MFC推荐—NREL | 先进电机热管理技术介绍·绕组端部喷油技术

NREL 热管理专家
国家可再生能源实验室(NREL)是美国DOE旗下的一家扮演基础技术研究角色的公司，其以电机热管理技术擅长，为UQM 、橡树岭等企业提供电机冷却散热技术支持。可以说它是支持DOE2025新能源路线图的基础支撑企业。其关于电机热管理技术的理解和工作成果值得我们认真学习。

热管理·电机的核心技术
为什么NREL在DOE体系中的作用这么重要，这和电机热管理技术越来越重要有关。电机热管理技术原来叫电机冷却散热技术，在新能源驱动领域，驱动总成的各个子系统的散热技术越来越重要，涉及到的因素越来越复杂，因此原来的散热冷却的概念升级成内涵更大的概念---“热管理”。对应的有总成热管理、控制器热管理、电机热管理。

在技术竞争日益白热化的今天，产品千变万化，但核心技术离不开这四点：电磁、NVH（振动噪音）、结构工艺、热管理技术。随着电机设计越来越追求转矩极限、功率极限，热管理技术的价值贡献与日俱增。可以说热管理设计和电磁设计、结构设计同样重要，但前者的计算更复杂、非线性更强。
热管理技术受重视的内在逻辑是这样的：电机输出功率的极限往往受制于热极限能力。比如说低速大转矩下的绕组温升限制，高速下大功率下的磁钢温升限制。如果能够通过热管理技术提高这些温升限制触发时的转矩，那么同样的尺寸电机的功率密度、转矩密度就获得提高，如此性能得以提高。或者同样的功率密度电机的尺寸可以变小，从而降低铁芯、绕组、磁钢等有效材料的成本。因此热管理技术不一定会导致成本上升。平衡得当可以获得性能提升、成本下降的双优解。

另外一方面相比于其它技术，我们在热管理技术上和国外的差距也是最大的。差距即机会，因此在热管理技术上下功夫是培育核心竞争力的一条路子。
回到主题，无论是叫散热设计或者叫热管理技术，其本质任务是：从各零件中将热量带走，并散发到环境中。NREL对此的理解是分两个方向的，一个方向是被动属性设计，指的是电机的导热、散热的一些被动属性设计，比如说铁芯的各项异性散热能力、槽绝缘和铁芯接触的热阻、绕组的纵向和横向散热能力、电机的几何结构对散热的影响等等。
另外一个方向是主动冷却设计，比如说冷却的方式的选择、冷却剂选择、冷却位置的选择。

NREL在被动设计和主动设计两个方向上的研究都很深，今天蜗牛介绍一种当前很热的主动冷却技术---绕组端部直接冷却：端部喷油。
端部喷油·NREL主动热设计技术
NREL是早期研究绕组端部直接冷却技术的公司之一。其基本原理是利用油泵将冷却液加压，在绕组端部配置若干喷头，高压的冷却液通过喷头直接喷射在绕组端部上，冷却液在压力和重力的双重作用下，流经全部或大部分绕组端部，带走热量。

相对机壳水冷，内部风冷技术，端部喷油冷的冷却效果更佳。因为机壳水冷最大的热源--绕组的散热路径是。绕组→槽绝缘→铁芯→机壳→水套，每一层之间都存在接触热阻，会形成较强的热量梯度，因此机壳水冷对绕组的散热能力不佳。
内部风冷技术，虽然能够直接冷却绕组和铁芯，但空气的换热能力有限，而且很多时候需要开放式结构，无法适用高防护的应用场合。
前两种方式绕组端部产生的铜耗，需要通过铁芯传导出去，或者通过空间对流出去，两种路径的热阻都较大，容易堆积热量成为热孤岛。而端部喷油，直接带着绕组端部热量，其散热能力具备明显优势。

端部喷油的关键技术
在端部喷油的时间过程具体设计过程中，前行者们的探索发现了和换热能力相关的许多关键问题。
喷油冷却最好的介质是乙二醇混合物（WEG）,但在车用驱动电机中，变速齿轮箱油（ATF）更容易获取，为了简化一般直接使用ATF，但ATF的冷却能力明显小于WEG，因此需要在喷油嘴设计、端部绕组设计设计上下功夫，提高热交换能力，以弥补ATF带热能力的不足。我将NREL的实践经验总结如下：

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  油量的分配，不同位置喷油嘴之间的流量分配，相应的流速分配；
  
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  油嘴设计，油嘴的直径、距离、形状等设计；
  
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  渗流路径，喷射后流体渗透流经的绕组端部、铁芯的路径和方式；
  
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  接触设计，直接接受喷头的绕组表面质量设计；
  
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  油温设计，不同油温对散热能力的影响分析和设计；
  

油嘴的设计喷油冷却技术最关键的是油嘴的设计，油嘴设计包括油嘴位置、形状、距离、孔径等。这些参数对换热能力的影响是交互的.NREL给出了一组参数组合，如下图所示：其中D为受油面直径、d为油嘴的直径、S为油嘴离受油面的距离。通过反复试验发现了如下规律，D/d越大，换热能力越小；当S/d的范围在1.8~4.8之间，对换热能力的影响不大，这个区域叫饱和区域，超过了这个饱和区域，距离S越大换热能力越小。这些匹配参数的测试获取是通过如下图左测的试验装配实现的。

除此之外还发现，油嘴的形状对换热能力影响也很大。圆柱型喷头的冷却效果有所缺陷。因为会导致冷却区域过于集中流过区域也不均匀，部分绕组浸润不充分。改进的方案是采用喇叭型的油嘴，如下图的右下图所示。

圆周型喷头的绕组受油面形状为一个小圆，而喇叭型的喷头的受油面形状则是呈现向外围发散的长条形状，其受油面更大，也更均匀。

通过测试发现，喇叭型喷头和圆柱型喷头相比，换热能力明显增强。以1L/min的流量为例，喇叭型喷头的换热系数超过圆周型喷头57%

受油面设计除了油嘴侧的设计，绕组侧的设计也很重要。NREL将不同线规的绕组做成试样，测试线规对换热能力的影响，得到了明显的规律。

实际上不同线规形成的绕组的表面质量是不同的，线规越大，绕组表面的波浪半径也越大，相应的表面积越小，冷却液也流的更不顺畅。

这种表面质量对换热能力的影响在低流速时影响不大，但在高流速时则有明显影响，以10m/s的流速为例，18AWG的线规的换热系数是135%。从这个规律我们可以得知 采用端部喷油技术，绕组端部需要控制得均匀细腻，1是要选择小的线径，2是端部绕组排列要整齐均匀，这将有利于提高散热效果。

总结·慢工出细活NREL的对热管理技术的研究是即全面又细致的。限于时间还有很多技术细节无法一一介绍。但可以感受到NREL非常重视基础数据的试验和采集。通过细致的试验探索对换热能力影响的关键敏感参数和规律。和他们相比我们的热管理设计还停留在应用层面，有很多底层的技术没有掌握，虽然也能做出有模有样的产品，但在散热能力上肯定是有差距的，而且由于缺乏底层数据支持，到底差在哪里还很难被直观的理解到。但通过学习，通过这一系列文章的介绍，我们至少懂了自己的缺乏的是什么？我们缺的是慢工出细活的心态。不要老想弯道超车，还是少一分急功近利，多一份工匠精神吧。