电机冷却之风冷.docx

1、电机作为多物理场、强耦合的能量转换系统，其能量转换效率并不是百分之百，在将电能转换为机械能的过程中会损失一部分能量，这些损失的能量绝大部分转换为热能引起电机发热。电机内部的损耗主要由绕组线圈的电阻、磁性材料的磁阻和电机各部件间的机械摩擦造成，主要包含绕组铜耗、定转子铁耗和机械损耗三部分。电机绕组、定子和机壳等关键部件的接触面之间存在绝缘漆、绝缘纸和空气等热导率极低的材料，增加了电机各部件间的接触热阻，极大地降低了电机关键部件的散热效率。永磁同步电机内部热路如图1所示，电机内部的关键发热部件与机壳之间的传热路径长、接触热阻大,电机工作过程中产生的热量不能及时传递至外部，引起电机内部温度升高。电机

2、温升过高将严重威胁电机绝缘寿命、运行效率和可靠性。电机内部温升过高不仅会缩短电机内部绝缘材料的寿命，而且会降低电机的运行效率，使得发热量增加，造成电机温度进一步上升，形成恶性循环，严重影响电机寿命和电机运行的安全性风冷散热系统凭借成本低、可靠性高和安装方便等优势在小功率电机散热领域得到了广泛应用，风冷散热系统通常在机壳表面设计翅片以增加换热面积、提高散热效率，具有制造工艺简单、成本低廉和可靠性高等优势，在小功率密度电机散热领域得到了广泛应用。风冷散热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

3、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，但也在一定程度上增加了电机系统的电力消耗和噪声。风冷散热系统的分类依据及分类情况。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，可以将强迫风冷散热系统分为开启式和封闭式系统。开启式强迫风冷散热系统的

4、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，此外，也可以根据风扇的安装位置分为被动式强迫风冷和主动式强迫风冷。被动式强迫风冷是将叶片安装在电机的转子或转轴上，叶片跟随电机转子同步旋转，产生气流以强化电机散热。被动式强迫风冷散热系统的冷却流量与电机转速成正相关关系，在低转速、高负载工况下易出现冷却风量不足的问题。主动式强迫风冷是在电机的外部设置独立的风扇系统对电机进行散热，冷却气流的流量和

5、流速与电机工作状况无关，可以始终保持较高的冷却效率。自然风冷散热系统结构简单、可靠性高，适用于电机发热量较小、电机可靠性要求较高、电机工作环境通风良好的散热场合。机壳表面的散热筋、散热翅片结构可以有效提高自然风冷散热系统的效率。自然风冷散热系统的效率与机壳表面翅片面积、翅片高度和机壳表面的辐射率正相关，这些因素对强迫风冷散热系统的效率也同样具有增强作用。封闭式外通风散热电机由于外部空气直接进入电机内部进行冷却，因此每三年需要拆卸电机进行清理，并且高转速工况下的电机噪声较大。开启式散热系统的散热效率较封闭式散热系统高，但是噪声较大、需要定期清理的不足限制了开启式风冷散热系统电机的进一步发展。封闭

6、式风冷散热系统具有相互独立的内部风道与外部风道，可以有效阻止污染物进入电机内部，逐渐取代开启式散热系统得到了应用与发展。风冷散热系统也可以满足大功率电机的散热需求，但是往往需要采用多个风扇并复合大体积的翅片式散热器。有外部风机的流程特性和效率曲线，确定了外部风扇的最佳运行点，在此基础上探讨了冷却器结构对流体流动的影响，并通过优化冷却器结构提高了冷却效率。对于电机强迫风冷散热系统，该散热系统主要包括一个离心风扇、两个轴端风扇和一个具有冷却管的热交换器，通过调整散热系统的结构参数、设计具有导向叶片的高效热交换器和优化两个轴端风扇距离等方法来提高该风冷散热系统的效率，成功降低电机温升约6 。常见高压

7、电机的强制风冷散热系统，该散热系统同时采用外部通风和内部通风，研究了扇叶偏转角和出口角对风扇系统散热效率的影响，通过优化扇叶倾角提高外部风扇冷却效率约1.16%，增大出口流量0.08 m3/s。空气是风冷散热系统最常用的冷却介质，此外，还可以采用氢气和氦气对电机进行冷却。采用氦气对高温气冷堆电机进行冷却，对高压电机仿真结果表明氦气的初始温度显著影响电机的温升。氦气和氢气的热导率是空气的67倍，因此相同的气体温度和流速情况下，氦气、氢气冷却的散热效率可以达到空气的1.31.5倍。同时，氢气和氦气的密度只有空气的1/141/7，因此采用氢气、氦气代替空气可以显著减小冷却系统的通风损耗和风摩损耗。然

8、而，氢气和氦气高昂的价格、复杂的储存供应系统限制了氢气、氦气冷却系统的大规模应用。此外，氢气冷却系统需要氢气纯度不小于96%和安全可靠的密封防爆系统，这进一步限制了氢气冷却系统的应用。因此，氢气、氦气冷却系统多应用于大功率发电机、高温反应堆等特殊场合。自然风冷散热系统的传热系数只有225 W/(m2K)，而强制风冷散热系统的传热系数可达20300 W/(m2K)。风扇系统虽然在一定程度上增加了系统的噪声和能耗，但是可以显著提高电机的冷却效率，提高磁性材料的利用率。因此，相对于采用自然风冷散热系统的电机，采用强制风冷散热系统的电机往往具有较小的质量和较高的功率密度。内部通风散热系统的冷却气流与电

9、机发热部件直接接触，其冷却效率显著高于外部通风散热系统。同时，封闭式散热系统可以有效避免污染物进入电机内部，降低电机维护成本。封闭式内通风散热系统兼具散热效率高和维护成本低的优势，逐渐取代开启式散热系统而得到了广泛的应用。值得注意的是，采用自然风冷散热系统和封闭式外通风散热系统的电机内部不存在高速流动的冷却气流，电机内部热交换效率极低，因此在电机内部关键发热部件与机壳之间构建高效热路是提高电机散热效率的关键。近年来，逐渐出现了在电机机壳与端部绕组之间灌封导热材料的方案。导热材料的热导率是空气热导率的几十倍至几千倍，可以显著改善端部绕组的散热环境，抑制绕组温升，提高电机散热效率和运行稳定性。风冷散热系统具有结构简单、成本低廉、安装维护方便和可靠性高等优势，然而较低的散热效率决定了风冷散热系统只能应用于功率密度偏低的电机。风冷散热系统的冷却效率主要由翅片结构参数、气体通道分布位置、气体流量、冷却介质和机壳表面热辐射率等因素决定。氢气、氦气取代空气作为风冷散热系统的冷却介质，可以有效提高散热效率、降低通风损耗，然而氢气易燃易爆、氦气价格昂贵的不足限制了其在风冷散热系统中的大规模应用，因此，空气依然是当前风冷散热系统最常用的冷却介质。