胡凯
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摘要：在目前电机的实际运行及应用过程中，解决电机的散热问题一直都是关键任务，并且也是提升电机运行效率及有效性的重要途径及方式。电机运行过程中，为能够使其运行稳定良好，需要对电机散热加以注意。随着电机向高功率密度、高过载能力和小型化等方向发展，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。高效率的散热系统是抑制电机温升、提升电机运行稳定性和延长电机寿命的重要基础。本文就此展开了相关探究。
关键词：电机散热；散热系统；散热技术
引言：
近年来，在电机关键发热部件与冷却壳体之间构建额外热路以提升电机散热效率的额外热路增强型电机散热方案得到了研究与应用。利用导热树脂、导热胶和导热陶瓷等导热绝缘材料在电机端部绕组与机壳之间构建额外热路是该散热方案的常用形式。此外，采用铝片、铜棒和热管等高热导率传热器件充当额外热路的增强型电机散热方案也逐渐得到了应用和研究。额外热路增强型电机散热方案是解决电机关键发热部件散热难题的有效手段，同时也提供了提升电机散热系统效率的新思路。
1 电机散热系统现状分析
1.1 风冷散热系统
该系统可以根据是否采用额外的增强空气流动的装置分为自然风冷和强迫风冷，自然风冷不需要额外的动力装置，仅仅通过机壳与周围空气的自然对流进行热交换。强迫风冷通常利用风扇系统加强电机与外部空气的热交换，额外的风扇系统提高了电机的散热效率，但是也在一定程度上增加了电机系统的电力消耗和噪声。根据气流的流动路径可以将强迫风冷散热系统分为外部通风和内部通风两大类，外部通风散热系统通过风扇驱动冷却气流在机壳外表面流动，达到冷却电机的目的。内部通风散热系统利用风扇驱动气流从入风口进入，沿电机内部的气流通道对电机各部件进行冷却后再从出风口流出。根据冷却气流在电机内部流动路径可以将其分为轴向式、径向式和径轴混合通风三种形式。根据电机内部风路和外部风路是否连通，可以将强迫风冷分为开启式和封闭式系统。开启式强迫风冷散热系统的内外风路连通，外部空气可以进入电机内部直接进行热交换，具有较高的散热效率；但是空气中的灰尘容易进入电机，因此需要对电机进行定期清理。封闭式强迫风冷散热系统可以有效避免灰尘进入电机，依靠电机内部的同轴风扇驱动气流将热量传递至机壳，然后与外部环境进行热交换。
1.2 液冷散热系统
根据冷却介质可以将液冷散热系统分为水冷散热系统和油冷散热系统两类。水冷散热系统主要是在机壳内部设置循环流道，流道结构主要有圆周型、螺旋型和轴向型三种，还有少部分的复合型流道结构。圆周型冷却流道的散热能力较强，螺旋型冷却流道的压力损耗较小，而轴向型冷却流道的轴向温度梯度低，适合轴向长度较长的电机。水介质具有无污染、成本低、比热容和导热系数较高等优势，因此得到了广泛的应用。为了克服水介质凝固点较高、沸点较低的不足，在实际使用中往往采用水-乙二醇混合溶液以降低凝固点，提高水冷散热系统的环境适应性。此外，水冷散热系统在长期循环过程中容易产生水垢并腐蚀机壳，因此在实际应用中还需要添加抗腐蚀和抗泡沫等添加剂[1]。油介质具有良好的绝缘特性，因此可以在电机内部流动，与电机绕组、定子等发热部件直接进行热交换；也可以在机壳内部的流道中循环流动，这两种油冷方式分别是直接油冷和间接油冷。直接油冷又可以分为浸油式和喷油式两种。浸油式油冷是将电机的定、转子都浸没在冷却油中，具有良好冷却效果的同时可以降低电机工作噪音，但是油的粘度较大，增加了电机转子旋转时的能量损失；喷油式油冷通过将冷却油喷淋到机壳内表面及定子端部实现对电机的高效散热。
直接油冷、特别是喷油式油冷的冷却介质与电机内部的发热部件直接接触，极大的降低了电机绕组、定子等高发热部件的散热热阻，具有极高的散热效率，因此多用于高功率密度电机。
1.3 蒸发冷却散热系统
目前蒸发冷却技术仍存在新型冷却介质选择、气液两相流的流动特性和传热计算方面的问题。从保护环境的角度出发，传统氟利昂类介质不能继续使用，新型具有良好物理、化学特性和绝缘特性的冷却介质还有待开发。气液两相流的传热问题缺乏成熟的理论，还未形成完备的设计计算方法[2]。根据冷却介质沸腾温度的高低，可以将蒸发冷却分为低温制冷式蒸发冷却和常温制冷式蒸发冷却；根据冷却系统的结构可以将蒸发冷却分为管内冷却和浸没式冷却；还可以根据冷却介质的循环系统是否采用驱动泵，将蒸发冷却分为自循环蒸发冷却和强迫循环蒸发冷却两大类。蒸发冷却散热系统是利用冷却介质相变潜热对电机进行高效冷却的散热方案，可以有效抑制电机温升，进而降低电机损耗，提高电机效率。我国自主研发的蒸发冷却散热系统具有冷却效率高、能耗低和可靠性高等优势，在兆瓦级汽轮发电机组设备中得到了广泛应用。
2 电机散热系统发展趋势
立足于电机设计阶段，开发高可靠性的额外热路集成式散热方案不仅可以提升电机的散热效率、抑制温升，可以提升电机系统的集成化程度，实现电机向高功率密度、高集成化和高可靠性方向发展。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，电机散热系统也逐渐向高效化、高可靠性和轻量化等方向发展[3]。风冷散热系统具有结构简单、可靠性高和成本低廉的优势，主要应用于发热量小、对可靠性要求较高的小功率电机；液冷散热系统是中到大功率电机最常用的散热方式，具有较高的散热效率，然而液冷散热系统需要附加额外的冷却液循环系统，增加了电机系统的成本，降低了系统整体的可靠性。蒸发冷却散热系统是解决兆瓦级大功率发电机组散热的有效手段，然而其复杂的系统组成限制了其在千瓦级电机散热领域的应用。优化蒸发冷却系统的系统结构、提高其集成化程度是蒸发冷却散热系统的主要发展方向。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与优化，采用相变材料或器件提升风冷和液冷散热系统的冷却效率是电机散热领域的新思路。利用相变器件极高的热导率，将电机主要发热部件的热量快速传递至机壳，避免热量在电机关键部件的积聚，是实现电机高效散热的有效手段和新方向。目前，针对额外热路增强型散热方案的研究大都是研究其对电机温升的抑制效果，仅对该方案的散热效果进行了验证，缺乏从电机设计阶段开始的系统性设计与研究[4]。值得注意的是，电机的温度场与电磁场密切相关，采用额外热路增强型散热方案的电机温升显著降低，其电磁效率必定有所提升。同时，额外热路增强型散热方案出色的降温效果理论上可以使电机在一定的过载工况下长期稳定运行，提高电机的功率密度。因此，系统性研究额外热路增强型散热方案对电机温升抑制、磁场分布以及运行效率的影响，验证并提升其可靠性和集成化程度是其发展的主要方向。高效化是电机散热系统的主要发展方向，额外热路增强型散热方案是实现电机散热系统向高效化发展的新方向。
结束语：
综上所述，各电机散热系统在各自的应用领域发挥着重要的作用并取得了显著的降温效果。针对电机的应用场景、发热功率和生产成本等因素选取恰当的散热系统是实现电机高效散热的关键。目前，电机散热系统正随着电机逐渐向高效化、高可靠性和高集成化方向发展。
参考文献：
[1]周冕,何闻莺.浅谈电动汽车冷却系统设计及电机最优冷却温度控制[J].南方农机,2019,50(15):50.
[2]陆训,汪跃中,张朝闻.电动汽车驱动系统散热设计与试验验证[J].制冷与空调,2019,19(07):32-36.
[3]王宜时.基于热管改良的汽车电机散热效果研究[J].汽车实用技术,2019(11):137-141.
[4]王书礼,马少华,张硕.电动飞机电机控制器风冷散热结构的计算与改进[J].电机与控制应用,2019,46(06):84-90.