(gòu)的水道,這證明擾流翅片不一定能對風(fēng)冷或液冷起到加強效果,合理地設(shè)計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)
大量的論證和實驗都已表明,液冷系統(tǒng)的散熱效率相對于風(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(tǒng)散熱范圍的其他部位進行冷卻。而直接水冷系統(tǒng)在流道和絕緣的設(shè)計上已經(jīng)花費了許多成本,使其能對相應(yīng)電機部位進行精準(zhǔn)高效冷卻,故沒有必要再增設(shè)擾流翅片加強散熱效果。
采用油浸式冷卻的電機往往內(nèi)部油路軌跡已非常復(fù)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(guī)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(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風(fēng)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(dǎo)熱絕緣材料填充氣隙減小熱阻來加強電機關(guān)鍵部位與冷卻設(shè)施之間的熱連接。作為一種增強熱管理策略,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。溫升試驗表明,在任何工況下,采用導(dǎo)熱硅膠的電機穩(wěn)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(dǎo)熱硅膠灌封的水冷電機
有學(xué)者在軸向電機的定子外側(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,其間的空氣會嚴(yán)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(dǎo)率的環(huán)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(zhì)的溫差較小。
圖20 采用導(dǎo)熱樹脂灌封的軸向電機
導(dǎo)熱陶瓷具有比導(dǎo)熱硅膠和導(dǎo)熱樹脂更高的熱導(dǎo)率,有學(xué)者使用導(dǎo)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(jié)果表明,在導(dǎo)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(dǎo)熱陶瓷灌封的軸向電機
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部位之間連接的橋梁,采用更高熱導(dǎo)率的金屬嵌入電機關(guān)鍵部位的內(nèi)部,在縮短傳熱路徑的同時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殼之間進行較好的傳遞。經(jīng)過對比分析,沒有該導(dǎo)熱插件封裝的電機定子繞組只能達(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
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(yīng)用于電動汽車。但由于輪轂電機空間位置的限制,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)冷的散熱能力對這種高功率高轉(zhuǎn)矩電機遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。有學(xué)者對輪內(nèi)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(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,向周圍空氣提供額外的低熱阻路徑,通過空氣冷卻可以達(dá)到所需的性能。
圖23 定子齒、繞組和導(dǎo)熱翅片組件
有無導(dǎo)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(shè)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。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,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(dǎo)熱翅片電機的溫升對比
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,可以直接改變原屬部件的結(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)者提出一種簡單、新穎的方法,通過延長槽內(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(wǎng)絡(luò),這種修改的實現(xiàn)成本很低,因為不涉及任何新的附加材料。通過優(yōu)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(jié)構(gòu)對電機的電磁性能影響很小。
圖26 BIE電機定子槽部熱網(wǎng)絡(luò)
有學(xué)者同樣設(shè)計了一種類似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,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(jié)構(gòu)的管式電機
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極永磁同步電機上證明了該水冷結(jié)構(gòu)的有效性。機殼水道延伸結(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)機殼水冷相比,使用該機殼水冷結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
圖29 電機溫度場對比
有學(xué)者針對YASA電機設(shè)計了類似的機殼冷卻管道延伸結(jié)構(gòu),如圖30所示,并對延伸的水冷管直徑和數(shù)量進行優(yōu)化。CFD結(jié)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(zhuǎn)子
有時因客觀因素?zé)o法設(shè)置循環(huán)水冷卻設(shè)施,但可以利用機殼延伸結(jié)構(gòu)加強散熱。有學(xué)者在YASA電機定子的熱設(shè)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(fēng)冷散去。特別地,當(dāng)繞組與機殼之間的灌封材料導(dǎo)熱率較低時,這種延伸機殼的導(dǎo)熱作用將會顯得更為重要。
圖31 機殼延伸結(jié)構(gòu)的YASA電機
除了字面意義上的冷卻管道延伸,即對傳統(tǒng)的機殼冷卻管道進行一定的變形外,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)計了一種比功率為11.8kW/kg的分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機,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(yīng)用于一個端部繞組側(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)熱能力越來越受到電機設(shè)計者們的青睞,逐漸被廣泛應(yīng)用。有學(xué)者在電機機殼內(nèi)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(tǒng)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(yīng)用更廣的是復(fù)合型相變元件——熱管。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)冷增強電機的散熱能力,基于熱管-翅片輔助風(fēng)冷的無人機電機定子如圖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)冷的無人機電機定子
有學(xué)者提出一種提高分?jǐn)?shù)槽集中繞組外轉(zhuǎn)子電機熱性能的方法,基于槽部熱管冷卻的外轉(zhuǎn)子電機如圖36所示,熱管的蒸發(fā)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(nèi)側(cè)同時有冷卻水道通過。在考慮熱管銅壁產(chǎn)生的額外渦流損耗的前提下,經(jīng)過仿真優(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,槽部繞組的峰值溫度相比無熱管時最大可降低約50℃,含優(yōu)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(tǒng)的作用下,實際電機在轉(zhuǎn)速1 000~6 000r/min時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
圖37 含優(yōu)化熱管定子槽部與原電機溫度場對比
有學(xué)者設(shè)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(nèi)可進行自然風(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
7)多種增強散熱技術(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)上采用多種增強型散熱技術(shù)并用的設(shè)計方法。比如有學(xué)者在電機繞組端部與機殼之間灌封導(dǎo)熱陶瓷材料,又在定子與機殼之間安裝導(dǎo)熱銅棒,采用導(dǎo)熱陶瓷和銅棒的軸向電機如圖39所示,結(jié)果顯示該方法對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
有學(xué)者將熱管嵌入定子鐵心外側(cè)的護套中,如圖40所示,同時由機殼水和端部風(fēng)扇進行冷卻。對于特定的85kW電機,在1500s模擬時間內(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
有學(xué)者針對繞組端部溫升較高的情況設(shè)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(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)的水冷電機如圖41所示。實驗結(jié)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(jié)構(gòu)的水冷電機
3 混合型散熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
無論是基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)還是增強型散熱系統(tǒng)都具有各自的優(yōu)缺點和適用范圍,根據(jù)電機的發(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功率密度、運行效率、可靠性和惡劣工況上限的關(guān)鍵。比如對于低成本風(fēng)冷電機,可以通過設(shè)置擾流翅片增強風(fēng)冷效率;對于槽滿率低、槽部溫升嚴(yán)重的集中繞組電機可以采用BIE結(jié)構(gòu);對于端部較長的分布式繞組電機可以利用導(dǎo)熱插件與冷卻設(shè)備連接;對于空隙較多的電機則可以選擇熱導(dǎo)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(fā)展,電機散熱系統(tǒng)也趨向多元化,發(fā)展成多種散熱技術(shù)并用,且具有針對性、補償性、配合性及加強性的混合型散熱系統(tǒng)。
除了根據(jù)電機的發(fā)熱部位、生產(chǎn)成本和空間限制等要素來按需設(shè)計混合型散熱系統(tǒng),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(yīng)力乃至噪聲等因素相互影響。隨著高功率密度電機應(yīng)用所涉及的方面越來越廣泛,要求越來越嚴(yán)苛,從多物理場耦合出發(fā)研究電機的混合型散熱系統(tǒng)是必然趨勢。當(dāng)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(guān)改良。
高效化是電機散熱系統(tǒng)的主要發(fā)展方向,混合型散熱系統(tǒng)是實現(xiàn)電機散熱系統(tǒng)向高效化發(fā)展的必然產(chǎn)物。開發(fā)高可靠性的混合型散熱系統(tǒng)可以提升電機的散熱效率、輸出性能,實現(xiàn)電機向高功率密度和高可靠性方向的快速發(fā)展。
設(shè)計電機散熱系統(tǒng)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(tǒng)融合時,難免會使電機結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,更甚者會影響電機性能,所以應(yīng)該從兩方面權(quán)衡進行取舍設(shè)計:一是電機質(zhì)量、體積、尺寸及成本等客觀物性指標(biāo);二是電機電磁、應(yīng)力及振動噪聲等性能指標(biāo)。
隨著電機向高功率密度、高集成化和高可靠性方向發(fā)展,電機各方面的指標(biāo)裕度也越來越小。每一種電機由于結(jié)構(gòu)、尺寸及材料不同都會有其獨特的損耗特性及發(fā)熱特性。在設(shè)計對應(yīng)電機的散熱系統(tǒng)時,應(yīng)針對其發(fā)熱特性,利用減小各種熱阻的基本原理,靈活而精準(zhǔn)地配合多種增強型散熱技術(shù),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(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。對散熱系統(tǒng)模型進行適當(dāng)簡化,并以此建立高效可行的參數(shù)優(yōu)化過程是非常必要的,這樣可以為電機其他設(shè)計環(huán)節(jié)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(guān)鍵的一步,電機在實際運轉(zhuǎn)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(shè)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(tǒng)的設(shè)計提上一個層次。
高效可靠的混合型散熱系統(tǒng)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(wěn)定性和延長電機壽命的重要基礎(chǔ)。相信隨著對高功率密度電機混合型散熱系統(tǒng)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。
本文編自2022年第8期《電氣技術(shù)》,論文標(biāo)題為“高功率密度電機混合型散熱技術(shù)綜述”,作者為朱婷、張雨晴 等。