电机热管理·新的热土
更小更轻是当今电机发展的必然路径。因此对功率密度和转矩密度的追求是长期的趋势。但在EV行业的冲击下， 对电机密度、效率等技术指标需求呈现陡坡加速上升。以往的温和的渐进的技术发展已无法满足母系统的需求。在这种环境下，为了提高功率密度需各种技术手段都需要极致发挥，包括：更新的电磁设计、更好的电磁材料、当然缺不了更好的热管理。电机的功率极限能力往往受电机的温升极限限制，因此提高电机冷却散热能力能立竿见影的提高功率密度。另外一方面随着永磁电机的普及，我们一边享受它的优点，也要忍耐它的短板----“永磁电机的性能随着温度上升而衰减”。因此为了防止永磁体可逆和不可逆退磁，总是期望有一个低温的转子环境，低工作温度是延长永磁和绝缘材料的最佳策略。而这个重任不可推卸的落在了热管理技术上。
无论是从功率密度还是安全可靠性出发，热管理技术都是不可或缺，在这种情况下电机的热管理技术从原来的冷门一跃而成为发展最快的热土。鉴于此，蜗牛准备做一系列的专题文章，和大家分享电机热管理的：演进路线、最新的技术和未来的趋势。
工业电机的传统冷却方式
对于中小型电机，我们见得较多的冷却方式可以大概为三种形态：第一种是开放式风冷结构，空气可以从风罩中吸入电机内部，并从出风口排出，带走内部的热量。但这种结构的防护等级不高，粉尘和水汽易进入，影响电机寿命。
第二种形态是完全封闭的结构，内外没有空气等其他流体交换，电机内部的热量靠热传导从一个材料传递到下一个材料，最终到达机壳，和空气发生热交换。这种散热方式结构简单，但传热效果不佳，内部的热量容易堆积，形成热岛。
第三种形态为前两种方式的复合，电机还是全封闭结构，内部的热量靠热传导到达机壳后，机壳通过风扇强迫对流冷却，带着热量，换热效率介于第一种和第二种之间。
从热的角度出发，散热的三种基本方式为对流、传导和辐射。在电机应用中主要是前两种方式为主。上文说的第一种散热形态的主要的散热为对流冷却，靠流体带走内部的热量。因此姑且称之为“对流型解决方案”。第二种散热形态主要的散热途径是热传导，姑且称之为“传导型解决方案”。第三种形态兼有前两者之长，称之为“复合型解决方案”。定性分类的目的在于：跳出表面的具体形式，深入到物理底层，然后这个层面上重新理解散热规律，最后向上展开，发展出新的冷却方式。这种思维方式也称之为：“第一性原理”。我们先用这种方式来重新理解传导型散热方案。
传导型解决方案的发展
在物理上决定热传导能力的关键是热阻，而热阻类似于电阻，越大对热流的阻碍越大。那如何做到热阻小呢，和三个物理量有关，一个是导热的面积A、导热的长度L、材料的导热系数。具体设计中，前两种和结构设计、工艺有关，最后一种和材料的选型有关。
一般材料的导热系数如上图所示，金属材料的导热系数最高，空气的导热系数最低，绝缘材料居中。 材料导热系数越高越好，越高热阻越小，散热能力越强。这正是设计改进的切入点。下面介绍一种传导型散热方式的改进方案：绕组端部灌胶。
传导型改进1·绕组端部灌胶
普通电机绕组端部附近为空气，空气的导热系数非常低只有0.0246w/m/k,因此绕组端部通过空气传热到机壳的热阻相当大。只能回流到铁芯，然后从铁芯传递给机壳。然后绕组到铁芯之间有槽绝缘隔开，其导热系数也较小，比如Nomex绝缘纸的导热系数只有0.12~0.15，因此这条路径也不是特别顺畅。这就导致了绕组端部的热量堆积，形成热岛。
从降低传导型散热的热阻角度出发，发展出了一种绕组端部灌胶的改进方案。如下图所示，在绕组端部灌注有机绝缘材料，这种封胶是特殊设计的高导热材料，热阻可达1~3w/m/k，高于空气的2个数量级。因此灌封胶成为了一个热桥，构建了一条新的热路。端部绕组的热量通过热桥直达机壳和端盖，大幅度提高了散热效率。这种方式还能起到增强绝缘、改善噪音的效果，是一种简单易行的热升级方案。
传导型改进2·槽内铜板
如果我们仔细研究槽内导体的热路，就会发现槽中心的导体存在严重的热阻过大问题。这是因为槽中心的导体离铁芯比较远，中间隔了很多层导体。虽然铜本身的导热系数很好能达到386w/m/k。但是，铜线的绝缘层是热的不良导体，热导率<1。中间的导体的热流需要经过多根导体的绝缘层才能达到铁芯，如此热路堵塞，容易形象槽中央的热孤岛。解决的办法是在槽中间设置导热系数很好的热桥。比如说铜板或者铜片。
如下图所示T型铜板设置在槽中间，外转子和内转子结构都能实现。铜板相当于重新构建了一条热通路，槽中间的导体，热量会直接通过中间板传递到底板，然后传递到铁芯中。相比漆包线绝缘，铜板的热阻可以忽略不记，因此相当于内层的导体也能直接和铁芯接触。
仿真和测试的数据都表明，槽内铜板技术能够有效降低槽中心导体温升，案例中槽中心导体温度从175℃改善为107.4℃。取得了明显效果。但应用该技术需要注意两个问题，一个是铜板和漆包线之间的绝缘问题，解决的办法为加绝缘纸或者或者采用其他不导电，高导热的材料替代。另外一个问题是铜板本身会产生涡流损耗，需要仔细设计。
传导型改进3·绕组预成型
绕组预成型是一种特殊的绕组成型工艺。制造时先将绕组绕制在特殊设计的工装上，然后给绕组加压整形，使之排列致密，整齐。然后灌入胶水使胶水填满绕组之间的空隙。待固化成型后，去掉工装，将绕组嵌入定子铁芯中。这种工艺使得导线和导线之间的没有空气间隙，接触热阻大大下降，从而提升绕组的整体导热系数。但这种技术的仅适合集中绕组电机使用。
传导型改进4·热管技术
热管技术是一种有效的改善热传导能力的技术，一般是和外风冷技术配对形成复合型冷却技术。如下图所示在机壳中设置了很多细长的铜线，这些铜线的导热系数非常高，相当于热的高速公路，将热量快速的从机壳代到外部的细薄的冷却片处，中间有风扇强迫通风快速的带走热量。
这种热管技术特别适用于将电机内芯上的热量导出。比如外转子结构中的定子上的发热，主要的热路是：一条从铁芯到达轴，然后传递到端盖处；另外一条是通过气隙空气到达转子磁钢和铁芯，然后传递给机壳。这两条路径都不是很顺畅。因此可以如下图所示在定子内侧设置热管，将定子的发热快速的导到外界，通过专用的散热片冷却。
总结·顺藤摸瓜
电机热管理技术的发展，并不是空中阁楼式的创新，更多的是对以往其他设备的散热技术的借鉴，以及不同技术的策略组合。但其根本原理离不开热传导的改善和对流的改善。本文介绍了绕组灌胶、槽内铜板、热管技术、绕组预成型技术。按此思路类推还能衍生出更多的技术，比如槽绝缘材料的热阻改进、漆包线绝缘材料的热阻改进、浸漆材料的热阻改进，铁芯和机壳之间热阻的改进等等。只要我们抓住了物理本质，就可以顺藤摸瓜。
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