高功率密度電機(jī)混合型散熱技術(shù)綜述

朱 婷 張雨晴 李 強(qiáng) 王 俞 耿偉偉

高功率密度電機(jī)混合型散熱技術(shù)綜述

朱 婷1張雨晴1李 強(qiáng)1王 俞2耿偉偉1

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

隨著電機(jī)系統(tǒng)向高功率密度、高過載能力和高速小型化等方向發(fā)展，電機(jī)損耗與溫升持續(xù)增加，嚴(yán)重影響了電機(jī)的運(yùn)行效率、可靠性和壽命。單一的基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)已不能滿足高功率密度電機(jī)的冷卻需求，融合多種散熱方式的混合型高效率散熱系統(tǒng)逐漸成為當(dāng)前抑制電機(jī)溫升和提升電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的重要技術(shù)手段。本文首先介紹風(fēng)冷和液冷兩種基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，然后指出單一散熱系統(tǒng)的局限性，從而指出采用混合型散熱技術(shù)的必要性。按照減小熱阻的不同方式對(duì)混合型散熱系統(tǒng)進(jìn)行分類，對(duì)比分析不同混合型散熱技術(shù)在高功率密度電機(jī)中的應(yīng)用效果，給出高功率密度電機(jī)混合散熱方法的設(shè)計(jì)指南。最后對(duì)高功率密度電機(jī)混合型散熱系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)與展望。

高功率密度電機(jī)；混合；散熱系統(tǒng)；溫升；熱分析

0 引言

隨著諸如新能源汽車、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)[1-4]。在推動(dòng)電機(jī)高功率密度化發(fā)展的同時(shí)，帶來了電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱陡增、有效散熱空間嚴(yán)重不足的問題[5-8]。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部溫升過高以致超過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[9-13]。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[14-16]。

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(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。從性價(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[17-19]。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[20]。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)[21]。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)[22-24]。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[25]。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(jī)熱管理技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì)之一[26]。

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)?；旌闲蜕峒夹g(shù)可能會(huì)是高功率密度電機(jī)散熱系統(tǒng)未來發(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，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[27]。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啟式的[28-30]。圖2為采用封閉式內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)的電機(jī)[31]，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[32-34]，圖3所示為主要的幾種水道結(jié)構(gòu)[35]。直接水冷散熱系統(tǒng)是通過設(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[36]。

圖3 各種類型的冷卻水道

圖4 線圈內(nèi)部水管示意

文獻(xiàn)[14-15, 37]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[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(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)[39-41]。

圖6 端蓋噴油式冷卻

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，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(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(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。文獻(xiàn)[42-44]對(duì)一臺(tái)1.12MW的高速永磁電機(jī)，采用不同類型機(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。

因此，單純通過基礎(chǔ)型散熱系統(tǒng)的簡單疊加進(jìn)行冷卻，往往需要過多的冷卻設(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，而是通過設(shè)計(jì)擾流翅片并利用轉(zhuǎn)子自身的旋轉(zhuǎn)來加強(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，而是通過導(dǎo)熱插件將發(fā)熱部位的熱量引向冷卻水道，諸如此類。

（a）軸向通風(fēng)系統(tǒng)

（b）混合通風(fēng)系統(tǒng)

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

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)自身損耗，可以通過優(yōu)化拓?fù)浠蚴褂玫蛽p耗電磁材料來實(shí)現(xiàn)。比如文獻(xiàn)[45]通過優(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[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(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，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(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)的具體分類如圖10所示。

圖10 增強(qiáng)型散熱系統(tǒng)分類

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)空隙狹小甚至沒有空隙或流體流動(dòng)微弱時(shí)，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(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[49-51]。導(dǎo)熱陶瓷相對(duì)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[52-53]。文獻(xiàn)[54]對(duì)導(dǎo)熱硅膠、環(huán)氧樹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[55]。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[56]。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[57]。

圖11 熱管工作原理

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)鳠釤嶙瑁箼C(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)。

圖12 熱管在電機(jī)各部位中的應(yīng)用

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的渦流損耗。但是相對(duì)來說，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)模快速生產(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。

表2 不同混合型散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

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題，所以文獻(xiàn)[58]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)

這種類似風(fēng)刺的結(jié)構(gòu)即使在沒有機(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。文獻(xiàn)[59]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。文獻(xiàn)[60]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

文獻(xiàn)[61]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。

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)來說，擾流翅片更適合配合風(fēng)冷作為混合型散熱系統(tǒng)。

圖18 不同擾流板形狀的水道結(jié)構(gòu)

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，文獻(xiàn)[51]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載時(shí)間。

圖19 采用導(dǎo)熱硅膠灌封的水冷電機(jī)

文獻(xiàn)[62]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)氧樹脂填充以降低熱阻，由溫度場(chǎng)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(jī)

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，文獻(xiàn)[63]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。

文獻(xiàn)[64]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)過對(duì)比分析，沒有該導(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[65]。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。文獻(xiàn)[66]對(duì)輪內(nèi)牽引用YASA電機(jī)的空冷問題進(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(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)間過載能力。

文獻(xiàn)[67]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。比如文獻(xiàn)[68]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(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(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)

文獻(xiàn)[69]同樣設(shè)計(jì)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(gè)繞組的中間。不同的是文獻(xiàn)[69]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。文獻(xiàn)[70]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

文獻(xiàn)[71]針對(duì)YASA電機(jī)設(shè)計(jì)了類似的機(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。文獻(xiàn)[72-73]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延伸機(jī)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(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。文獻(xiàn)[22]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。

文獻(xiàn)[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(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)熱能力越來越受到電機(jī)設(shè)計(jì)者們的青睞，逐漸被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[76-77]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?。文獻(xiàn)[78]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(jī)電機(jī)定子

文獻(xiàn)[79]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。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(shí)，槽部繞組的峰值溫度相比無熱管時(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

文獻(xiàn)[80]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。比如文獻(xiàn)[81]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)

文獻(xiàn)[82]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1 500s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)

文獻(xiàn)[83-85]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)，可以通過設(shè)置擾流翅片增強(qiáng)風(fēng)冷效率；對(duì)于槽滿率低、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越廣泛，要求越來越嚴(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(jī)其他設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)爭取更多的可能性。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，以滿足更高需求。

[1] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī): 理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2016.

[2] LU S M. A review of high-efficiency motors: specification, policy, and technology[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 59: 1-12.

[3] 劉向東, 馬同凱, 趙靜. 定子無鐵心軸向磁通永磁同步電機(jī)研究進(jìn)展綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(1): 257-273, 392.

[4] 曹博宇. 非晶合金軸向磁通永磁同步電機(jī)熱管理技術(shù)[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué), 2019.

[5] 祝天利, 韓雪巖, 朱龍飛. 基于場(chǎng)路耦合的機(jī)器人永磁電動(dòng)機(jī)損耗及其溫升分析[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(6): 7-12, 55.

[6] 高俊國, 孟睿瀟, 胡海濤, 等. 電機(jī)定子絕緣老化壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(14): 3065-3074.

[7] 張宸菥, 陳立芳, 王維民, 等. 高速電動(dòng)機(jī)損耗分析及溫度場(chǎng)計(jì)算[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(5): 44-50.

[8] 朱高嘉, 劉曉明, 李龍女, 等. 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(5): 946-953.

[9] 徐媚媚, 劉國海, 陳前, 等. 永磁輔助同步磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(23): 7033-7043, 7116.

[10] 馬偉明, 王東, 程思為, 等. 高性能電機(jī)系統(tǒng)的共性基礎(chǔ)科學(xué)問題與技術(shù)發(fā)展前沿[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2016, 36(8): 2025-2035.

[11] 尹惠. 永磁同步電機(jī)損耗計(jì)算及溫度場(chǎng)分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015.

[12] 梁培鑫. 永磁同步輪轂電機(jī)發(fā)熱及散熱問題的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[13] 張華偉. 非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及熱計(jì)算[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學(xué), 2016.

[14] 王小飛, 代穎, 羅建. 基于流固耦合的車用永磁同步電機(jī)水道設(shè)計(jì)與溫度場(chǎng)分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(增刊1): 22-29.

[15] 吳柏禧, 萬珍平, 張昆, 等. 考慮溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的永磁同步電機(jī)折返型冷卻水道設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(11): 2306-2314.

[16] 唐毓, 蔣意玨, 羅維. 大容量短軸型和長軸型高溫超導(dǎo)電機(jī)的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電磁特性對(duì)比分析[J]. 電氣技術(shù), 2019, 20(8): 49-53, 58.

[17] 劉壯, 韓雪巖, 高俊. 基于熱固耦合的高速永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(5): 1-5, 101.

[18] 謝穎, 胡圣明, 陳鵬, 等. 永磁同步電機(jī)匝間短路故障溫度場(chǎng)分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(2): 322-331.

[19] 李海. 水冷式電機(jī)冷卻系統(tǒng)故障分析及處理措施[J]. 電工技術(shù), 2019(16): 121-122.

[20] 湯勇, 孫亞隆, 郭志軍, 等. 電機(jī)散熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國機(jī)械工程, 2021, 32(10): 1135-1150.

[21] GHAHFAROKHI P S, PODGORNOVS A, KALLASTE A, et al. Opportunities and challenges of utilizing additive manufacturing approaches in thermal mana- gement of electrical machines[J]. IEEE Access, 2021, 9: 36368-36381.

[22] SIXEL W, LIU Mingda, NELLIS G, et al. Cooling of windings in electric machines via 3-D printed heat exchanger[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2020, 56(5): 4718-4726.

[23] SIXEL W, LIU Mingda, NELLIS G, et al. Ceramic 3D printed direct winding heat exchangers for improving electric machine thermal management[C]//2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Baltimore, MD, USA, 2019: 769-776.

[24] SIXEL W, LIU Mingda, NELLIS G, et al. Cooling of windings in electric machines via 3D printed heat exchanger[C]//2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Portland, OR, USA, 2018: 229-235.

[25] POPESCU M, STATON D A, BOGLIETTI A, et al. Modern heat extraction systems for power traction machines-a review[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2016, 52(3): 2167-2175.

[26] 林明耀, 樂偉, 林克曼, 等. 軸向永磁電機(jī)熱設(shè)計(jì)及其研究發(fā)展綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(6): 1914-1928.

[27] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[28] 江嘉銘, 姚列英, 李青, 等. HL-2M RMP線圈高速電機(jī)定子的散熱研究[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(5): 72-75.

[29] 丁樹業(yè), 葛云中, 徐殿國, 等. 1.5MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)流體場(chǎng)分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(21): 93-98.

[30] 丁樹業(yè), 孫兆瓊, 徐殿國, 等. 3MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳熱特性數(shù)值研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(3): 137-143.

[31] MIZUNO S, NODA S, MATSUSHITA M, et al. Development of a totally enclosed fan-cooled traction motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(4): 1508-1514.

[32] 陳軼, 盧琴芬, 沈燚明. 雙邊水冷永磁直線電機(jī)的磁熱耦合分析(英文)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(7): 1852-1862.

[33] 殷巧玉, 李偉力, 張曉晨. 高速永磁發(fā)電機(jī)冷卻流道結(jié)構(gòu)雙維度連續(xù)量子蟻群優(yōu)化的溫度場(chǎng)計(jì)算[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, 31(36): 77-85.

[34] 李翠萍, 管正偉, 丁秀翠, 等. 電動(dòng)汽車用電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及發(fā)展綜述[J]. 微特電機(jī), 2019, 47(1): 82-86.

[35] SATRUSTEGUI DE LEGARRA M. Thermal and hydraulic design of water based cooling systems for electrical machines[D]. Spain: Universidad de Navarra, 2017.

[36] LINDH P, PETROV I, JAATINEN-V?RRI A, et al. Direct liquid cooling method verified with an axial- flux permanent-magnet traction machine prototype[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(8): 6086-6095.

[37] 邢軍強(qiáng), 汪明武, 孔瑩瑩. 基于流固耦合的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳熱分析[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(1): 47-52.

[38] DAVIN T, PELLE J, HARMAND S, et al. Experi- mental study of oil cooling systems for electric motors[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 75: 1-13.

[39] 顧國彪, 阮琳, 劉斐輝, 等. 蒸發(fā)冷卻技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(11): 1-6.

[40] 石華林, 熊斌, 劉作坤, 等. 高壓變頻器功率模塊相變散熱研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2021, 40(6): 73-80.

[41] 石華林, 熊斌, 馮韻, 等. 配電變壓器表貼式相變輔助散熱溫度計(jì)算方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.210478.

[42] 張鳳閣, 杜光輝, 王天煜, 等. 兆瓦級(jí)高速永磁電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)子表面風(fēng)摩耗研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2014, 18(2): 50-55.

[43] 張鳳閣, 杜光輝, 王天煜, 等. 1.12MW高速永磁電機(jī)多物理場(chǎng)綜合設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(12): 171-180.

[44] 張鳳閣, 杜光輝, 王天煜, 等. 1.12MW高速永磁電機(jī)不同冷卻方案的溫度場(chǎng)分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(增刊1): 66-72.

[45] ZHANG Zhuoran, WANG Yu, SANG Yu, et al. Efficiency improvement and thermal analysis of a totally enclosed self-cooling doubly salient generator with optimized stator yoke[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2016, 52(7): 1-5.

[46] BOGLIETTI A, CAVAGNINO A, STATON D, et al. Evolution and modern approaches for thermal analysis of electrical machines[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2009, 56(3): 871-882.

[47] 吳勝男, 郝大全, 佟文明, 等. 基于集中參數(shù)熱模型的大功率模塊化定子混合勵(lì)磁同步電機(jī)熱分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(24): 7851-7859.

[48] SCIASCERA C, GIANGRANDE P, PAPINI L, et al. Analytical thermal model for fast stator winding temperature prediction[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2017, 64(8): 6116-6126.

[49] CRESCIMBINI F, DI NAPOLI A, SOLERO L, et al. Compact permanent-magnet generator for hybrid vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2005, 41(5): 1168-1177.

[50] RAHMAN K M, PATEL N R, WARD T G, et al. Application of direct-drive wheel motor for fuel cell electric and hybrid electric vehicle propulsion system[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(5): 1185-1192.

[51] SUN Yalong, ZHANG Shiwei, YUAN Wei, et al. Applicability study of the potting material based thermal management strategy for permanent magnet synchronous motors[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 149: 1370-1378.

[52] NATEGH S, BARBER D, LINDBERG D, et al. Review and trends in traction motor design: primary and secondary insulation systems[C]//2018 XIII Inter- national Conference on Electrical Machines (ICEM), Alexandroupoli, Greece, 2018: 2607-2612.

[53] KAZEROONI K, RAHIDEH A, AGHAEI J. Experi- mental optimal design of slotless brushless PM machines based on 2-D analytical model[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2016, 52(5): 1-16.

[54] KULAN M C, ?AHIN S, BAKER N J. An overview of modern thermo-conductive materials for heat extraction in electrical machines[J]. IEEE Access, 2020, 8: 212114-212129.

[55] IBRAHIM N I, AL-SULAIMAN F A, RAHMAN S, et al. Heat transfer enhancement of phase change materials for thermal energy storage applications: a critical review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 74: 26-50.

[56] WROBEL R, MACGLEN R J. Opportunities and challenges of employing heat-pipes in thermal mana- gement of electrical machines[C]//2020 International Conference on Electrical Machines (ICEM), Gothenburg, Sweden, 2020: 961-967.

[57] BRADFORD M. The application of heat pipes to cooling rotating electrical machines[C]//1989 4th International Conference on Electrical Machines and Drives, London, UK, 1989: 145-149.

[58] 佟文明, 程雪斌, 孫靜陽, 等. 轉(zhuǎn)子風(fēng)刺對(duì)高速永磁電機(jī)永磁體溫升的抑制作用[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(5): 1526-1534.

[59] KIM C, LEE K S, YOOK S J. Effect of air-gap fans on cooling of windings in a large-capacity, high-speed induction motor[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 100: 658-667.

[60] FAWZAL A S, CIRSTEA R M, GYFTAKIS K N, et al. Fan performance analysis for rotor cooling of axial flux permanent magnet machines[J]. IEEE Transa- ctions on Industry Applications, 2017, 53(4): 3295- 3304.

[61] 孫明燦, 唐任遠(yuǎn), 韓雪巖, 等. 高頻非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)不同冷卻方案溫度場(chǎng)分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2018, 22(2): 1-8, 23.

[62] ZHANG B, SEIDLER T, DIERKEN R, et al. Deve- lopment of a yokeless and segmented armature axial flux machine[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(4): 2062-2071.

[63] POLIKARPOVA M, LINDH P, GERADA C, et al. Thermal effects of stator potting in an axial-flux permanent magnet synchronous generator[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 75: 421-429.

[64] VANSOMPEL H, SERGEANT P. Extended end- winding cooling insert for high power density electric machines with concentrated windings[J]. IEEE Transa- ctions on Energy Conversion, 2020, 35(2): 948-955.

[65] 李濤, 張幽彤, 梁玉秀, 等. 定子無磁軛模塊化軸向磁通永磁電機(jī)研究進(jìn)展綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2021, 41(1): 340-353.

[66] WINTERBORNE D, STANNARD N, SJOBERG L, et al. An air-cooled YASA motor for in-wheel electric vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2020, 56(6): 6448-6455.

[67] WROBEL R, HUSSEIN A. A feasibility study of additively manufactured heat guides for enhanced heat transfer in electrical machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2020, 56(1): 205-215.

[68] ZHANG Fengyu, GERADA D, XU Zeyuan, et al. Back-iron extension thermal benefits for electrical machines with concentrated windings[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2020, 67(3): 1728- 1738.

[69] GALEA M, BUTICCHI G, EMPRINGHAM L, et al. Design of a high-force-density tubular motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014, 50(4): 2523-2532.

[70] FAN Xinggang, LI Dawei, QU Ronghai, et al. Water cold plates for efficient cooling: verified on a permanent- magnet machine with concentrated winding[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(7): 5325-5336.

[71] CHANG Jiujian, FAN Yanen, WU Jinglai, et al. A yokeless and segmented armature axial flux machine with novel cooling system for in-wheel traction applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2021, 68(5): 4131-4140.

[72] VANSOMPEL H, LEIJNEN P, SERGEANT P. Multi- physics analysis of a stator construction method in yokeless and segmented armature axial flux PM machines[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2019, 34(1): 139-146.

[73] MOHAMED A, HEMEIDA A, RASEKH A, et al. A 3D dynamic lumped parameter thermal network of air- cooled YASA axial flux permanent magnet syn- chronous machine[J]. Energies, 2018, 11(4): 774.

[74] MADONNA V, WALKER A, GIANGRANDE P, et al. Improved thermal management and analysis for stator end-windings of electrical machines[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2019, 66(7): 5057- 5069.

[75] MADONNA V, GIANGRANDE P, WALKER A, et al. On the effects of advanced end-winding cooling on the design and performance of electrical machines[C]// 2018 XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Alexandroupoli, Greece, 2018: 311-317.

[76] WANG Shengnan, LI Yunhua, LI Yunze, et al. Transient cooling effect analyses for a permanent- magnet synchronous motor with phase-change- material packaging[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 109: 251-260.

[77] WANG Shengnan, LI Yunhua, LI Yunze, et al. Conception and experimental investigation of a hybrid temperature control method using phase change material for permanent magnet synchronous motors[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2017, 81: 9-20.

[78] 傅鵬睿. 高轉(zhuǎn)矩密度永磁同步電機(jī)電磁與溫升特性的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2019.

[79] GENG Weiwei, ZHU Ting, LI Qiang, et al. Windings indirect liquid cooling method for a compact outer- rotor PM starter/generator with concentrated windings[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2021, 36(4): 3282-3293.

[80] 溫萬昱. 基于熱管的新能源汽車電機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2017.

[81] HUANG Junkui, SHOAI NAINI S, MILLER R, et al. A hybrid electric vehicle motor cooling system-design, model, and control[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68(5): 4467-4478.

[82] POLIKARPOVA M, PONOMAREV P, LINDH P, et al. Hybrid cooling method of axial-flux permanent- magnet machines for vehicle applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(12): 7382-7390.

[83] SUN Yalong, ZHANG Shiwei, CHEN Gong, et al. Experimental and numerical investigation on a novel heat pipe-based cooling strategy for permanent magnet synchronous motors[J]. Applied Thermal Engineering, 2020, 170: 114970.

[84] FANG Guoyun, YUAN Wei, YAN Zhiguo, et al. Thermal management integrated with three-dimensional heat pipes for air-cooled permanent magnet synchronous motor[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 152: 594-604.

[85] 孫亞隆. 永磁同步電機(jī)熱管式散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2019.

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?yàn)殡姍C(jī)熱分析。