电机热管理系统（一）

引言

美国国家可再生能源实验室（NREL）是美国能源部DOE联盟重要的一个分支，主要通过接受DOE的资助进行新型能源热分析和材料的研究。本文主要介绍NREL在新能源“电机热管理系统”所做的研究，分享其成果和技术路线

随着新能源汽车不断发展，对电机性能提升的需求日益增加。在热管理限制的条件下提高电机性能有两种途径，一种是增大电机尺寸，另外一种是改善材料的高温性能。而这两种途径无疑是坎坷的，因此电机热管理的重要性凸显出来，通过合理的电机热管理，减少电机尺寸，降低电机价格，来实现电机性能的提升。

NREL的“电机热管理系统”项目最早于2010年在DOE正式立项，代号APE030（2010-2013），后面类似项目还有EDT064（2014-2017、ELT075（2017-2019）、ELT214（2019-2023）。“电机热管理系统”目的：优化电机冷却技术的选择和开发，以最大限度地提升的电机指标（重量、体积、成本、效率）。

电机热管理由被动热管理和主动热管理组成，其中：

• 被动热管理涉及：电机设计/材料热属性/热界
• 主动热管理涉及：冷却介质/冷却位置等

被动电机热管理

被动电机热管理主要研究集中在电机定子材料，定子关键材料热特性如下：

• 定子与外壳的热接触电阻
• 定子间热接触电阻
• 绕组对绝缘纸的热接触电阻
• 绕组热导率
• 定子叠片热导率
  

为了验证上述关键材料热特性，NREL建立了相应3D模型，根据发布的数据验证模型。相关研究结论如下：

1. 在不改善导线绝缘导热系数的情况下，对槽填充材料的改进对热管理几乎没有影响。

2. 由于填充材料的导电性较低，在相同的填充系数下，与圆线相比，扁线的导热系数较低。

3. 叠压铁芯有效导热系数随压力增大而增大；层压次数超过50层后，有效热导率水平趋于平稳；铁芯越薄，有效导热系数越小

4. 利用有限元分析模型对电机的初步设计进行了参数敏感性研究，以确定哪些热阻最显著。考虑到不同工况下，电机发热情况不一样，研究团队进行了多工况分析。其中，对于高速、低扭矩的情况，电机主要受益于改善转子导电率；对于低速、高转矩的情况，电机则受益于槽绕组、定子铁芯和外壳接触的热导率改进。

5. 如前面所描述，通过电机进行热传导的主要热阻有很多，所以的研究结论是否具备参考价值的前提都是基于这些参数的准确性。如果无法准确的得到这些参数（仿真或者实测），冷却系统都可能会被错误地优化。在这方面，研究团队进行了不断的否定和完善。以目前常用水冷电机热阻为例，定子与机壳的TCR是热设计过程中的一个关键参数（可参考结论4内容），相关的研究成果摘选如下：

压力无关模型（如有效气隙模型）适用于低于500kPa的压力。对于超过500kPa的压力，气隙模型高估了与压力成比例的TCR。对于所研究的过盈配合压力，与压力相关模型相比，压力无关模型高估了TCR 4到7倍。

总结

NREL对电机热管理系统的研究细致且坚持（长达十年之久，还在继续），这是所有基础研究所必备的特征，也是我们所要学习的优点。