引言 ?

新能源汽車、機器人和高精度數控機床等國家重點支持領域的發展對電機的效率、功率密度、響應速度和振動噪聲等性能指標提出了更高的要求，促使電機向高精度、高功率密度、小型化、輕量化和機電一體化等方向發展[1-2]，帶來了電機內部發熱量急劇增加、有效散熱空間嚴重不足等問題，因此散熱問題成為電機系統進一步向高功率密度方向發展的瓶頸[3-4]。電機內部溫升過高不僅會縮短電機內部絕緣材料的壽命，而且會降低電機的運行效率，使得發熱量增加，造成電機溫度進一步上升，形成惡性循環，嚴重影響電機壽命和電機運行的安全性[5]。據統計，30%～40%的永磁電機失效是由電機溫升過高引起的[6]，因此，采用高效的散熱系統抑制電機溫升是電機向高效率、高穩定性和高可靠性方向發展的關鍵。

風冷、液冷和蒸發冷卻散熱系統是三種常用的電機散熱系統。風冷散熱系統憑借成本低、可靠性高和安裝方便等優勢在小功率電機散熱領域得到了廣泛應用[7]。相較于風冷散熱系統，液冷散熱系統具有極高的散熱效率，其散熱效率可以達到前者的50倍[8]，適用于電機發熱量大、熱流密度高的散熱場合。然而液冷散熱系統需要額外的循環液路與密封系統，增加了電機系統的成本和復雜性[9]。目前，由我國自主研發的蒸發冷卻散熱技術在兆瓦級大容量發電機組的散熱系統中得到了廣泛應用，其主要原理是利用工質的氣液相變循環實現對電機的高效冷卻。蒸發冷卻技術可以有效降低電機運行溫升[10]。

高效化是電機散熱系統發展的重要方向，優化電機散熱系統結構參數是提高電機冷卻效率的常用手段。近年來，通過在電機關鍵發熱部件與冷卻殼體之間構建額外熱路來提高電機散熱效率的額外熱路增強型電機散熱方案得到了研究與應用。利用導熱樹脂[11-12]、導熱膠[13]和導熱陶瓷[14-15]等導熱絕緣材料在電機端部繞組與機殼之間構建額外熱路是該散熱方案的常用形式。此外，采用鋁片[16]、銅棒[17]和熱管[5, 6, 18]等高熱導率傳熱器件充當額外熱路的增強型電機散熱方案也逐漸得到了研究和應用。額外熱路增強型電機散熱方案是解決電機關鍵發熱部件散熱難題的有效手段，同時也提供了提高電機散熱系統效率的新思路。

本文針對電機散熱系統向高效化、高可靠性方向發展的趨勢，介紹了當前電機散熱系統的類型及其使用范圍，分析了各類電機散熱系統的優勢及不足，總結了目前國內外在提高電機散熱系統效率方面的研究進展，討論了其在實際應用中所存在的問題。結合額外熱路增強型電機散熱方案和相變散熱技術提出了以相變傳熱器件來提高電機散熱效率的新方案，最后對電機散熱系統的發展趨勢進行了科學預測與展望。

1 電機發熱的原因及危害 ?

電機作為多物理場、強耦合的能量轉換系統，其能量轉換效率并不是百分之百，在將電能轉換為機械能的過程中會損失一部分能量，這些損失的能量絕大部分轉換為熱能引起電機發熱[5-6]。電機內部的損耗主要由繞組線圈的電阻、磁性材料的磁阻和電機各部件間的機械摩擦造成，主要包含繞組銅耗、定轉子鐵耗和機械損耗三部分[19]。電機繞組、定子和機殼等關鍵部件的接觸面之間存在絕緣漆、絕緣紙和空氣等熱導率極低的材料，增加了電機各部件間的接觸熱阻，極大地降低了電機關鍵部件的散熱效率。永磁同步電機內部熱路如圖1所示，電機內部的關鍵發熱部件與機殼之間的傳熱路徑長、接觸熱阻大,電機工作過程中產生的熱量不能及時傳遞至外部，引起電機內部溫度升高。電機溫升過高將嚴重威脅電機絕緣壽命、運行效率和可靠性。

圖1 永磁同步電機內部熱路示意圖
Fig.1 Schematic diagram of internal thermal circuit
of permanent magnet synchronous motor

電機內部的絕緣漆和絕緣紙等絕緣材料的壽命與電機溫度呈現指數變化規律：

(1)

式中，D為絕緣材料的壽命；A0為環境溫度為0 ℃時絕緣材料的壽命；T為電機的實際工作溫度；a為電機絕緣等級。

從式(1)中可以看出，電機的絕緣壽命會隨著電機實際工作溫度的上升而急劇下降。同時，電機溫度升高將引起電機繞組阻值增加、電機內部磁性材料去磁等問題，增加電機損耗，降低電機工作效率，進一步引起電機發熱量增加。電機繞組阻值隨溫度變化的規律如下：

R=R0[1+α0(T-T0)]

(2)

式中，R為溫度T時繞組的電阻；R0為溫度T0時繞組的電阻；α0為電阻溫度系數；T0為起始溫度。

由式(2)可以看出，繞組的溫度升高將引起繞組阻值變大，進一步增大電機銅耗。同時，定子鐵芯、永磁體等磁性材料的性能也隨著電機溫度的上升而下降，增大電機的鐵耗，降低電機的工作效率[20]。此外，組成電機的各種金屬材料的硬度、強度以及其他力學性能也會受到電機溫升的影響而逐漸下降[21]，威脅電機運行的安全。當電機工作在大轉矩、高轉速等極限工況時，電機的發熱量將急劇增加，如果不能將電機內部的熱量快速傳遞至外部，甚至會造成電機內部磁性材料永久性退磁、燒機等現象。

采用高效可靠的散熱系統將電機運行過程中產生的熱量快速傳遞至外部，避免熱量在電機關鍵部件的積聚，保證電機始終工作在合適的溫度，對電機的壽命、效率和運行安全性具有重要意義。

2 電機散熱系統發展現狀 ?

電機散熱系統分類及相應電機照片如圖2所示，電機散熱系統主要包括風冷、液冷、蒸發冷卻和額外熱路增強型散熱系統四大類,應用最廣泛的是低成本、適用于小功率電機的風冷散熱系統和高效率、適用于大功率電機的液冷散熱系統。利用液體沸騰氣化進行高效散熱的蒸發冷卻技術主要應用于兆瓦級發電機組的散熱系統。近年來，利用導熱絕緣材料或相變傳熱元件在電機關鍵發熱部件與冷卻殼體之間構建額外熱路以強化電機散熱的額外熱路增強型電機散熱方案逐漸得到了研究和應用。從技術角度看，任何一臺電機都可以隨意選取散熱系統形式，關鍵是根據電機的工作環境、發熱功率、可靠性、維護方便性和成本等因素選取合適的散熱系統。甚至可以將風冷散熱系統和水冷散熱系統結合應用，王金松等[22]將封閉式內通風散熱系統和冷卻水套結合應用于電機散熱系統，電機內部產生的熱量在軸端風扇的作用下進入通風管道，并與循環水套內的冷卻水進行熱交換，實現了良好的散熱效果。

(a)風冷散熱系統

(b)液冷散熱系統

(c)蒸發冷卻散熱系統

(d)額外熱路增強型散熱系統
圖2 電機散熱系統分類
Fig.2 Classification of motor cooling system

2.1 風冷散熱系統

風冷散熱系統通常在機殼表面設計翅片以增加換熱面積、提高散熱效率，具有制造工藝簡單、成本低廉和可靠性高等優勢，在小功率密度電機散熱領域得到了廣泛應用。風冷散熱系統可以根據是否采用額外的增強空氣流動的裝置分為自然風冷和強迫風冷。自然風冷不需要額外的動力裝置，僅僅通過機殼與周圍空氣的自然對流進行熱交換。強迫風冷通常利用風扇系統加強電機與外部空氣的熱交換，額外的風扇系統提高了電機的散熱效率，但也在一定程度上增加了電機系統的電力消耗和噪聲。風冷散熱系統的分類依據及分類情況如圖3所示。

圖3 風冷散熱系統分類
Fig.3 Classification of air cooling systems

根據氣流的流動路徑可以將強迫風冷散熱系統分為外部通風和內部通風兩大類：外部通風散熱系統通過風扇驅動冷卻氣流在機殼外表面流動，達到冷卻電機的目的；內部通風散熱系統利用風扇驅動氣流從入風口進入，沿電機內部的氣流通道對電機各部件進行冷卻后再從出風口流出。根據冷卻氣流在電機內部流動路徑可以將其分為軸向式、徑向式和徑軸混合通風三種形式[23]。根據電機內部風路和外部風路是否連通，可以將強迫風冷散熱系統分為開啟式和封閉式系統。開啟式強迫風冷散熱系統的內外風路連通，外部空氣可以進入電機內部直接進行熱交換，具有較高的散熱效率；但是空氣中的灰塵容易進入電機，因此需要對電機進行定期清理。封閉式強迫風冷散熱系統可以有效避免灰塵進入電機，依靠電機內部的同軸風扇驅動氣流將熱量傳遞至機殼，然后與外部環境進行熱交換[24]。此外，也可以根據風扇的安裝位置分為被動式強迫風冷和主動式強迫風冷。被動式強迫風冷是將葉片安裝在電機的轉子或轉軸上，葉片跟隨電機轉子同步旋轉，產生氣流以強化電機散熱。被動式強迫風冷散熱系統的冷卻流量與電機轉速成正相關關系，在低轉速、高負載工況下易出現冷卻風量不足的問題。主動式強迫風冷是在電機的外部設置獨立的風扇系統對電機進行散熱，冷卻氣流的流量和流速與電機工作狀況無關，可以始終保持較高的冷卻效率。

(a)原始電機(b)機殼表面涂覆
高輻射率石墨

(c)機殼表面采用(d)機殼表面采用
小尺寸翅片大尺寸翅片

(e)端部繞組與機殼之間灌注導熱膠[26]
圖4 自然風冷電機照片
Fig.4 Photos of natural air cooling motors?[26]

2.1.1?自然風冷散熱系統

自然風冷散熱系統結構簡單、可靠性高，適用于電機發熱量較小、電機可靠性要求較高、電機工作環境通風良好的散熱場合。機殼表面的散熱筋、散熱翅片結構可以有效提高自然風冷散熱系統的效率。JANG等[25]采用有限元仿真法對比分析了機殼表面翅片結構對自然風冷散熱系統冷卻效率的影響，仿真結果表明在機殼表面添加翅片結構可使電機定子和轉子的散熱效率分別提高26.1%和16.4%。MELKA等[26]研究了額定功率為430W的永磁無刷直流電機的自然風冷散熱系統，采用在機殼表面涂覆高輻射率材料、機殼表面設置不同規格的翅片和填充導熱材料三種方法來提高散熱系統的效率，機殼樣品如圖4所示，測試結果表明，相對于原始電機，四種散熱方案可以分別降低繞組溫度約4 ℃、9 ℃、16 ℃和18 ℃。當同時采用大尺寸散熱翅片和填充導熱材料時，繞組穩定溫度可以降低約30 ℃。MELKA等[27]建立了永磁無刷直流電機的CFD模型用以研究電機關鍵發熱部件的散熱情況及氣體在電機周圍的流動情況，并測試了電機在多個工況下的溫升性能，電機內部溫度的仿真結果與測試結果之間的誤差不超過9 ℃，電機外部溫度仿真結果的誤差為2 ℃。CHIU等[28]采用FLUENT軟件仿真了翅片結構參數對開關磁阻電機溫升性能的影響，并設置機殼表面自然對流傳熱系數為10 W/(m2·K)。仿真結果表明，當翅片面積相同時，電機繞組最高溫度隨著翅片數量的增加而升高；當翅片高度相同時，電機溫度隨翅片數量的增加而降低，電機溫度分布云圖見圖5。

(a)18個翅片

(b)27個翅片 (c)36個翅片
圖5 采用不同翅片結構的電機溫度分布云圖[28]
Fig.5 The temperature distribution of the motors with
different fin structures[28]

2.1.2?強迫風冷散熱系統

自然風冷散熱系統的效率與機殼表面翅片面積、翅片高度和機殼表面的輻射率正相關，這些因素對強迫風冷散熱系統的效率也同樣具有增強作用。利用有限元仿真軟件，GALLONI等[29]分析了葉片形狀、數量和長寬比等參數對電機散熱效率的影響，并根據分析結果開發了能夠用于電機強迫風冷散熱系統耦合熱分析的數學模型。

NAKAHAMA等[30]提出了適用于開啟式風冷散熱系統車用電機的定子鐵心內部及外部雙冷卻通路的強化散熱方案。KIM等[31]建立了開啟式風冷散熱感應電機的熱網絡模型，該模型計算得到的定子、繞組溫度誤差不超過2 ℃。GRABOWSKI等[32]對額定功率為7.5 kW的封閉式外通風散熱電機的溫升性能進行了有限元仿真，仿真結果與測試結果之間的誤差不超過10%。NODA等[24]設計了一款采用開啟式強迫風冷散熱系統的車用電機，如圖6所示，由于外部空氣直接進入電機內部進行冷卻，因此每三年需要拆卸電機進行清理，并且高轉速工況下的電機噪聲較大。開啟式散熱系統的散熱效率較封閉式散熱系統高，但是噪聲較大、需要定期清理的不足限制了開啟式風冷散熱系統電機的進一步發展。封閉式風冷散熱系統具有相互獨立的內部風道與外部風道，可以有效阻止污染物進入電機內部，逐漸取代開啟式散熱系統得到了應用與發展。

圖6 具有開啟式風冷散熱系統的車用電機[24]
Fig.6 Motor with an open air cooling system[24]

內部通風散熱系統的冷卻氣流可以與電機內部的發熱部件直接接觸，其散熱效率高于外部通風散熱系統。YOON等[33]對比了內通風散熱系統和外通風散熱系統對電機繞組溫升的影響，實驗結果表明內通風散熱系統可以有效降低電機繞組穩定溫度約10 ℃，在電機滿載工況下提高電機效率約0.25%，在電機1.25倍過載工況下提高電機效率約0.5%。圖7為采用封閉式內部通風散熱系統電機的截面圖，如圖中箭頭所示，電機軸端的扇葉驅動氣流在電機定、轉子間隙及轉子通風道中流動，并通過機殼表面的散熱翅片與外界進行熱交換，冷卻后的氣流進入電機內部進行下一個循環。

圖7 采用封閉式內部通風散熱系統的電機截面圖[33]
Fig.7 Sectional view of the motor with closed internal
ventilation cooling system[33]

風冷散熱系統也可以滿足大功率電機的散熱需求，但是往往需要采用多個風扇并復合大體積的翅片式散熱器。WEN等[34]建立了額定功率為800 kW的高壓異步電機的外部扇區和冷卻區CFD模型，研究了外部風機的流程特性和效率曲線，確定了外部風扇的最佳運行點，在此基礎上探討了冷卻器結構對流體流動的影響，并通過優化冷卻器結構提高了冷卻效率。CHANG等[35]建立了適用于額定功率2350 kW的電機強迫風冷散熱系統，該散熱系統主要包括一個離心風扇、兩個軸端風扇和一個具有637支冷卻管的熱交換器，通過調整散熱系統的結構參數、設計具有導向葉片的高效熱交換器和優化兩個軸端風扇距離等方法來提高該風冷散熱系統的效率，成功降低電機溫升約6 ℃。XU等[36]研究了額定功率為2500 kW的高壓電機的強制風冷散熱系統，該散熱系統同時采用外部通風和內部通風，研究了扇葉偏轉角和出口角對風扇系統散熱效率的影響，通過優化扇葉傾角提高外部風扇冷卻效率約1.16%，增大出口流量0.08 m3/s。

空氣是風冷散熱系統最常用的冷卻介質，此外，還可以采用氫氣和氦氣對電機進行冷卻。XU等[37]采用氦氣對高溫氣冷堆的鼓風機驅動電機進行冷卻，電機額定功率為4500 kW，仿真結果表明氦氣的初始溫度顯著影響電機的溫升。氦氣和氫氣的熱導率是空氣的6～7倍，因此相同的氣體溫度和流速情況下，氦氣、氫氣冷卻的散熱效率可以達到空氣的1.3～1.5倍。同時，氫氣和氦氣的密度只有空氣的1/14～1/7，因此采用氫氣、氦氣代替空氣可以顯著減小冷卻系統的通風損耗和風摩損耗。然而，氫氣和氦氣高昂的價格、復雜的儲存供應系統限制了氫氣、氦氣冷卻系統的大規模應用。此外，氫氣冷卻系統需要氫氣純度不小于96%和安全可靠的密封防爆系統，這進一步限制了氫氣冷卻系統的應用。因此，氫氣、氦氣冷卻系統多應用于大功率發電機、高溫反應堆等特殊場合。

自然風冷散熱系統的傳熱系數只有2～25 W/(m2·K)，而強制風冷散熱系統的傳熱系數可達20～300 W/(m2·K)。風扇系統雖然在一定程度上增加了系統的噪聲和能耗，但是可以顯著提高電機的冷卻效率，提高磁性材料的利用率。因此，相對于采用自然風冷散熱系統的電機，采用強制風冷散熱系統的電機往往具有較小的質量和較高的功率密度[38]。

內部通風散熱系統的冷卻氣流與電機發熱部件直接接觸，其冷卻效率顯著高于外部通風散熱系統。同時，封閉式散熱系統可以有效避免污染物進入電機內部，降低電機維護成本。封閉式內通風散熱系統兼具散熱效率高和維護成本低的優勢，逐漸取代開啟式散熱系統而得到了廣泛的應用。值得注意的是，采用自然風冷散熱系統和封閉式外通風散熱系統的電機內部不存在高速流動的冷卻氣流，電機內部熱交換效率極低，因此在電機內部關鍵發熱部件與機殼之間構建高效熱路是提高電機散熱效率的關鍵。近年來，逐漸出現了在電機機殼與端部繞組之間灌封導熱材料的方案[11-15,26]。導熱材料的熱導率是空氣熱導率的幾十倍至幾千倍，可以顯著改善端部繞組的散熱環境，抑制繞組溫升，提高電機散熱效率和運行穩定性。

風冷散熱系統具有結構簡單、成本低廉、安裝維護方便和可靠性高等優勢，然而較低的散熱效率決定了風冷散熱系統只能應用于功率密度偏低的電機。風冷散熱系統的冷卻效率主要由翅片結構參數、氣體通道分布位置、氣體流量、冷卻介質和機殼表面熱輻射率等因素決定。氫氣、氦氣取代空氣作為風冷散熱系統的冷卻介質，可以有效提高散熱效率、降低通風損耗，然而氫氣易燃易爆、氦氣價格昂貴的不足限制了其在風冷散熱系統中的大規模應用，因此，空氣依然是當前風冷散熱系統最常用的冷卻介質。

2.2 液冷散熱系統

液冷散熱系統是在電機機殼內部或電機內部設置密封的循環流道，并采用循環裝置驅動冷卻介質在流道內循環流動進行換熱的電機冷卻系統。常用冷卻介質的物理特性如表1所示，根據冷卻介質可以將液冷散熱系統分為水冷散熱系統和油冷散熱系統兩類。水冷散熱系統主要是在機殼內部設置循環流道，流道結構主要有圓周型、螺旋型和軸向型三種，還有少部分的復合型流道結構，其結構如圖8所示。圓周型冷卻流道的散熱能力較強，螺旋型冷卻流道的壓力損耗較小，而軸向型冷卻流道的軸向溫度梯度小，適合軸向長度較長的電機[39]。此外，也可以在定子鐵芯上設計循環水路[40]，對定子進行高效冷卻，在鐵芯軛部集成冷卻水管的散熱結構如圖9所示。水介質具有無污染、成本低、質量熱容和熱導率較高等優勢，因此得到了廣泛的應用。為了克服水介質凝固點較高、沸點較低的不足，在實際使用中往往采用水-乙二醇混合溶液以降低凝固點，提高水冷散熱系統的環境適應性。此外，水冷散熱系統在長期循環過程中容易產生水垢并腐蝕機殼，因此在實際應用中還需要添加抗腐蝕和抗泡沫等添加劑[41]。

表1 冷卻介質常溫常壓下的物理特性

Tab.1 Properties of cooling medium under normal temperature and pressure

(a)圓周型循環水道 (b)螺旋型循環水道

(c)軸向型循環水道 (d)復合型循環水道
圖8 水冷電機流道結構
Fig.8 Flow channels for water cooling motors

圖9 定子鐵芯集成循環水路結構圖[40]
Fig.9 Stator integrated with circulating
water channels[40]

油介質具有良好的絕緣特性，可以在電機內部流動，與電機繞組、定子等發熱部件直接進行熱交換，也可以在機殼內部的流道中循環流動。這兩種油冷方式分別是直接油冷和間接油冷。直接油冷又可以分為浸油式和噴油式兩種。浸油式油冷是將電機的定轉子都浸沒在冷卻油中，具有良好冷卻效果的同時可以降低電機工作噪聲[42]，但是油的黏度較大，增加了電機轉子旋轉時的能量損失；噴油式油冷通過將冷卻油噴淋到機殼內表面及定子端部實現對電機的高效散熱。直接油冷特別是噴油式油冷的冷卻介質與電機內部的發熱部件直接接觸，可顯著降低電機繞組、定子等高發熱部件的散熱熱阻，具有極高的散熱效率，因此多用于高功率密度電機。油冷系統需要嚴格的過濾系統對油介質進行過濾，以避免油中的雜質對電機內部的絕緣層造成破壞。油冷散熱系統的成本昂貴，因此其應用規模不如水冷散熱系統廣泛。

2.2.1?水冷散熱系統

水冷散熱系統的流道結構是影響其冷卻效率的關鍵因素，研究人員通過優化流道結構參數提高了水冷散熱系統的冷卻效率。通過增加流道數量、在冷卻流道中添加擾流結構和增加冷卻水流量等方式可以有效提高冷卻效率，但同時也導致壓力損失明顯增大。因此，在實際應用中需要綜合考慮水道換熱能力和壓力損失以設計合適的水道結構。

吳柏禧[43]根據水道壓降、換熱能力和水道均溫性三項指標對圓周形冷卻水道的結構進行了綜合性優化，最終確定冷卻流道的最優層數為3層，最優截面尺寸為寬8 mm、高11.2 mm。萬珍平等[44]分析了螺旋形流道結構參數對換熱能力和壓力損失的影響，結果表明增加流道螺旋圈數可以提高散熱能力，但會導致壓力損失明顯增大；增加流道截面尺寸可以減小壓力損失，但是對散熱能力的影響較小。楊學威等[45]采用傳統鋁型材擠壓工藝制作了散熱能力不低于8 kW、壓力損失不超過15 kPa的軸向型冷卻流道。BORGES等[46]采用CFD仿真和紅外攝像技術從22個水冷電機流道結構方案中篩選了3個最優模型進行加工，顯著地縮短開發時間和降低成本，并進一步采用紅外攝像技術驗證了電機的溫度分布。ZHENG等[47]通過優化水道數量、水流速度和水道分布結構使電機穩定溫度降低了13 ℃。郝嘉欣等[48-49]在水冷電機冷卻流道內增加了擾流片，并采用有限元分析法研究了擾流片厚度、高度和傾斜角度等尺寸參數對散熱效果的影響，結果表明擾流片結構可以降低繞組溫度約3 ℃，擾流片與冷卻液流動方向夾角為30°、行間距8 mm、列間距5 mm的叉排方式為最優方案。范作智等[50]設計了逆向雙水道冷卻結構，通過在電機流道內部設計折流筋，將傳統流道的水路分割成兩條方向相反的并行水路，如圖10所示，有效縮短了冷卻液流動的距離，解決了電機冷卻液循環過程中溫度梯度大的問題。

圖10 逆向雙水道冷卻結構[50]
Fig.10 Reversed double cooling channels structure[50]

2.2.2?油冷散熱系統

間接油冷散熱系統與水冷散熱系統類似，都是利用冷卻介質在冷卻流道內的循環流動帶走熱量。LASKARIS等[51]設計了一款采用間接油冷散熱系統的汽車牽引電機，冷卻油在機殼內部的流道中循環流動散熱，該散熱系統可以帶走5 kW的熱量，當電機短時間工作在過載工況時，可以通過加快冷卻油流動速度的方式帶走25 kW的熱量。LEE等[52]采用轉子間接油冷散熱方案提高了電機的功率密度，如圖11所示，冷卻油在電機端蓋、機殼和中空軸形成的流道中循環，直接對電機轉子進行冷卻。與機殼內部冷卻方案相比，該方案可以有效降低電機繞組溫度約38%。

(a)冷卻油循環路徑

(b)冷卻通道三維模型
圖11 電機間接油冷散熱系統[52]
Fig.11 Indirect oil cooling system of motor[52]

直接油冷散熱系統的冷卻油與電機內部發熱部件直接接觸，具有極高的散熱效率，是解決高功率密度電機散熱難題的有效方案。PONOMAREV等[53]采用CFD法和熱網格法分析了采用直接油冷散熱系統電機的溫升性能，建立了電機熱仿真1/18模型，極大提高了有限元分析的效率。HUANG等[54]采用CFD仿真法對比了間接油冷和直接油冷的散熱效率。間接油冷即冷卻油在機殼內部通道中循環流動；直接油冷是通過調整電機機殼結構，使冷卻油直接接觸定子的冷卻方案，其結構如圖12所示。仿真結果表明，如果冷卻油驅動系統的功率保持不變，則直接油冷散熱方案可以降低定子軛部的平均溫度，提高電機的功率密度。

圖12 直接油冷式電機機殼及其截面示意圖[54]
Fig.12 Casing of the direct oil cooling motor and its
sectional view[54]

文獻[55-56]以額定功率35 kW的輪轂電機為研究對象，對比分析了噴油式油冷、浸油式油冷、浸油式循環油冷和間接油冷散熱方案的冷卻效率，研究結果表明，當電機轉速為4400 r/min時，噴油式油冷的平均傳熱系數可達5270 W/(m2·K)，有效降低繞組溫升11.6%～25%。DAVIN等[57]實驗研究了冷卻油噴射模式對電機冷卻效率的影響，研究結果表明當冷卻油在繞組頂部滴注時，冷卻油在繞組端部流過時具有較高的流速，對繞組端部的冷卻效果最好。

液冷散熱系統，特別是直接油冷散熱系統具有較高的散熱效率，能夠解決高功率密度電機發熱嚴重的問題，在車用驅動電機散熱領域得到了廣泛應用。液冷散熱系統需要額外的冷卻系統裝置，在一定程度上降低了電機系統的可靠性，增加了系統成本。水冷散熱系統存在銹蝕、堵塞和滲漏等隱患，一旦發生泄漏將直接危及電機的安全，因此需要對水冷散熱系統的循環管路進行高可靠性的密封以確保電機系統運行的安全性與可靠性。相比于水介質，油介質具有絕緣特性好、介電常數高、凝固點低和沸點高等優勢，可以提高電機系統對外界環境的適應性，避免氣蝕、水垢等腐蝕危害。然而油介質的質量熱容和熱導率都遠小于水介質，因此間接油冷散熱系統的效率低于水冷散熱系統，而直接油冷散熱系統的冷卻油與電機發熱部件直接接觸，其散熱效率遠高于水冷散熱系統。

通過以上研究可以發現：高效化是電機散熱系統的長期發展趨勢；通過優化循環水道結構、調整水道截面形狀和增加擾流結構等方式可以在一定程度上提高水冷散熱系統的效率；在電機高發熱部件與機殼之間搭建額外熱路、縮短冷卻介質與電機關鍵發熱部件之間的傳熱路徑是提高水冷散熱系統效率的有效方案與新方向。

2.3 蒸發冷卻散熱系統

蒸發冷卻散熱系統利用低沸點冷卻介質的相變循環實現對電機的高效冷卻。當低沸點、高絕緣系數的冷卻介質與電機內的發熱部件接觸時，冷卻介質吸收大量的熱量并發生氣化，氣態的冷卻介質在冷凝器遇冷轉化為液態，利用冷卻介質的氣液相變循環實現電機的高效散熱。根據冷卻介質沸騰溫度的高低，可以將蒸發冷卻分為低溫制冷式蒸發冷卻和常溫制冷式蒸發冷卻；根據冷卻系統的結構可以將蒸發冷卻分為管內冷卻和浸沒式冷卻；還可以根據冷卻介質的循環系統是否采用驅動泵，將蒸發冷卻分為自循環蒸發冷卻和強迫循環蒸發冷卻兩大類。

張學禮[58]驗證了蒸發冷卻散熱系統的效率顯著高于油冷和水外冷，并研究了冷卻介質液面高度對冷卻效果的影響。蔡靜[59]將全封閉無泵自循環蒸發冷卻系統應用于立式電機，證明了回液管為非滿液位時，冷卻介質的循環動力由回液管內液柱高度產生的靜壓差和循環介質具有的壓頭兩部分組成。劉長紅等[60]建立了自循環蒸發冷卻電機的熱網絡模型，并對比驗證了模型的準確性。國建鴻等[61]對采用強迫循環蒸發冷卻系統的300 MW汽輪發電機的繞組溫升性能進行研究，采用分相模型計算了兩相流動的阻力，提出了通過流量調節控制蒸發點位置、防止兩相流動阻力過大引起氣阻的方法。溫志偉等[62]首次提出了鐵芯浸潤式冷卻與繞組強迫循環冷卻相結合的蒸發冷卻電機散熱方案，分析了負荷變化對電機溫度場的影響。研究結果表明蒸發冷卻方式與強迫循環內冷方式結合可以有效抑制電機溫升，提高了電機長期運行的穩定性。侯哲[63]分析了電流密度、冷卻介質流量和電機轉速對冷卻效果的影響，并指出冷卻介質流動不暢產生的局部缺液現象是導致繞組產生溫差的主要原因。

我國自主研發的蒸發冷卻散熱系統具有冷卻效率高、能耗低和可靠性高等優勢，在兆瓦級汽輪發電機組設備中得到了廣泛應用。目前蒸發冷卻技術仍存在新型冷卻介質選擇、氣液兩相流的流動特性和傳熱計算方面的問題。從保護環境的角度出發，傳統氟利昂類介質不能繼續使用，新型具有良好物理、化學特性和絕緣特性的冷卻介質還有待開發。氣液兩相流的傳熱問題缺乏成熟的理論，還未形成完備的設計計算方法。此外，蒸發冷卻系統的結構復雜，目前還未出現千瓦級電機設備采用蒸發冷卻技術的應用案例。開發環境友好型冷卻介質、完善兩相流傳熱計算理論以及系統結構簡單化、小型化是蒸發冷卻技術的發展方向。

2.4 額外熱路增強型散熱系統

額外熱路增強型散熱系統是在電機原有風冷、液冷散熱系統的基礎上建立額外高效熱路以提高電機散熱效率的增強型電機散熱方案。受電機內部絕緣漆、絕緣紙和空氣等低熱導率材料的限制，電機內部的關鍵發熱部件，特別是端部繞組產生的熱量往往不能快速傳遞至冷卻殼體，造成熱量在電機關鍵部件大量積聚，形成局部高溫區。在電機關鍵發熱部件與冷卻殼體之間構建額外熱路可以將熱量快速傳遞至機殼，解決電機內部高發熱部件的散熱難題。

導熱樹脂[11-12]、導熱膠[13]和導熱陶瓷[14-15]等具有高熱導率和良好絕緣特性的材料是常用的構建電機額外熱路的材料，其物理性能參數如表2所示。此外，還可以在定子槽[16]或定子鐵芯內部[17]設置額外的導熱路徑以提高電機的散熱效率。

表2 常用導熱絕緣填充材料的物理性能參數對比

Tab.2 Comparison of physical properties of potting materials

SUN等[13]提出了采用導熱灌封膠強化散熱的水冷電機散熱系統，在電機端部繞組與機殼之間的縫隙中灌封導熱材料，該導熱灌封膠由液態灌封，加熱固化后保持固體狀態，具有良好的導熱性能和絕緣特性。在電機端部繞組與機殼之間增加高效熱路，可有效降低電機繞組穩定溫度約27.3 ℃。導熱陶瓷材料具有較高的熱導率,但是昂貴的成本限制了導熱陶瓷材料在實際生產中的應用。目前，大多采用導熱樹脂和導熱膠材料提高電機的散熱效率。

GALEA等[16]在水冷電機的定子槽內嵌裝具有高熱導率的熱路并建立了電機熱路模型，如圖13所示，定子槽內的熱路結構可以根據定子槽型進行調整。研究結果表明，在同等工作狀態下，該方案可以有效降低繞組溫度約40%。

圖13 針對不同槽型設計的槽內熱路散熱方案[16]
Fig.13 Cooling schemes of internal thermal circuit
for different slot designs[16]

POLIKARPOVA等[17]在軸向磁通永磁同步電機的定子與機殼之間安裝了導熱銅棒，同時在電機繞組端部與機殼之間灌封了導熱陶瓷材料，如圖14所示，采用有限元仿真與實驗測試相結合的方法驗證了散熱方案的有效性，結果表明該方案可以降低繞組溫升13～17 ℃。

圖14 采用導熱膠和銅棒增強散熱的水冷電機[17]
Fig.14 Potting material and copper bars enhanced
water cooling motor[17]

近年來，相變熱管理技術得到了飛速發展，在大功率LED[64]、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)[65]、筆記本電腦[66]和智能手機[67]等高熱流密度電子器件中得到了廣泛應用。相變熱管理技術主要包括相變儲熱技術和相變傳熱技術兩大類。相變儲熱技術利用相變材料的相變潛熱儲存大量的熱量，可以達到緩解溫度沖擊、抑制溫升的作用，石蠟是常用的相變儲熱材料[68]。相變傳熱技術利用工質的氣液相變循環實現高效傳熱的技術。熱管是常用的相變傳熱器件之一，主要包括殼體、吸液芯和工質三部分，其工作原理如圖15所示。熱管的殼體是密封結構并進行了抽真空處理，吸液芯附著在殼體內壁，工質在蒸發段遇熱氣化并吸收大量的熱量，導致蒸發段氣體壓力上升并驅動工質氣體向冷凝段移動；蒸汽在冷凝段遇冷液化并釋放熱量，冷凝后的液態工質在吸液芯的驅動下回到蒸發段[69]。

圖15 熱管工作原理
Fig.15 Working principle of heat pipe

將相變熱管理技術應用于電機散熱系統，在電機高發熱部件與冷卻殼體之間搭建額外相變熱路，可以有效延長電機穩定運行時長、抑制電機溫升，實現電機高效散熱。

BELLETTRE等[70]提出了采用相變材料抑制繞組端部溫升的散熱優化方案，并采用熱仿真模型和試驗證實了采用低熔點、高相變潛熱的相變材料可以顯著抑制端部繞組的溫升，并以此為依據確定鎵和石蠟(P116)分別是抑制端部繞組溫升的最佳金屬和非金屬相變材料。WANG等[71-73]在電機機殼內部引入石蠟以緩解電機的溫升沖擊，如圖16所示，將電機機殼加工為中空結構并灌注石蠟，并采用前后端蓋進行密封以避免液態石蠟泄漏。有限元仿真及實驗測試證明，當電機工作在連續模式時，機殼內部的石蠟可以有效延長電機的運行時間約32.7%；當電機工作在周期模式時，機殼內部的石蠟可以降低電機的峰值溫度約7.82 ℃。

圖16 風冷電機機殼內部灌注石蠟示意圖及照片[71-73]
Fig.16 Schematic diagram and photo of paraffin
encapsulated in the casing of air cooling motor[71-73]

PUTRA等[74]在風冷電機的機殼上安裝了8支L形熱管，將熱管的蒸發段套在楔形塊內，楔形塊嵌裝在電機相鄰兩個翅片內，熱管的冷凝段安裝了熱沉，并利用電機端部的風扇對熱管進行冷卻，測試結果表明機殼外部安裝的熱管可以有效降低電機表面溫度約33.8 ℃。HASSETT等[75]提出了在電機定子內部嵌裝熱管以強化電機散熱的方案，FEDOSEYEV等[76]提出了在電機轉軸內部嵌裝熱管優化電機轉子散熱的方案,其方案示意圖見圖17。

(a)定子嵌裝熱管散熱方案[75]

(b)轉子嵌裝熱管散熱方案[76]
圖17 定子和轉子嵌裝熱管散熱方案
Fig.17 Heat dissipation scheme of heat pipes
embedded in stator or in rotor

(a)水冷電機模型圖

(b)熱管強化散熱的水冷電機

(c)熱管和導熱膠強化散熱的水冷電機

(d)熱管截面電鏡圖
圖18 基于3D熱管的水冷電機散熱方案[77]
Fig.18 Cooling system of water cooling motor
with 3D heat pipes?[77]

SUN等[77]針對新能源汽車用永磁同步電機繞組發熱量大、散熱環境惡劣和溫升過高的問題，開發了基于3D相變熱管的水冷電機散熱方案。如圖18所示，將3D熱管的蒸發段通過絕緣紙與電機端部繞組綁接在一起，冷凝段嵌裝在水冷機殼中；并提出了采用導熱灌封材料固定相變熱管的優化方案。測試了電機在多個轉速、轉矩和冷卻條件下的溫升性能，結果表明采用3D熱管優化電機端部繞組散熱的方案可以有效降低繞組溫升約10 ℃；采用導熱灌封膠優化的熱管散熱方案可以降低繞組溫升22.9 ℃，延長電機在峰值工況下的穩定運行時長約50.6 s。因風冷電機機殼中部與定子鐵芯直接接觸，而機殼的熱導率和風冷系統的散熱效率相對較低，造成熱量在機殼中部大量聚集，故機殼中部溫度明顯高于兩端溫度。針對該問題，FANG等[78]提出了在機殼內部嵌裝熱管的優化方案，如圖19所示，沿機殼圓周方向均勻嵌裝24支熱管，利用熱管極高的熱導率將機殼中部的熱量快速傳遞至機殼兩端，避免機殼中部溫度過高，提高機殼的均溫性，有效降低電機額定工況下的繞組溫度22.3%，分別延長電機在高速和高轉矩工況下的運行時長28.6%和21.4%。

圖19 風冷電機機殼內部嵌裝熱管強化散熱方案[78]
Fig.19 Air-cooling motor with heat pipes embedded in
the casing to enhance heat dissipation[78]

額外熱路增強型散熱方案，特別是采用相變元件構建額外熱路的散熱方案是目前電機散熱系統高效化發展的新思路。相變傳熱元件具有熱導率極高、價格低廉和無需外部動力等優點，可以將電機發熱部件積聚的熱量快速傳遞至冷卻介質，提高電機散熱效率。目前，關于相變強化電機散熱方案的研究大多是研究其對電機溫升性能的影響，缺乏其對電機磁場分布、效率及可靠性等方面的系統性研究。

系統性研究相變強化散熱方案對電機運行情況的影響，實現其產業化應用對抑制電機溫升、提高電機功率密度具有重要意義。

3 電機散熱系統發展趨勢 ?

風冷、液冷、蒸發冷卻和額外熱路增強型散熱系統具有各自的優勢和應用場景，根據電機的發熱功率、生產成本和安裝空間等要素，選取合適的散熱方案是提高電機功率密度、運行效率、可靠性和極端環境適應能力的關鍵。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展，電機散熱系統也逐漸向高效化、高可靠性和輕量化等方向發展。

風冷散熱系統具有結構簡單、可靠性高和成本低廉的優勢，主要應用于發熱量小、對可靠性要求較高的小功率電機。液冷散熱系統是中到大功率電機最常用的散熱方式，具有較高的散熱效率，然而液冷散熱系統需要附加額外的冷卻液循環系統，增加了電機系統的成本，降低了系統整體的可靠性。蒸發冷卻散熱系統是解決兆瓦級大功率發電機組散熱的有效手段，然而其復雜的系統組成限制了其在千瓦級電機散熱領域的應用。優化蒸發冷卻系統的系統結構、提高其集成化程度是蒸發冷卻散熱系統的主要發展方向。

對于提高風冷和液冷散熱系統的冷卻效率，已有研究人員進行了大量的探索與優化，采用相變材料或器件提高風冷和液冷散熱系統的冷卻效率是電機散熱領域的新思路。利用相變器件極高的熱導率，將電機主要發熱部件的熱量快速傳遞至機殼，避免熱量在電機關鍵部件的積聚，是實現電機高效散熱的有效手段和新方向。目前，針對額外熱路增強型散熱方案的研究大都集中在其對電機溫升的抑制效果，僅對該方案的散熱效果進行了驗證，缺乏從電機設計階段開始的系統性設計與研究。值得注意的是，電機的溫度場與電磁場密切相關，采用額外熱路增強型散熱方案的電機溫升顯著降低，其電磁效率必定有所提高。同時，額外熱路增強型散熱方案出色的降溫效果理論上可以使電機在一定的過載工況下長期穩定運行，提高電機的功率密度[74,77-78]。因此，系統性研究額外熱路增強型散熱方案對電機溫升抑制、磁場分布以及運行效率的影響，驗證并提高其可靠性和集成化程度是其發展的主要方向。

高效化是電機散熱系統的主要發展方向，額外熱路增強型散熱方案是實現電機散熱系統向高效化發展的新方向。立足于電機設計階段，開發高可靠性的額外熱路集成式散熱方案不僅可以提高電機的散熱效率、抑制溫升，還可以提高電機系統的集成化程度，實現電機向高功率密度、高集成化和高可靠性方向發展。

4 結論 ?

高效可靠的散熱系統是抑制電機溫升、提高電機運行效率和功率密度、提高電機運行穩定性和延長電機壽命的重要基礎。風冷、液冷、蒸發冷卻和額外熱路增強型散熱系統在各自的應用領域發揮著重要的作用并取得了顯著的降溫效果，針對電機的應用場景、發熱功率和生產成本等因素選取恰當的散熱系統是實現電機高效散熱的關鍵。目前，電機散熱系統正隨著電機逐漸向高效化、高可靠性和高集成化方向發展。結合當前電機散熱系統的研究現狀和發展趨勢，今后可以針對以下幾個方面開展研究。

(1)研究風冷散熱系統翅片尺寸結構、翅片分布位置和風速等因素與散熱效率之間的關系，建立并完善翅片結構參數與散熱效率、生產成本之間的關系模型。風冷散熱系統在小功率電機散熱領域具有不可替代的地位，提高其散熱效率、降低其生產成本具有重要意義。建立并完善翅片結構參數與散熱效率、生產成本之間的關系模型，進一步推動風冷散熱系統向高散熱效率、低生產成本方向發展。

(2)建立液冷散熱系統流道幾何參數與散熱效率、水道壓降之間的理論模型。流道幾何參數是影響散熱效率和水道壓降的關鍵因素，目前主要通過有限元仿真法研究其對散熱效率和水道壓降的影響，缺乏完善的理論模型。

(3)建立完善的氣液兩相流傳熱模型，提高蒸發冷卻技術在電機系統中的集成化程度。蒸發冷卻技術具有極高的散熱效率，在兆瓦級發電機組散熱系統中得到了廣泛應用，目前關于蒸發冷卻技術氣液兩相流的傳熱理論還有待完善；同時，蒸發冷卻技術的系統組成相對龐大、復雜，應推動蒸發冷卻技術向小型化、集成化方向發展，提高蒸發冷卻系統與電機系統的集成化程度，從而實現蒸發冷卻技術在千瓦級電機散熱系統中的應用。

(4)系統性研究額外熱路，特別是相變器件對電機散熱系統冷卻效率的影響。采用導熱絕緣材料、相變傳熱器件在電機發熱部件與散熱系統之間構建高效熱路是提高電機散熱效率的新方向。在電機設計階段充分考慮額外熱路對電機溫升的抑制效果，調整電機電磁方案以提高電機功率密度，優化電機結構以提高導熱膠、相變器件與電機的集成化程度，提高相變強化散熱系統的可靠性，從而推動相變強化電機散熱系統的產業化應用。

編輯：黃飛

?