電機(jī)熱管理·新的熱土

更小更輕是當(dāng)今電機(jī)發(fā)展的必然路徑。因此對功率密度和轉(zhuǎn)矩密度的追求是長期的趨勢。但在EV行業(yè)的沖擊下， 對電機(jī)密度、效率等技術(shù)指標(biāo)需求呈現(xiàn)陡坡加速上升。以往的溫和的漸進(jìn)的技術(shù)發(fā)展已無法滿足母系統(tǒng)的需求。在這種環(huán)境下，為了提高功率密度需各種技術(shù)手段都需要極致發(fā)揮，包括：更新的電磁設(shè)計(jì)、更好的電磁材料、當(dāng)然缺不了更好的熱管理。電機(jī)的功率極限能力往往受電機(jī)的溫升極限限制，因此提高電機(jī)冷卻散熱能力能立竿見影的提高功率密度。另外一方面隨著永磁電機(jī)的普及，我們一邊享受它的優(yōu)點(diǎn)，也要忍耐它的短板----“永磁電機(jī)的性能隨著溫度上升而衰減”。因此為了防止永磁體可逆和不可逆退磁，總是期望有一個(gè)低溫的轉(zhuǎn)子環(huán)境，低工作溫度是延長永磁和絕緣材料的最佳策略。而這個(gè)重任不可推卸的落在了熱管理技術(shù)上。

無論是從功率密度還是安全可靠性出發(fā)，熱管理技術(shù)都是不可或缺，在這種情況下電機(jī)的熱管理技術(shù)從原來的冷門一躍而成為發(fā)展最快的熱土。鑒于此，蝸牛準(zhǔn)備做一系列的專題文章，和大家分享電機(jī)熱管理的：演進(jìn)路線、最新的技術(shù)和未來的趨勢。

工業(yè)電機(jī)的傳統(tǒng)冷卻方式

對于中小型電機(jī)，我們見得較多的冷卻方式可以大概為三種形態(tài)：第一種是開放式風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，空氣可以從風(fēng)罩中吸入電機(jī)內(nèi)部，并從出風(fēng)口排出，帶走內(nèi)部的熱量。但這種結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級不高，粉塵和水汽易進(jìn)入，影響電機(jī)壽命。

第二種形態(tài)是完全封閉的結(jié)構(gòu)，內(nèi)外沒有空氣等其他流體交換，電機(jī)內(nèi)部的熱量靠熱傳導(dǎo)從一個(gè)材料傳遞到下一個(gè)材料，最終到達(dá)機(jī)殼，和空氣發(fā)生熱交換。這種散熱方式結(jié)構(gòu)簡單，但傳熱效果不佳，內(nèi)部的熱量容易堆積，形成熱島。

第三種形態(tài)為前兩種方式的復(fù)合，電機(jī)還是全封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的熱量靠熱傳導(dǎo)到達(dá)機(jī)殼后，機(jī)殼通過風(fēng)扇強(qiáng)迫對流冷卻，帶著熱量，換熱效率介于第一種和第二種之間。

從熱的角度出發(fā)，散熱的三種基本方式為對流、傳導(dǎo)和輻射。在電機(jī)應(yīng)用中主要是前兩種方式為主。上文說的第一種散熱形態(tài)的主要的散熱為對流冷卻，靠流體帶走內(nèi)部的熱量。因此姑且稱之為“對流型解決方案”。第二種散熱形態(tài)主要的散熱途徑是熱傳導(dǎo)，姑且稱之為“傳導(dǎo)型解決方案”。第三種形態(tài)兼有前兩者之長，稱之為“復(fù)合型解決方案”。定性分類的目的在于：跳出表面的具體形式，深入到物理底層，然后這個(gè)層面上重新理解散熱規(guī)律，最后向上展開，發(fā)展出新的冷卻方式。這種思維方式也稱之為：“第一性原理”。我們先用這種方式來重新理解傳導(dǎo)型散熱方案。

傳導(dǎo)型解決方案的發(fā)展

在物理上決定熱傳導(dǎo)能力的關(guān)鍵是熱阻，而熱阻類似于電阻，越大對熱流的阻礙越大。那如何做到熱阻小呢，和三個(gè)物理量有關(guān)，一個(gè)是導(dǎo)熱的面積A、導(dǎo)熱的長度L、材料的導(dǎo)熱系數(shù)。具體設(shè)計(jì)中，前兩種和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝有關(guān)，最后一種和材料的選型有關(guān)。

一般材料的導(dǎo)熱系數(shù)如上圖所示，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)最高，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)最低，絕緣材料居中。  材料導(dǎo)熱系數(shù)越高越好，越高熱阻越小，散熱能力越強(qiáng)。這正是設(shè)計(jì)改進(jìn)的切入點(diǎn)。下面介紹一種傳導(dǎo)型散熱方式的改進(jìn)方案：繞組端部灌膠。

傳導(dǎo)型改進(jìn)1·繞組端部灌膠

普通電機(jī)繞組端部附近為空氣，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常低只有0.0246w/m/k,因此繞組端部通過空氣傳熱到機(jī)殼的熱阻相當(dāng)大。只能回流到鐵芯，然后從鐵芯傳遞給機(jī)殼。然后繞組到鐵芯之間有槽絕緣隔開，其導(dǎo)熱系數(shù)也較小，比如Nomex絕緣紙的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.12~0.15，因此這條路徑也不是特別順暢。這就導(dǎo)致了繞組端部的熱量堆積，形成熱島。

從降低傳導(dǎo)型散熱的熱阻角度出發(fā)，發(fā)展出了一種繞組端部灌膠的改進(jìn)方案。如下圖所示，在繞組端部灌注有機(jī)絕緣材料，這種封膠是特殊設(shè)計(jì)的高導(dǎo)熱材料，熱阻可達(dá)1~3w/m/k，高于空氣的2個(gè)數(shù)量級。因此灌封膠成為了一個(gè)熱橋，構(gòu)建了一條新的熱路。端部繞組的熱量通過熱橋直達(dá)機(jī)殼和端蓋，大幅度提高了散熱效率。這種方式還能起到增強(qiáng)絕緣、改善噪音的效果，是一種簡單易行的熱升級方案。

傳導(dǎo)型改進(jìn)2·槽內(nèi)銅板

如果我們仔細(xì)研究槽內(nèi)導(dǎo)體的熱路，就會發(fā)現(xiàn)槽中心的導(dǎo)體存在嚴(yán)重的熱阻過大問題。這是因?yàn)椴壑行牡膶?dǎo)體離鐵芯比較遠(yuǎn)，中間隔了很多層導(dǎo)體。雖然銅本身的導(dǎo)熱系數(shù)很好能達(dá)到386w/m/k。但是，銅線的絕緣層是熱的不良導(dǎo)體，熱導(dǎo)率<1。中間的導(dǎo)體的熱流需要經(jīng)過多根導(dǎo)體的絕緣層才能達(dá)到鐵芯，如此熱路堵塞，容易形象槽中央的熱孤島。解決的辦法是在槽中間設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)很好的熱橋。比如說銅板或者銅片。

如下圖所示T型銅板設(shè)置在槽中間，外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)。銅板相當(dāng)于重新構(gòu)建了一條熱通路，槽中間的導(dǎo)體，熱量會直接通過中間板傳遞到底板，然后傳遞到鐵芯中。相比漆包線絕緣，銅板的熱阻可以忽略不記，因此相當(dāng)于內(nèi)層的導(dǎo)體也能直接和鐵芯接觸。

仿真和測試的數(shù)據(jù)都表明，槽內(nèi)銅板技術(shù)能夠有效降低槽中心導(dǎo)體溫升，案例中槽中心導(dǎo)體溫度從175℃改善為107.4℃。取得了明顯效果。但應(yīng)用該技術(shù)需要注意兩個(gè)問題，一個(gè)是銅板和漆包線之間的絕緣問題，解決的辦法為加絕緣紙或者或者采用其他不導(dǎo)電，高導(dǎo)熱的材料替代。另外一個(gè)問題是銅板本身會產(chǎn)生渦流損耗，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)。

傳導(dǎo)型改進(jìn)3·繞組預(yù)成型

繞組預(yù)成型是一種特殊的繞組成型工藝。制造時(shí)先將繞組繞制在特殊設(shè)計(jì)的工裝上，然后給繞組加壓整形，使之排列致密，整齊。然后灌入膠水使膠水填滿繞組之間的空隙。待固化成型后，去掉工裝，將繞組嵌入定子鐵芯中。這種工藝使得導(dǎo)線和導(dǎo)線之間的沒有空氣間隙，接觸熱阻大大下降，從而提升繞組的整體導(dǎo)熱系數(shù)。但這種技術(shù)的僅適合集中繞組電機(jī)使用。

傳導(dǎo)型改進(jìn)4·熱管技術(shù)

熱管技術(shù)是一種有效的改善熱傳導(dǎo)能力的技術(shù)，一般是和外風(fēng)冷技術(shù)配對形成復(fù)合型冷卻技術(shù)。如下圖所示在機(jī)殼中設(shè)置了很多細(xì)長的銅線，這些銅線的導(dǎo)熱系數(shù)非常高，相當(dāng)于熱的高速公路，將熱量快速的從機(jī)殼代到外部的細(xì)薄的冷卻片處，中間有風(fēng)扇強(qiáng)迫通風(fēng)快速的帶走熱量。

這種熱管技術(shù)特別適用于將電機(jī)內(nèi)芯上的熱量導(dǎo)出。比如外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的定子上的發(fā)熱，主要的熱路是：一條從鐵芯到達(dá)軸，然后傳遞到端蓋處；另外一條是通過氣隙空氣到達(dá)轉(zhuǎn)子磁鋼和鐵芯，然后傳遞給機(jī)殼。這兩條路徑都不是很順暢。因此可以如下圖所示在定子內(nèi)側(cè)設(shè)置熱管，將定子的發(fā)熱快速的導(dǎo)到外界，通過專用的散熱片冷卻。

總結(jié)·順藤摸瓜

電機(jī)熱管理技術(shù)的發(fā)展，并不是空中閣樓式的創(chuàng)新，更多的是對以往其他設(shè)備的散熱技術(shù)的借鑒，以及不同技術(shù)的策略組合。但其根本原理離不開熱傳導(dǎo)的改善和對流的改善。本文介紹了繞組灌膠、槽內(nèi)銅板、熱管技術(shù)、繞組預(yù)成型技術(shù)。按此思路類推還能衍生出更多的技術(shù)，比如槽絕緣材料的熱阻改進(jìn)、漆包線絕緣材料的熱阻改進(jìn)、浸漆材料的熱阻改進(jìn)，鐵芯和機(jī)殼之間熱阻的改進(jìn)等等。只要我們抓住了物理本質(zhì)，就可以順藤摸瓜。

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