王曉光，倪子軒，陳鑫，劉凌云，汪興

（湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 武漢 430068）

永磁電機正向著高功率密度、高過載能力的方向發(fā)展，驅(qū)動系統(tǒng)要求電機具有功率密度高、過載能力強、散熱能力好、使用壽命長等特點.這些發(fā)展趨勢也伴隨著隱患，如電機升溫過快、溫度過高會導(dǎo)致絕緣壽命縮短、永磁體永久性退磁，影響電機運行的穩(wěn)定性和壽命.因此，如何降低電機溫升已成為現(xiàn)代電機技術(shù)發(fā)展急需解決的問題之一［1-3］.

高功率密度電機具有電流密度大、電負(fù)荷高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，導(dǎo)致電機溫升過大.過高的銅耗將導(dǎo)致內(nèi)部溫升過快.但水冷、風(fēng)冷等傳統(tǒng)的電機散熱方式依靠外界流體帶走從電機內(nèi)部傳導(dǎo)到機殼的熱量，無法直接從電機內(nèi)部繞組帶走熱量；由于某些特殊應(yīng)用場合的需要，驅(qū)動電機的安裝體積和散熱環(huán)境都得到了嚴(yán)格的限制，風(fēng)冷或水冷等散熱方式無法實現(xiàn)，電機只能自然冷卻，限制了電機的功率輸出能力.此外，溫升是導(dǎo)致電氣絕緣性能、力學(xué)性能降低重要原因，絕緣材料的耐熱性和導(dǎo)熱性是影響電機可靠性和使用壽命的重要因素［4］.因此，需要研究一種從電機內(nèi)部直接吸收熱量的電機散熱方案［5］.

本文制備了一種高導(dǎo)熱儲熱材料，并將其運用在電機散熱領(lǐng)域.在確保滿足電機的絕緣性能的前提下，該材料主要通過兩種途徑優(yōu)化電機散熱：一是該材料中添加了相變儲熱材料，這是一種能夠儲存熱能的化學(xué)材料，在電機運行過程中溫度不斷升高使它在特定的溫度下發(fā)生物相變化并吸收潛熱［6-7］，以此來控制電機溫度；二是材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣，使電機內(nèi)部的傳熱路徑得到了優(yōu)化，利于熱量傳到端蓋并散失到外界［8］.通過軟件仿真與實驗驗證相結(jié)合，驗證了該材料能夠降低定子與線圈的最高溫度，使電機在同體積下可以有更大的功率輸出，為電機實現(xiàn)提高電機功率或縮小電機體積的目標(biāo)提供了參考價值.

1 高導(dǎo)熱儲熱材料的制備與物性參數(shù)

石蠟作為一種有機相變材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、相變潛熱大、熔點范圍寬、價格低廉、無腐蝕性和無毒性等優(yōu)點，主要物性參數(shù)如表1所示［9］.

表1 石蠟主要性能參數(shù)Tab. 1 Performance parameters of paraffin

高導(dǎo)熱儲熱材料由絕緣漆、儲熱材料石蠟、多孔結(jié)構(gòu)埃洛石、高導(dǎo)熱材料四針狀氧化鋅晶須（T-ZnOw）按照2∶2∶2∶1 的比例構(gòu)成.主要工藝是將埃洛石、TZnOw、石蠟的粉末混合放入無水乙醇中充分?jǐn)嚢瑁⑺〖訜嵋欢〞r間使無水乙醇完全揮發(fā)，并研磨過篩得到粉末.制備流程圖如圖1所示，材料粉末如圖2所示.

圖1 材料制備流程圖Fig. 1 Flow chart of the material preparation

圖2 高導(dǎo)熱儲熱材料粉末Fig. 2 High thermal conductivity heat storage material powder

圖3 為固-固復(fù)合相變材料與純石蠟在90 ℃下的對比照片.由圖3可見：加熱20 min后純石蠟已經(jīng)變?yōu)橐簯B(tài)，而固-固相變材料未發(fā)生形變.說明材料具有良好的定形能力.

圖3 90 ℃下加熱20 min后材料的照片F(xiàn)ig. 3 Photos of materials after heating at 90 ℃ for 20 minutes

最后與H 級1150 烘干型絕緣漆混合得到高導(dǎo)熱儲熱材料.材料中添加埃洛石的目的在于其作為石蠟的基底材料，具有多孔的微觀結(jié)構(gòu)，可吸附石蠟分子，起到固化作用，防止材料由于溫度升高液化泄露的問題.由于埃洛石自身具有較大的比表面積和良好的熱穩(wěn)定性，再加上其具有良好的納米孔徑［10］，使其成為制備高導(dǎo)熱絕緣材料的必要成分之一.

然而石蠟熱導(dǎo)率低、傳熱性能差［11］，在實際應(yīng)用中通常采用添加高熱導(dǎo)率材料作為填充物以提高熱導(dǎo)率.T-ZnOw 作為高導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)25.2 W/（m·K），將其作為填充物有利于在石蠟基體中形成導(dǎo)熱通路從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱率［12］.

2 電機模型與溫度場仿真

2.1 樣機基本參數(shù)

樣機為一臺50 W小型高速永磁電機，工作時具有輸出功率高、電流密度大的工況特點，繞組結(jié)構(gòu)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，極槽配合為10 極12 槽，樣機的參數(shù)見表2所示.

表2 樣機主要參數(shù)Tab. 2 Main parameters of the motor

2.3 電機溫度場分析計算

定子繞組存在復(fù)合相變材料層，與繞組銅線層的導(dǎo)熱系數(shù)、尺寸體積存在差異.為減小計算難度，本文采用分層等效的思想，將電機定子繞組及相變材料部分進(jìn)行分層等效計算.根據(jù)生熱相等、散熱不變的原理［13］，可以按公式（1）計算出等效體的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等基本熱參數(shù).

式中，λ、ρ、c分別為等效體導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容.如此，將相變材料層與繞組層等效為一個整體以便于有限元法的計算.

為便于研究復(fù)合相變材料對定子繞組溫度的影響，本文在實驗中只考慮定子繞組的直流損耗，因此僅有定子繞組銅耗作為單一發(fā)熱源，功率為18 W，其余損耗為0.在有限元仿真模型中，損耗產(chǎn)生的熱量以熱源密度的形式添加到模型中［14］.建立等效復(fù)合相變材料的仿真模型，如圖4所示，相變材料均勻的附著在定子繞組表面.

圖4 模型各部分示意圖Fig. 4 Schematic diagram of each part of the model

得到銅損及鐵損的數(shù)值后，將其作為溫度場熱源，利用有限元法對小型高速永磁同步電機進(jìn)行溫度場分析計算，最后得到電機整體與各個部件的溫度場云圖.初始溫度為21 ℃，內(nèi)部生成熱為損耗值與生熱部件體積的比值，散熱方式為自然對流散熱［15］，穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖如圖5所示.

圖5 1400 s時的溫度場分布Fig. 5 Temperature field distribution at t=1400 s

分析圖5可知：整機溫度有較明顯的溫度分布，最高溫度83.6 ℃位于繞組部分，其次為定子齒部、軛部、機殼，這是由于模型的熱源來自繞組部分，且繞組體積較小導(dǎo)致繞組部分的熱源密度極高；定子齒部與繞組直接接觸，其溫度源于繞組傳導(dǎo)過來的熱量.

3 實驗分析

3.1 定子溫升實驗

為驗證有限元法仿真的正確性，證明復(fù)合相變材料降低溫升的有效性，首先將熱敏電阻（NTC-3950-10 k/5%）預(yù)埋于三組電機的定子繞組端部、繞組中部齒部與繞組中部軛部，并澆筑復(fù)合相變材料，如圖6所示.

圖6 添加CPCM后的電機定子圖Fig. 6 Stator diagram after pouring CPCM

使用FLIR530紅外熱成像儀對實驗過程進(jìn)行視頻拍攝，將A 組（無復(fù)合相變材料）、B 組（添加不含ZnOw的復(fù)合相變材料）和C組（添加ZnOw的復(fù)合相變材料）串聯(lián)通入1.5 A 的直流電流，拍攝其溫升變化，1400 s 時的紅外熱成像如圖7 所示.由三臺電機的紅外熱成像圖中可以直觀地看出：熱成像儀捕捉到溫度的最高點為A 組的繞組端部，B、C 組端部溫度較低，說明復(fù)合相變材料能有效降低電機繞組的溫度.

圖7 采用熱像儀拍攝的實驗溫升視頻Tab. 7 Video of experimental temperature rise taken by thermal imager

根據(jù)在定子繞組中預(yù)埋的熱敏電阻，可以得到電機3個不同部位的溫度如表3所示.

表3 熱敏電阻測得的溫度Tab. 3 The temperature measured by the thermistor

分析上表可知，A 組電機的整體溫度大于B、C組電機，這是由于復(fù)合相變材料的添加降低了繞組溫度；此外每組電機的繞組端部溫度大于繞組中部，中部齒部溫度略大于中部軛部溫度，證明升溫過程中繞組有一定的溫度分布梯度.與仿真的結(jié)果對比可知，實驗結(jié)果與有限元法的計算結(jié)果相近，誤差率為0.56%，屬于合理誤差范圍內(nèi)，這驗證了計算結(jié)果的正確性.將熱敏電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，采用示波器對電壓信號進(jìn)行采樣，經(jīng)過數(shù)據(jù)變換的整理，可以得到圖8 的電機定子繞組溫升曲線.

圖8 定子溫度變化曲線Tab. 8 Curve of stator temperature

3.2 實驗結(jié)果分析

由實驗結(jié)果可知，A、B、C 組的定子繞組溫升分別為72.5、64.7、62.3 ℃，材料的添加能使繞組溫升有效降低了10.2 ℃，最高溫度降低了10.8%.

分析上圖B 組［填充相變材料（無氧化鋅）］和C組［填充相變材料（有氧化鋅）］曲線，二者升溫趨勢近似相同，平均溫差為3.18 ℃，證明在兩組材料中石蠟含量相同的情況下，ZnOw 的添加對電機冷卻效果有所改善，但冷卻效果的改善主要源于相變材料的儲熱特性.

分析對比A、B、C 三組溫升趨勢，當(dāng)B、C 組溫度到達(dá)57 ℃左右開始，B、C 組的溫度變化相較于A 組明顯變緩，這表明材料中的石蠟已經(jīng)完全相變；當(dāng)B、C 組溫度到達(dá)61 ℃左右時，溫升速度繼續(xù)加快，此時B、C 組與A 組的溫差在繞組升溫過程達(dá)最大，且材料達(dá)到熱飽和，無法繼續(xù)吸收潛熱.因此，B、C組溫升回歸相變前的趨勢.

由此可知：首先，復(fù)合相變材料的添加，可以有效降低電機繞組的溫升，即降低繞組的最高溫度；當(dāng)電機在過載工況下運行時，復(fù)合相變材料可有效降低由于大電流導(dǎo)致的定子繞組過快的溫升；其次，復(fù)合相變材料只在材料發(fā)生相變過程中對電機的溫升有限制作用，當(dāng)相變材料達(dá)到熱飽和時，溫升繼續(xù)增加，所以，復(fù)合相變材料的相變溫度需要設(shè)計在電機運行溫度最高點附近，從而有效限制電機在特殊工況下的最高溫度.

4 電機溫升實驗與材料可持續(xù)性分析

4.1 電機整機實驗

為探究添加復(fù)合相變材料之后對電機輸出能力的影響，本文對兩臺電機進(jìn)行功率對比實驗.改變電機的輸入功率，同時確保添加材料前后的電機轉(zhuǎn)速一致、同一時間內(nèi)的溫升相同.實驗平臺由樣機、控制器、機座、負(fù)載箱、電源、測功機構(gòu)成，如圖9所示.

圖9 實驗平臺Tab. 9 Experiment platform

根據(jù)測得的溫升數(shù)據(jù)，將未加復(fù)合相變材料的對照組與添加復(fù)合相變材料之后的實驗組進(jìn)行對比.在基本相同的時間內(nèi)，調(diào)節(jié)電機輸出功率使得實驗組與對照組中電機轉(zhuǎn)速、初始溫度、終止溫度基本一致，得到在相同溫升條件下，良好的散熱條件對電機輸出功率的影響.由表4可見，電機功率提高了4.9 W，輸出功率提高了9.8%.實驗表明復(fù)合相變材料的添加可有效提高電機的功率及功率密度.

表4 添加材料前后兩組實驗結(jié)果對比Tab.4 Comparison of the experimental results of the two groupsbefore and after adding materials

4.2 材料可持續(xù)性分析

為證明材料具備良好的可持續(xù)性，對幾次實驗后材料的灌封情況、熱失重、絕緣情況進(jìn)行考察.

實驗結(jié)束后，取下電機，拆除端蓋與轉(zhuǎn)子，對比觀察剛完成澆筑時與5 次實驗后材料的灌封情況，如圖10 所示.由圖10 可知：由于埃洛石封裝作用，復(fù)合相變材料表現(xiàn)出良好的保形效果，5 次實驗后，材料灌封情況并無明顯變化，未出現(xiàn)材料泄露溢出的情況.

圖10 實驗前后的材料灌封情況Fig. 10 Encapsulation of materials before and after the experiment

對5 次實驗后添加材料的電機進(jìn)行絕緣性測試，采用匝間沖壓測試儀（YG201A-5K 型）測試匝間絕緣，在沖擊電壓1000 V 的情況下（電機額定電壓36 V），波形如圖11 所示，波形重合且無顯著差異，匝間絕緣無故障，由此可說明材料的添加滿足電機的絕緣條件.

圖11 衰減振蕩波形圖Fig. 11 Attenuated oscillation waveform

將電機定子繞組通入3 A 電流，進(jìn)行10 次溫升實驗，間隔采樣取其中5 次的溫升曲線進(jìn)行對比分析，根據(jù)圖12 所示的溫升曲線可見：多次實驗之后定子的溫升曲線基本重合，由此可以間接表明該復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性和相變吸熱能力未發(fā)生變化.

圖12 多次實驗的溫升曲線Fig. 12 Temperature rise curve after multiple experiments

5 結(jié)論

本文將高導(dǎo)熱儲熱材料填充在定子繞組與電機外殼之間的間隙中，在保證材料的絕緣性的前提下，利用材料高導(dǎo)熱、儲熱特性優(yōu)化電機內(nèi)部散熱，實現(xiàn)了電機溫升的降低.該材料的應(yīng)用為電機熱管理提供了一種有效可行的優(yōu)化方案.

（1）利用等效的思想對添加相變材料的電機模型進(jìn)行了瞬態(tài)溫度場仿真，通過溫升實驗，驗證了有限元法在該電機溫度場分析中的有效性.

（2）添加高導(dǎo)熱儲熱材料能夠有效降低電機溫升.通過電機溫升實驗的驗證，材料的添加可使電機在溫度到達(dá)穩(wěn)態(tài)時下降約10.2 ℃，最后通過計算的正確性，材料的添加有效地降低了電機內(nèi)部繞組的溫升.

（3）由于復(fù)合相變材料良好的散熱效果，在幾乎相同的時間、溫升的情況下，電機的功率提高了9.8%，即復(fù)合相變材料的添加提高了電機的功率密度.