高導熱儲熱材料對高功率密度永磁電機溫升的影響

王曉光，倪子軒，陳鑫，劉凌云，汪興

（湖北工業大學 電氣與電子工程學院， 武漢 430068）

永磁電機正向著高功率密度、高過載能力的方向發展，驅動系統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.這些發展趨勢也伴隨著隱患，如電機升溫過快、溫度過高會導致絕緣壽命縮短、永磁體永久性退磁，影響電機運行的穩定性和壽命.因此，如何降低電機溫升已成為現代電機技術發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、電負荷高、結構緊湊的特點，導致電機溫升過大.過高的銅耗將導致內部溫升過快.但水冷、風冷等傳統的電機散熱方式依靠外界流體帶走從電機內部傳導到機殼的熱量，無法直接從電機內部繞組帶走熱量；由于某些特殊應用場合的需要，驅動電機的安裝體積和散熱環境都得到了嚴格的限制，風冷或水冷等散熱方式無法實現，電機只能自然冷卻，限制了電機的功率輸出能力.此外，溫升是導致電氣絕緣性能、力學性能降低重要原因，絕緣材料的耐熱性和導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部直接吸收熱量的電機散熱方案［5］.

本文制備了一種高導熱儲熱材料，并將其運用在電機散熱領域.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；二是材料的導熱系數遠大于空氣，使電機內部的傳熱路徑得到了優化，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，為電機實現提高電機功率或縮小電機體積的目標提供了參考價值.

1 高導熱儲熱材料的制備與物性參數

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

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

高導熱儲熱材料由絕緣漆、儲熱材料石蠟、多孔結構埃洛石、高導熱材料四針狀氧化鋅晶須（T-ZnOw）按照2∶2∶2∶1 的比例構成.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攪拌，并水浴加熱一定時間使無水乙醇完全揮發，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 高導熱儲熱材料粉末Fig. 2 High thermal conductivity heat storage material powder

圖3 為固-固復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后純石蠟已經變為液態，而固-固相變材料未發生形變.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Fig. 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，具有多孔的微觀結構，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定性，再加上其具有良好的納米孔徑［10］，使其成為制備高導熱絕緣材料的必要成分之一.

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

2 電機模型與溫度場仿真

2.1 樣機基本參數

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，繞組結構采用分數槽集中繞組，極槽配合為10 極12 槽，樣機的參數見表2所示.

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

2.3 電機溫度場分析計算

定子繞組存在復合相變材料層，與繞組銅線層的導熱系數、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行分層等效計算.根據生熱相等、散熱不變的原理［13］，可以按公式（1）計算出等效體的導熱系數、比熱容等基本熱參數.

式中，λ、ρ、c分別為等效體導熱系數、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，損耗產生的熱量以熱源密度的形式添加到模型中［14］.建立等效復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］，穩態溫度分布云圖如圖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行視頻拍攝，將A 組（無復合相變材料）、B 組（添加不含ZnOw的復合相變材料）和C組（添加ZnOw的復合相變材料）串聯通入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

根據在定子繞組中預埋的熱敏電阻，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.與仿真的結果對比可知，實驗結果與有限元法的計算結果相近，誤差率為0.56%，屬于合理誤差范圍內，這驗證了計算結果的正確性.將熱敏電阻阻值的變化轉換成電壓信號，采用示波器對電壓信號進行采樣，經過數據變換的整理，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 實驗結果分析

由實驗結果可知，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B、C 組溫度到達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完全相變；當B、C 組溫度到達61 ℃左右時，溫升速度繼續加快，此時B、C 組與A 組的溫差在繞組升溫過程達最大，且材料達到熱飽和，無法繼續吸收潛熱.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；當電機在過載工況下運行時，復合相變材料可有效降低由于大電流導致的定子繞組過快的溫升；其次，復合相變材料只在材料發生相變過程中對電機的溫升有限制作用，當相變材料達到熱飽和時，溫升繼續增加，所以，復合相變材料的相變溫度需要設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性分析

4.1 電機整機實驗

為探究添加復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速一致、同一時間內的溫升相同.實驗平臺由樣機、控制器、機座、負載箱、電源、測功機構成，如圖9所示.

圖9 實驗平臺Tab. 9 Experiment platform

根據測得的溫升數據，將未加復合相變材料的對照組與添加復合相變材料之后的實驗組進行對比.在基本相同的時間內，調節電機輸出功率使得實驗組與對照組中電機轉速、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 材料可持續性分析

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

實驗結束后，取下電機，拆除端蓋與轉子，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，復合相變材料表現出良好的保形效果，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，進行10 次溫升實驗，間隔采樣取其中5 次的溫升曲線進行對比分析，根據圖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合相變材料的導熱性和相變吸熱能力未發生變化.

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

5 結論

本文將高導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，利用材料高導熱、儲熱特性優化電機內部散熱，實現了電機溫升的降低.該材料的應用為電機熱管理提供了一種有效可行的優化方案.

（1）利用等效的思想對添加相變材料的電機模型進行了瞬態溫度場仿真，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穩態時下降約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部繞組的溫升.

（3）由于復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%，即復合相變材料的添加提高了電機的功率密度.