新型強迫風冷散熱結構在高功率密度外轉子表貼式PMSM上應用分析

于占洋 胡旭陽 李 巖 井永騰 王 瑾

新型強迫風冷散熱結構在高功率密度外轉子表貼式PMSM上應用分析

于占洋1胡旭陽2李 巖2井永騰2王 瑾2

（1. 沈陽工業大學電氣工程學院 沈陽 110870 2. 國家稀土永磁電機工程技術研究中心（沈陽工業大學） 沈陽 110870）

全電動飛機用高功率密度外轉子永磁同步電機的損耗主要集中在定子鐵心和繞組上，導致傳統的強迫風冷方式難以將熱量通過機殼、端蓋傳遞到外界。為此，首先，該文提出一種基于熱管技術的高性能冷卻系統，此冷卻系統充分利用熱管高導熱性能，將熱管一端插入定子鐵心軛部，另一端連接相應的冷卻結構進行散熱，并綜合對比分析了三種不同散熱器結構的散熱能力。在此基礎上，搭建實驗測試平臺，對所提出冷卻系統的散熱能力和平均散熱系數進行實驗測試。其次，為了提高電機的功率密度，采用單齒鐵心繞線工藝，降低了繞組銅耗和質量，并對單齒繞線方式下直流銅耗進行解析建模。最后，設計、制作一臺22極24槽全電的飛機用外轉子表貼式永磁同步電機（SPMSM），測試樣機在不同飛行工況下的溫升分布情況，驗證了所提出冷卻系統的有效性。

熱管 高功率密度 強迫風冷 外轉子表貼式永磁同步電機

0 引言

中國制造2025十大重點領域的實施，為全電飛機發展提供了廣闊的平臺[1-4]。驅動電機作為全電飛機關鍵技術之一，對驅動電機及其冷卻系統的質量、散熱能力等均有較高的要求，電機的熱問題更加突出。因此，如何根據電機工作情況合理地設計冷卻系統，對解決電機過熱問題具有重要意義。

對于全電飛機用驅動電機而言，受工作場合的限制，采用水冷、油冷等優良冷卻方式[5-9]進行散熱并不適合全電飛機運行工況。因此，通風冷卻方式成為了首選，要充分利用飛機飛行時與空氣的高速對流，帶走電機產生的熱量。文獻[10]對一臺80 kW永磁電機采用空心軸冷卻方式進行分析，冷卻氣體通過空心軸冷卻電機，根據計算流體動力學（Com- putational Fluid Dynamics, CFD）模擬和實驗測試結果，軸孔的對流熱傳遞提高大約3.8倍。文獻[11]在高速電機轉子上引入風刺和通風孔等風壓元件，提高轉子的散熱能力，降低永磁體溫升。文獻[12]采用了一種新型的冷卻裝置，在每個電樞繞組安裝鋁制散熱片，以改善散熱效果，散熱片與線圈的直接接觸，提高了驅動電機的短時過載能力。文獻[13]針對軸向磁通永磁電機散熱性能進行了改進分析，提出了一種新型散熱結構，風扇葉片連接在電機轉子上，可以對永磁體進行更好的散熱，降低了永磁體退磁的風險。文獻[14]采用徑向通風道對定子鐵心進行冷卻散熱，并對通風道的個數和尺寸進行優化設計，該散熱結果能夠有效抑制繞組溫度，但是該冷卻結構造成電機軸向尺寸加大，不利于電機功率密度的提高。文獻[15-19]基于熱傳導技術，改善定子繞組到定子機殼的流通路徑，進而提高定子繞組散熱能力。文獻[15]在定子槽中插入T型鋁制導熱元件將熱量傳遞到機殼進行散熱，縮短繞組熱量傳遞路徑，可以有效地降低繞組溫升。文獻[16]將導熱元件貫穿定子槽中繞組和繞組端部，改善繞組傳熱路徑，提高電機的電流密度。文獻[17]為了提高軸向磁通永磁電機散熱能力，將銅棒一端插入定子鐵心，并在繞組端部灌封導熱膠，另一端放置在電機外部空間中，結果顯示，繞組最大溫升降低約20℃，但是銅棒的散熱端并未設計相應的散熱器進行輔助散熱。文獻[18]將帶有內外散熱筋的定子機殼結構引入軸向磁通永磁電機的冷卻中，其中內部散熱筋與定子繞組接觸，便于向機殼傳遞熱量。文獻[19]在繞組端部安裝環形的冷卻水道，繞組溫升可以降低25%以上。

在前文的研究基礎上，提出一種基于熱管技術的高性能冷卻系統，用于解決全電飛機用驅動電機溫升過高、質量受限等問題。首先，搭建實驗測試系統，對提出的冷卻系統散熱能力進行了測試。其次，基于三維瞬態溫度場仿真分析，綜合對比分析了三種不同散熱器結構的散熱能力。最后，設計、制作一臺全電飛機用高功率密度外轉子表貼式永磁同步電機（Surface-mounted Permanent Magnet Syn- chronous Motor, SPMSM），并完成樣機不同工況下的溫升實驗，驗證相關設計技術的正確性，對解決驅動電機過熱問題具有重要意義。

1 全電飛機用驅動電機結構和參數

以某型號雙座全電飛機用驅動電機為研究對象，由于外轉子永磁電機的電樞直徑大，有利于提高功率密度和轉矩密度，更適合于全電飛機直驅推進系統。但高功率密度外轉子永磁電機損耗主要分布在定子鐵心和繞組上，產生的熱量很難通過機殼、端蓋傳遞到外界。因此，為了提高定子鐵心和繞組的散熱能力，提出了一種基于熱管技術的高性能冷卻系統，將熱管一端插入定子鐵心軛部，另一端連接相應的冷卻結構進行散熱，電機整體結構示意圖如圖1所示。電機主要設計參數見表1。

圖1 外轉子SPMSM結構示意圖

表1 電機設計參數

2 基本損耗分析

2.1 全電飛機飛行工況分析

為了準確計算電機損耗，首先需要明確其運行工況。全電飛機飛行過程包括四個部分：滑跑、爬升、巡航和降落。由于全電飛機在滑跑和降落階段能量消耗較小，為了便于分析，忽略飛機滑跑和降落兩個階段，僅對爬升和巡航兩個階段進行分析。其中，爬升階段電機輸出轉矩最大，但運行時間短，僅為90 s，為了提高全電飛機運行的可靠性和容錯能力，本文按照120 s進行溫升考核，巡航階段運行時間60 min，全電飛機用驅動電機運行工況見表2。

表2 全電飛機用驅動電機運行工況

2.2 定子鐵心3損耗

首先，為了降低定子鐵心損耗，將B35A230自粘接硅鋼片作為鐵心鐵磁材料，制成鐵心能夠降低加工方式對材料損耗性能惡化。同時，為了提高損耗計算的準確性，采用環形樣件法對該材料的磁性能進行了實驗測試，實驗測試平臺如圖2所示。圖3給出了工作頻率為50、100、150、200、275、300、350、400及422 Hz下的比損耗變化曲線。

根據環形鐵心損耗的實驗測試結果，采用一種能夠綜合考慮加工因素、交變與旋轉兩種磁化方式和諧波磁場的鐵耗計算模型，其數學計算公式[20]為

圖2 環形樣件法測試裝置示意圖

圖3 不同頻率下B35A230鐵磁材料比損耗曲線

2.3 繞組銅損耗

為了減少繞組端部長度，降低銅損耗，采用單齒鐵心繞線方式，圖4a給出了無繞組的單齒鐵心示意圖，包括鐵心和絕緣線架；圖4b給出了繞線后的單齒鐵心。縮減繞組端部長度，降低銅損耗值，有利于縮短電機軸向長度，提高電機功率密度和效率。

單齒繞線方式下繞組端部長度受到單齒鐵心外側絕緣線架的尺寸影響，為了準確計算繞組線圈平均長度及其直流電阻值，圖5給出單齒鐵心和絕緣線架之間的橫截面示意圖。

圖4 單齒鐵心示意圖

圖5 繞組線圈平均長度

△中，等腰三角形外接圓半徑d為

式中，d為繞組端部折彎半徑（m）；線段||、||、||（m）如圖5所示，有

式中，t為定子鐵心齒寬（m）；1為絕緣線架厚度（m）；2為等效繞組線圈中心線與絕緣線架間距離（m）；3為絕緣線架端部高度（m）；3為繞組線圈布線層數；線段||（m）如圖5所示；1為第一股導線線徑（m）；2為第二股導線線徑（m）。

因此，可以計算得到繞組線圈平均半匝長度av為

式中，L為定子鐵心軸向長度（m）。

最終得到繞組線圈平均半匝長為71.5 mm，其中，槽中繞組長為50 mm。同比人工繞線工藝，繞組線圈平均半匝長度約節省15%～25%，繞組線圈減重0.41～0.67 kg，進一步提高了電機的功率密度。同時，解析計算得到的直流電阻為0.062 3W，室溫下測試得到相電阻為0.065W，二者計算誤差僅為4.2%，驗證了所提出的直流電阻解析計算模型的有效性。

2.4 永磁體渦流損耗

電機氣隙磁場中存在著大量的時間和空間的諧波，這些諧波主要來源于非正弦分布的定子磁動勢、非均勻的氣隙磁導和非正弦的定子相電流。這些諧波分量與轉子相對轉動，在轉子的永磁體上產生感應電動勢，感應電動勢在閉合回路中會感應出渦流，渦流流過具有電導率的永磁體則會產生渦流損 耗[21]。為了降低永磁體渦流損耗，磁極軸向分為5段，如圖6a所示，圖6b給出了永磁體的渦流密度分布云圖。

圖6 永磁體軸向分段

最后，通過有限元仿真分析得到連續功率和峰值功率工況下損耗分布情況見表3。

表3 驅動電機損耗分布

3 全電飛機用驅動電機冷卻系統設計

3.1 基于熱管技術的高效冷卻結構設計

熱管具有非常高的導熱系數，通過在全封閉真空管內的汽、液相變來傳遞熱量，其導熱能力高達純銅導熱能力的上百倍。但僅僅依靠熱管自身進行散熱，無法達到理想的散熱效果，需要在熱管的散熱端合理設計冷卻結構，增大散熱面積。因此，提出了一種太陽花式鋁制冷卻散熱結構，將熱管的吸熱端插入定子鐵心軛部，熱管的另一端連接有太陽花式散熱裝置，散熱面積增加10倍以上，冷卻效果更佳，圖7給出了熱管與太陽花式散熱器的裝配示意圖。

圖7 熱管與太陽花式散熱器示意圖

3.2 散熱系數確定

電機工作旋轉時，轉子機殼旋轉運動帶動周圍空氣流動。轉子外殼表面空氣漩繞，在利用公式計算時，應按照圓周速度的75%進行計算。由旋轉體表面散熱系數的計算準則，計算轉子機殼外表面的對流傳熱系數[21]為

式中，r為大氣壓下空氣的運動速度（m/s）。

由于散熱器表面風速不均勻，因此通過實驗測試散熱器的平均散熱系數。實驗測試具體流程如下：保溫箱A和B中分別裝有等質量的熱水，保溫箱A無散熱器冷卻散熱；保溫箱B上端蓋均勻開設多個圓孔，并將熱管通過開設的圓孔浸入在熱水中，熱管另一端連接有太陽花散熱器。同時為了準確監測箱體溫度變化情況，插入3個電子溫度計來實時測試保溫箱中熱水的溫度，實驗測試裝置如圖8所示，包括Fluke溫度成像儀、熱敏風速測試儀、電子溫度計等儀器。為了模擬熱管散熱裝置在電機中的工作狀況，測試過程中設計如下環節：

（1）測試熱水的溫度變化范圍為60～90℃，同永磁電機定子鐵心的工作溫度相吻合。

（2）熱管浸入熱水一端的深度等同于熱管插入定子鐵心軛部的尺寸。

圖8 實驗測試裝置

（3）保溫箱A為密閉絕熱箱體，可以考慮箱體中熱水在無散熱器的情況下熱量的自然損失，用于準確地分析所提出冷卻裝置的散熱性能。

熱量是指在熱力系統與外界之間依靠溫差傳遞的能量，有

4 全電飛機用驅動電機熱計算

4.1 數學模型

根據傳熱性和能量守恒定律，電機溫度場仿真計算中，只考慮熱傳遞和熱對流的影響，而不考慮熱輻射的影響，在直角坐標系下的求解域內三維瞬態熱傳導及其邊界條件[11-12]為

表4給出了電機主要部件的物理參數，包括導熱系數、比熱容和密度。

表4 電機各部分材料的熱物性參數

4.2 不同工況下的溫升計算

建立外轉子永磁電機及其冷卻裝置的三維瞬態溫度場有限元仿真求解模型，如圖9所示。圖10給出了太陽花散熱器冷卻方式下，連續功率運行60 min，繞組、定子鐵心以及永磁體的溫升變化曲線，其中初始環境溫度設置為22℃。從仿真計算結果可知：無散熱器冷卻時，繞組溫升達到144.5 K，溫升沒有穩定；當太陽花散熱器冷卻散熱時，溫升僅為81.2 K，且溫升趨于穩定，繞組溫升降低63.3 K，驗證了所提出基于熱管技術的冷卻系統的優越性。圖11給出了完整飛行工況下的溫升變化曲線，無散熱器冷卻時繞組、定子鐵心以及永磁體的最大溫升分別為154.5、151.6和141.2 K。而采用所提出散熱器進行冷卻后，繞組最大溫升僅為89.8 K，保證飛機安全可靠運行。

圖9 三維溫度場等效模型

圖10 連續功率運行下溫升曲線

圖11 完整工況運行下溫升曲線

4.3 不同散熱結構設計

進一步地，對熱管散熱端散熱器進行設計，如圖12所示為輔助機殼散熱器和插片散熱器。其中，輔助機殼散熱器的內部和外部空間合理地設計多根散熱筋，散熱面積增加，并通過24根熱管與定子鐵心軛部相連接。插片散熱器由沿軸向均勻分布的多個圓環形鋁制散熱薄片組成，并通過24根熱管與定子鐵心軛部相連接。

圖12 兩種散熱器示意圖

表5給出三種冷卻結構的散熱面積和總質量，其中轉子機殼散熱面積僅為0.063 6 m2。太陽花散熱器散熱面積不是最大，但熱管僅為12根，其質量最輕；輔助機殼散熱器散熱面積小，雖然散熱性能優越，但是同其他兩種冷卻結果相比，處于劣勢；插片散熱器面積最大，同時質量高于太陽花散熱器。

表5 三種散熱器的參數對比

圖13給出了三種冷卻結構下繞組、定子鐵心及永磁體最大溫升對比。插片散熱器冷卻效果優于其他兩種散熱結構，主要原因在于插片散熱器散熱面積大且由24根熱管與定子軛部相連接，冷卻效果更佳；輔助機殼散熱器雖然散熱面積小，但是由于熱管數量多，可以達到和太陽花散熱器幾乎相同的散熱效果。綜合考慮散熱器的冷卻效果、總質量及安裝工藝難易等，最終選擇太陽花散熱器。

圖13 三種冷卻方式下溫升

5 樣機溫升實驗測試

搭建溫升實驗系統，在樣機繞組端部埋置3個PT100溫度傳感器。對樣機在三種冷卻方式下的溫升情況進行實驗測試，冷卻方式如圖14所示。冷卻方式①：熱管外側不連接太陽花散熱器，僅靠熱管進行散熱；冷卻方式②：熱管外側連接太陽花散熱器，屬于自然冷卻；冷卻方式③：熱管外側連接太陽花散熱器，通過風扇對散熱器進行強迫通風冷卻，保證風扇與散熱器的距離與3.2節中模擬實驗測試相同。

圖14 不同冷卻方式下的電機溫升實驗測試

圖15給出了樣機在連續功率工況運行時，三種不同冷卻方式下繞組端部溫升變化曲線。結果顯示，前15 min繞組端部溫升變化曲線接近，20 min后溫升曲線出現明顯的差別。采用冷卻方式①進行散熱，當電機工作至40 min時，繞組端部最大溫升達到97.7 K，此時繞組端部溫升值仍以平均1.3 K/min速度增長，擬合得到60 min溫升達到121.1 K；采用冷卻方式②進行散熱，當電機運行至52 min時，繞組端部最大溫升值達到100.6 K，此時繞組端部溫升值仍以平均1.0 K/min的速度增長，擬合得到60 min溫升達到107.3 K；采用冷卻方式③進行散熱，當電機運行至60 min時，繞組端部最大溫升值僅為86.1 K，此時繞組端部溫升值的增長速度僅為0.15 K/min。

圖15 連續功率運行下實驗測試繞組溫升曲線

本文對樣機峰值功率運行下溫升情況進行了實驗測試，電機運行工作時間為120 s，輸出功率為36.5 kW。對樣機在冷卻方式①和冷卻方式③兩種方式運行下的溫度進行測試。圖16為樣機繞組端部溫升隨時間的變化曲線，繞組端部溫升呈線性增加，電機運行120 s，繞組端部最大溫升值分別為45.8 K和43.7 K，溫差僅為2.1 K。主要原因是樣機峰值功率運行時間較短，繞組產生的熱量使自身溫升迅速上升，僅有少部分熱量通過熱管傳遞到散熱器表面進行散熱；峰值功率運行下，繞組端部的溫升速度約為0.35～0.4 K/s。圖17為連續功率和峰值功率運行下，轉子鐵心和永磁體端部熱成像圖，永磁體最大溫升約為75 K和30 K。

圖16 峰值功率運行下實驗測試繞組溫升曲線

圖17 轉子鐵心和永磁體熱成像圖

對樣機完整飛行工況下溫升分布進行實驗測試。測試過程包括：峰值功率運行2 min，隨后迅速降載到連續功率運行60 min，圖18給出了樣機在完整飛行工況下，有限元仿真和實驗測試的繞組溫升變化曲線。從實驗測試結果可以看出：樣機工作運行62 min后，繞組最大溫升達到100.8 K，繞組端部溫升雖然沒有穩定，但是其增長速度緩慢，僅為0.2 K/min，同有限元仿真計算結果相近。但是受到控制器極限輸出功率限制，只對峰值功率36.5 kW進行了溫升測試，樣機最大輸出功率60 kW尚未進行實驗測試。

圖18 完整運行工況下的實驗測試溫升曲線

圖19給出了最大功率60 kW、連續功率運行9.6 kW完整飛行工況下繞組、定子鐵心及永磁體的有限元仿真計算結果，繞組最大溫升為107.6 K，由于樣機所采用的漆包線絕緣等級為H級，且最大溫升運行時間短，電機仍可安全運行。

圖19 沖擊過載下的溫升曲線

6 結論

針對高功率密度、高轉矩密度外轉子SPMSM散熱困難、繞組溫升過高的問題，提出了一種基于熱管技術的高性能冷卻系統。并設計、制作一臺高功率密度全電飛機用外轉子SPMSM，完成樣機不同工況下的溫升實驗測試，得到以下結論：

1）搭建實驗測試系統，對所提出的冷卻系統散熱能力進行了測試。結果顯示：散熱器在自然冷卻及1.0～1.8 m/s風速作用下，散熱器表面的平均散熱系數分別為10.3和19.6 W/(m2·K)。解決了散熱器表面風速不均勻、導致散熱系數難以通過理論計算的難題。

2）為了降低繞組銅耗和質量，樣機采用單齒鐵心繞線方式，并對單齒繞線方式下直流銅耗進行解析建模。繞組線圈平均半匝長度約節省15%～25%，繞組線圈減重0.41～0.67 kg，進一步提高了電機的功率密度。

3）驅動電機短時沖擊過載轉矩249 N·m、輸出功率60 kW運行2 min，且連續功率9.6 kW運行60 min下，繞組最大溫升為107.6 K，可以保證電機安全可靠運行。驗證了熱管技術在高功率密度驅動電機冷卻設計上的優勢。

4）可以得到：按照樣機的有效材料質量考核，且最大功率運行2 min前提下，所設計全電飛機用驅動電機功率密度大于等于4.24 kW/kg，轉矩密度大于等于17.60 N·m/kg。

[1] 宋清超, 陳家偉, 蔡坤城, 等. 多電飛機用燃料電池-蓄電池-超級電容混合供電系統的高可靠動態功率分配技術[J]. 電工技術學報, 2022, 37(2): 445- 458.

Song Qingchao, Chen Jiawei, Cai Kuncheng, et al. Highly reliable dynamic power distribution tech- nology of fuel cell-battery-supercapacitor hybrid power supply system for multi-electric aircraft[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(2): 445-458.

[2] 楊鳳田, 范振偉, 項松, 等. 中國電動飛機技術創新與實踐[J]. 航空學報, 2021, 42(3): 624619.

Yang Fengtian, Fan Zhenwei, Xiang Song, et al. Technical innovation and practice of electric aircraft in China[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2021, 42(3): 624619.

[3] Zhao Tianxu, Wu Shaopeng, Cui Shumei. Multiphase PMSM with asymmetric windings for more electric aircraft[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2020, 6(4): 1592-1602.

[4] Madonna V, Giangrande P, Zhao Weiduo, et al. Electrical machines for the more electric aircraft: partial discharges investigation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(2): 1389-1398.

[5] 孫明燦, 唐任遠, 韓雪巖, 等. 高頻非晶合金軸向磁通永磁電機不同冷卻方案溫度場分析[J]. 電機與控制學報, 2018, 22(2): 1-8, 23.

Sun Mingcan, Tang Renyuan, Han Xueyan, et al. Temperature field analysis of high frequency amorphous alloy axial flux permanent magnet motor with different cooling schemes[J]. Electric Machines and Control, 2018, 22(2): 1-8, 23.

[6] 吳柏禧, 萬珍平, 張昆, 等. 考慮溫度場和流場的永磁同步電機折返型冷卻水道設計[J]. 電工技術學報, 2019, 34(11): 2306-2314.

Wu Boxi, Wan Zhenping, Zhang Kun, et al. Design of reentrant cooling channel in permanent magnet synchronous motor considering temperature field and flow field[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(11): 2306-2314.

[7] Fan Xinggang, Li Dawei, Qu Ronghai, et al. Water cold plates for efficient cooling: verified on a permanent-magnet machine with concentrated winding[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020, 67(7): 5325-5336.

[8] Liu Chuan, Xu Zeyuan, Gerada D, et al. Experimental investigation on oil spray cooling with hairpin windings[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2020, 67(9): 7343-7353.

[9] 張琦, 李增亮, 劉延鑫, 等. 充油式水下異步電機冷卻系統多場耦合分析方法[J]. 中國電機工程學報, 2021, 41(8): 2867-2877.

Zhang Qi, Li Zengliang, Liu Yanxin, et al. Multi-field coupling analysis method of oil-filled underwater induction motor cooling system[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(8): 2867-2877.

[10] Gai Yaohui, Kimiabeigi M, Chong Y C, et al. On the measurement and modeling of the heat transfer coefficient of a hollow-shaft rotary cooling system for a traction motor[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(6): 5978-5987.

[11] 佟文明, 孫靜陽, 吳勝男. 全封閉高速永磁電機轉子結構對轉子散熱的影響[J]. 電工技術學報, 2017, 32(22): 91-100.

Tong Wenming, Sun Jingyang, Wu Shengnan. Effect of rotor structure on rotor dissipation for totally- enclosed high-speed permanent magnet motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(22): 91-100.

[12] Winterborne D, Stannard N, Sj?berg L, et al. An air-cooled YASA motor for in-wheel electric vehicle applications[C]//2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), San Diego, CA, USA, 2019: 976-981.

[13] Fawzal A S, Cirstea R M, Gyftakis K N, et al. Fan performance analysis for rotor cooling of axial flux permanent magnet machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(4): 3295-3304.

[14] Fan Xinggang, Qu Ronghai, Zhang Bin, et al. Venti- lation and thermal improvement of radial forced air-cooled FSCW permanent magnet synchronous wind generator[C]//2015 18th International Confer- ence on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Pattaya, Thailand, 2016: 1241-1245.

[15] Galea M, Gerada C, Raminosoa T, et al. A thermal improvement technique for the phase windings of electrical machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2012, 48(1): 79-87.

[16] Vansompel H, Sergeant P. Extended end-winding cooling insert for high power density electric machines with concentrated windings[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2020, 35(2): 948-955.

[17] Polikarpova M, Ponomarev P, Lindh P, et al. Hybrid cooling method of axial-flux permanent-magnet machines for vehicle applications[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2015, 62(12): 7382- 7390.

[18] Vansompel H, Leijnen P, Sergeant P. Multiphysics analysis of a stator construction method in yokeless and segmented armature axial flux PM machines[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2019, 34(1): 139-146.

[19] Madonna V, Walker A, Giangrande P, et al. Improved thermal management and analysis for stator end- windings of electrical machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(7): 5057-5069.

[20] 趙志剛, 徐曼, 胡鑫劍. 基于改進損耗分離模型的鐵磁材料損耗特性研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(13): 2782-2790.

Zhao Zhigang, Xu Man, Hu Xinjian. Research on magnetic losses characteristics of ferromagnetic materials based on improvement loss separation model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(13): 2782-2790.

[21] 王曉遠, 高鵬. 等效熱網絡法和有限元法在輪轂電機溫度場計算中的應用[J]. 電工技術學報, 2016, 31(16): 26-33.

Wang Xiaoyuan, Gao Peng. Application of equivalent thermal network method and finite element method in temperature calculation of in-wheel motor[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(16): 26-33.

Application Analysis of Novel Forced Air-Cooled in Outer Rotor Surface-mounted PMSM with High Power Density

12222

（1. School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2. National Engineering Research Center for REPM Electrical Machines Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China）

Implementing ten key areas of Made in China 2025 has provided a broad platform has been provided to develop all-electric aircraft (AEA). At present, some countries and research institutions have developed AEA. However, only a few successful AEAs are published at home and abroad, and studies about driving motors for AEA are rarely published. Therefore, the research on driving motors with high power density and torque density is important for developing AEA. For this topic, an outer rotor surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) for two-seat AEA is taken as the research object, and its loss distribution, cooling system design, and temperature rise characteristics are discussed.

A driving motor for AEA requires high power density and high torque density, resulting in an extreme state of magnetic load and electrical load. Therefore, it is important to analyze the accurate calculation of loss and the technology of loss suppression. Firstly, to reduce core loss, B35A230 self-bonded silicon steel sheet is used as stator and rotor core, the magnetic property of B35A230 is tested by the method of Epstein frame and ring specimen, and the ratio-loss curves at different frequencies and different flux densities are measured. According to the experimental results of the ring specimen method, a loss model is adopted to improve accuracy. The processing factor is considered, and magnetization modes and harmonic magnetic field are alternated and rotated. Secondly, the influences of slot opening width and axial segment of PM on eddy current loss are analyzed to reduce loss. Finally, to shorten the length of the winding end and reduce copper loss and weight, the processing method of a single-tooth core is adopted to manufacture the prototype, and the analytical model of DC copper loss is built.

The loss of outer rotor SPMSM for AEA with high power density is mainly distributed on stator core and winding coils. Thus, traditional forced air-cooled cannot effectively transfer heat to the outside world through the casing and end cover. Due to the limitations of the working place, AEA has higher weight and heat dissipation requirements for the driving motor and its cooling system. The thermal problem of the driving motor is prominent, but water cooling and oil cooling will increase aircraft weight. In addition, because the loss of outer rotor SPMSM is mainly concentrated on the stator core and winding coils, the traditional forced air-cooling method cannot effectively transfer heat outside through the motor housing and end cover. Therefore, a high-performance cooling system based on heat pipe technology is used to solve the problems of excessive temperature rise and weight limitation. One end of the heat pipe is inserted into the stator core yoke, and the other is connected to the cooling structure. Three kinds of cooling structures are designed. Compared with the weight and heat dissipation of three cooling structures, the sunflower radiator was selected finally. On this basis, an experimental test system is built to test the cooling capacity of the proposed cooling system, and the cooling power and average convection coefficient of the radiator are obtained under different cooling conditions. Secondly, the distribution of temperature field under different working conditions, including continuous power, peak power, complete operating, and shock overload, is analyzed. Finally, a 22-pole, 24-slot SPMSM for AEA is designed and manufactured. The temperature rise distribution under different flight conditions is tested, which verified the effectiveness of the forced air-cooled system proposed in this paper.

Heat pipe, high power density, forced air-cooled, surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM)

TM315

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221821

遼寧省教育廳高等學校基本科研項目“基于熱管技術的高功率密度PMSM溫度場建模與傳熱特性研究”資助。

2022-09-28

2022-10-17

于占洋 男，1991年生，講師，研究方向包括高功率密度永磁電機損耗分析和冷卻系統設計。E-mail: ddzhanyang@sina.com（通信作者）

胡旭陽 男，2000年，碩士研究生，研究方向為永磁電機設計及其控制。E-mail: hyang080800@163.com

（編輯 崔文靜）