电机冷却之液冷

高效化是电机散热系统发展的重要方向，优化电机散热系统结构参数是提高电机冷却效率的常用手段。近年来，通过在电机关键发热部件与冷却壳体之间构建额外热路来提高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。液冷散热系统是在电机机壳内部或电机内部设置密封的循环流道，并采用循环装置驱动冷却介质在流道内循环流动进行换热的电机冷却系统。常用冷却介质的物理特性如表1所示，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小，适合轴向长度较长的电机。此外，也可以在定子铁芯上设计循环水路，对定子进行高效冷却，在铁芯轭部集成冷却水管的散热结构，水介质具有无污染、成本低、质量热容和热导率较高等优势，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。油介质具有良好的绝缘特性，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声，但是油的黏度较大，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，可显著降低电机绕组、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。油冷系统需要严格的过滤系统对油介质进行过滤，以避免油中的杂质对电机内部的绝缘层造成破坏。油冷散热系统的成本昂贵，因此其应用规模不如水冷散热系统广泛。水冷散热系统的流道结构是影响其冷却效率的关键因素，研究人员通过优化流道结构参数提高了水冷散热系统的冷却效率。通过增加流道数量、在冷却流道中添加扰流结构和增加冷却水流量等方式可以有效提高冷却效率，但同时也导致压力损失明显增大。因此，在实际应用中需要综合考虑水道换热能力和压力损失以设计合适的水道结构。根据水道压降、换热能力和水道均温性三项指标对圆周形冷却水道的结构进行了综合性优化，最终确定冷却流道的最优层数为3层，螺旋形流道结构参数对换热能力和压力损失的影响，结果表明增加流道螺旋圈数可以提高散热能力，但会导致压力损失明显增大；增加流道截面尺寸可以减小压力损失，但是对散热能力的影响较小。采用仿真和红外摄像技术水冷电机流道结构方案中筛选了最优模型进行加工，显著地缩短开发时间和降低成本，并进一步采用红外摄像技术验证了电机的温度分布。优化水道数量、水流速度和水道分布结构使电机稳定。逆向双水道冷却结构，通过在电机流道内部设计折流筋，将传统流道的水路分割成两条方向相反的并行水路，有效缩短了冷却液流动的距离，解决了电机冷却液循环过程中温度梯度大的问题。间接油冷散热系统与水冷散热系统类似，都是利用冷却介质在冷却流道内的循环流动带走热量。间接油冷散热系统的汽车牵引电机，冷却油在机壳内部的流道中循环流动散热，该散热系统可以带走热量，当电机短时间工作在过载工况时，可以通过加快冷却油流动速度的方式带走热量，采用转子间接油冷散热方案提高了电机的功率密度，冷却油在电机端盖、机壳和中空轴形成的流道中循环，直接对电机转子进行冷却。与机壳内部冷却方案相比，该方案可以有效降低电机绕组温度。直接油冷散热系统的冷却油与电机内部发热部件直接接触，具有极高的散热效率，是解决高功率密度电机散热难题的有效方案。对比间接油冷和直接油冷的散热效率。间接油冷即冷却油在机壳内部通道中循环流动；直接油冷是通过调整电机机壳结构，使冷却油直接接触定子的冷却方案，如果冷却油驱动系统的功率保持不变，则直接油冷散热方案可以降低定子轭部的平均温度，提高电机的功率密度。液冷散热系统，特别是直接油冷散热系统具有较高的散热效率，能够解决高功率密度电机发热严重的问题，在驱动电机散热领域得到了广泛应用。液冷散热系统需要额外的冷却系统装置，在一定程度上降低了电机系统的可靠性，增加了系统成本。水冷散热系统存在锈蚀、堵塞和渗漏等隐患，一旦发生泄漏将直接危及电机的安全，因此需要对水冷散热系统的循环管路进行高可靠性的密封以确保电机系统运行的安全性与可靠性。相比于水介质，油介质具有绝缘特性好、介电常数高、凝固点低和沸点高等优势，可以提高电机系统对外界环境的适应性，避免气蚀、水垢等腐蚀危害。然而油介质的质量热容和热导率都远小于水介质，因此间接油冷散热系统的效率低于水冷散热系统，而直接油冷散热系统的冷却油与电机发热部件直接接触，其散热效率远高于水冷散热系统。

高效化是电机散热系统的长期发展趋势；通