机械制造技术课程实验(电机技术演示器的实验)

混合动力电动汽车（HEV）和电动汽车（EV）动力系统的高速发展产生了冷却电动机的需求。除了混合动力汽车和电动汽车乘用车队伍的扩大之外，还有其他一些应用也需要高扭矩密度的机器，如越野建筑设备、货运卡车和飞机飞行控制面（如襟翼和升降舵）的电动执行器。

目前，这些情况下扭矩密度的限制因素是绕组的热退化。为克服这一问题，需要采用先进的冷却技术。改善小型电机热传输过程的技术主要集中在改善电机内部和外部气流，以提高有效传热系数，从而从电机中带走更多热量。

水冷却广泛应用于大型机器，但最近也有一些研究水冷却小型电机的活动。采用直接层叠冷却(DLC)技术，通过冷却剂直接通过定子中的通道，提高了75千瓦感应电机的电流密度。这种冷却方法改变了定子内部的磁通路径。此外，DLC主要从定子中带走热量，依靠通过定子的传导来冷却绕组。

蒸发冷却是通过将定子浸没在冷却剂中，从而导致池水沸腾来实现的。冷却液在机架表面凝结，机架由水套冷却。冷凝器的位置取决于自由表面，而自由表面又取决于机器的方向。

本文提出的先进冷却技术包括将热交换器与定子绕组直接接触。这种直接绕组冷却技术如上图所示。图中的热交换器称为直接绕组热交换器（DWHX）。在高转矩密度机器中，大部分热损耗都产生于绕组。通常情况下，这些热量通过定子散发到机架上，再由流体（空气或水）排出到周围环境中。DWHX可将绕组产生的热量转移到机架上。

绕组直接通入流体，大大降低了绕组与环境之间的热阻。这样就能在保持绕组绝缘热完整性的同时，大幅提高电流密度。如上图所示，在DWHX内，流体沿机器的轴向流动。在图中，每个热交换器的入口和出口通过非导电隔板连接。非导电隔板可确保磁通不会在铜热交换器中产生电流。

此外，热交换器还采用了微特征增强型介质通道。典型的内部流动传热系数范围为500到1000W/m2-K，而微通道内部流动传热系数范围为5000到10000W/m2-K，并已用于冷却高热通量微电子。

使用微通道（水力直径在0.1至0.5毫米之间）的DWHX会显著增加压降，从而需要更大的泵功率，降低系统能效。相反，较大的中通道（水力直径大于0.5毫米）在减少压降的同时，也会显著降低热传导率。

本研究采用了DWHX冷却技术。集中绕线式SMPM电机的工作原理，但可应用于任何具有集中绕组的拓扑结构，如开关磁阻机、磁通开关和内部永磁拓扑结构。此外，经过精心设计和分析，该技术还可应用于分布式绕线机。

已构建了一种参数化自网格有限差分技术，用于模拟电机的局部热响应。该参数技术通过数值计算整个定子二分之一槽模型的温度分布。

该技术首先使用极坐标表示的"中心节点"分布方法，在整个模拟定子几何图形中分布计算节点，如上图所示。然后，自动分割方法捕捉定子齿、背铁、绕组的几何形状，以及绕组中因填充不足而产生的估计空气量。然而，许多定子几何形状的特征并不对应极坐标中的半径或角度。

因此，为了创建通用模型，该技术通过与半径或角度相对应的特征来表示实际的槽几何形状。这样就可以使用图中确定的九个参数，以参数化的方式全面描述任何槽的几何形状。然后就可以根据这些描述实际定子槽几何形状的参数生成和分割模型网格。

然后，为每个节点写出一个能量守恒方程，其中包含所有进入、流出、产生和储存在节点中的能量。然后使用矩阵反演法同时求解这些方程，以确定每个节点的温度。DWHX建模为对流边界条件，应用于DWHX的边界。

流体温度假定为流体回路的最高温度，这取决于铜损、流体流速和环境排斥方法。DWHX的传热系数受限于流速、微特征几何形状和流体特性。DWHX的传热系数取决于流速、微特征几何形状和流体特性。

DWHX设备的全面优化设计，包括对DHWX微特征设计的操作，超出了本初步设备设计工作的范围。DWHX技术的尺寸和机器数据表I列出了本文中介绍的示范电机的技术参数。该机器的设计采用了最佳候选设计选择方法，作为小型城市通勤车的10千瓦牵引驱动装置。

该方法将电磁设计模块与先前总结的热响应估算模块和粒子群优化相结合，快速评估和优化候选设计。由于制造工艺的限制，表I中的机器数据并不代表完全优化的设计。

具体来说，技术演示机的线规和填充系数是根据制造商的绕线能力设定的，而不是根据优化结果设定的。优化中假定的填充系数为75%，而绕线机制造商只能达到40%的填充系数。

其他12个热电偶位于底部。热电偶被放置在DWHX和绕组之间的界面上，图（b）中的橙色线表示该界面。这些热电偶将提供DWHX机器的详细温度测量值，用于设计验证。请注意，定子磁极没有极靴。没有极靴使制造变得更容易，并且不会对散热产生重大影响。

上图展示了DWHX一半的图像。图中的一分钱是比例参考。微特征是500μm×500μm×500μm的螺柱。两半DWHX焊接在一起，形成一个DWHX。微特征之间的顶端间隙为通道高度的10%。这增加了微特征阵列的传热面积。

将12个DWHX插入不导电的散装头中。然后将DWHX放入机器，并用导热环氧树脂填充间隙。环氧树脂确保了DWHX和绕组之间良好的热接触。然而，由于没有进行真空灌封，在填充环氧树脂中发现了残留气泡，这在未知程度上增加了线束的热阻。

此外，在灌封过程中，填充环氧树脂渗漏到两个通道中，部分堵塞了通道。虽然已尽可能排空通道，但填充环氧树脂仍未完全清除。

在测试技术示范DWHX电机时使用了两种不同的实验装置。第一台仪器用于进行控制条件试验。控制条件测试包括在不安装DWHX的情况下将机器作为发电机运行。控制条件实验为评估DWHX冷却技术带来的热性能提升提供了数据。第二台设备用于对安装了DWHX的技术演示器进行压降和热特性分析。

实验装置由电机、扭矩/速度传感器、技术演示机、电阻负载组和数据采集（DAQ）系统组成，如上图所示。DAQ系统由两个热耦合模块、一个模拟输入模块和一个模拟输出模块组成。定子电流使用示波器、电流探头和放大器进行测量。

测试装置的图像如上图所示。技术示范DWHXSMPM机器在几种电流密度下进行了测试，范围从10到100欧姆。同样，一旦安装并测试了热交换器，这一基准数据将有助于进行公平的比较。

在每种电流密度下，机器运行到最大温度读数达到125?C，相当于F级绝缘出于安全考虑的温度限制155?C的89%。

DWHX流量和热量实验装置由泵、散热器、流量计、流体T型热电偶和差压计组成。测试台的照片见上图。变流器用于向绕组注入电流，以研究等效负载下的热响应，由于DWHX冷却系统提高了电流能力，因此超出了10千瓦机械试验台的能力范围。

定子电流使用示波器、电流探头和放大器进行测量。在流量和热测试期间，流体的温度都保持在30?C。DWHX技术演示器在1000至5500毫升/分钟的不同流速下进行了测试，以评估通过机器的压降。压降可用于计算通过机器的流量损失。整个系统的泵送功率需要了解歧管、散热器和泵的相关知识，这与具体应用有关，不在本文讨论范围之内。

流量测试在冷机中进行，即不注入电流。随着流体温度的升高，由于流体密度和粘度的降低，压降也会随之降低。因此，流量测试是对机器压降的保守测量。热测试是通过使用三相变流器向定子绕组注入交流电进行的。热性能测试在稳态和瞬态条件下进行。

稳态测试在24.7、26.3和27.8A/mm2的电流密度下进行。在稳态测试期间，电流由人工控制，直至在5分钟的时间跨度内，机器的温度变化小于0.1?C。瞬态测试的电流密度分别为33.8、36.9和40A/mm2。

同样，在瞬态测试期间，电流由人工控制，直到最高温度达到155?C。在这些高安培测试期间，转子被移除（非旋转机器）。这种情况下的铁芯损耗由60赫兹的线路频率决定。旋转和非旋转情况下的铁芯损耗差异主要取决于频率。

在磁通密度估计为1.5T、定子重量为1.7kg的情况下，每种情况下的铁芯损耗估计分别为：60Hz时7.6W，60Hz时7.6W，60Hz时7.6W。与所有测试的铜损耗（从344瓦到5509瓦）相比，磁芯损耗的这一差异可以忽略不计。

在每次瞬态测试中，瞬态温度都与指数温度上升曲线相关联。因此，在额定条件下，F级绝缘材料可以承受115?C的温升。达到额定热极限的时间就是达到高于环境温度115?C的绝对温度的时间。随后的瞬态结果就是用这种方法计算出来的。

上图显示了从电流密度为12A/mm2的控制条件热测试中推断出的示例。如图所示，我们收集了每种测试条件下达到热极限的计算时间，并将其与计算的电流密度相对照。请注意，达到热极限的时间随着电流的增加呈指数衰减。

随着电流密度的降低，达到热极限的时间会增加到一个渐近线。这种情况表明，在低于某一电流密度时，机器将永远无法达到绝缘体的热极限，即稳态电流密度。指数衰减曲线拟合表明该值为8.24A/mm2。

DWHX流量实验结果见上图。请注意，当流量为5300毫升/分钟时，DWHX上的压降达到最大值5.14千帕，这相当于流量损失小于通过机器的功率为0.5W。在DWHX热试验中，流体流速恒定为4700cc/min，压降为4kPa。

26.3A/mm2稳态试验的加热和冷却曲线示例见上图。图中的温度与机器内最热的温度相对应，这些温度都位于末端绕组和隔板之间。请注意，上面两条曲线比下面的曲线高20C-30?C。这些热点可能是由于之前提到的制造困难导致12个热交换器中有两个部分闭塞造成的。

表II是稳态DWHX热试验的数据汇总。请注意，末端绕组的平均温度比热极限低30?C。在电流密度为27.8A/mm2时，热点温度比耐热极限高16?C，但平均温度仅比耐热极限高1?C。

上图显示了DWHX热测试中电流密度为39.9A/mm2的推断示例。同样，对于每次瞬态DWHX热测试，瞬态温度数据都用于计算达到绕组绝缘热极限的时间。

收集了每种测试条件下达到热极限的计算时间，并与计算出的电流密度相对照，如上图所示。通常情况下，峰值电流密度被评估为30秒负载。在此条件下，DWHX技术示范电机可承受超过40A/mm2的电流密度。随着电流密度的增加，达到热极限的时间似乎呈指数级减少。

与对照条件测试类似。结果表明，每次测试的电流密度达到热极限的时间都有很大差异。造成这种变化的原因可能是在每次瞬态测试过程中都需要手动控制电流。在示波器上观察电流的同时手动控制三相变流器。

有时，测试期间的电流可能与所需值相差±1A。整个测试过程中的这种变化可能会导致数据的变化。今后，可以使用闭环电流来避免这种变化。不过，这种手动电流控制对于DWHX热性能的初步研究已经足够。

本文介绍了一种新型先进冷却技术，即DWHX。这种冷却技术包括在集中绕线式电机的绕组之间安装一个微特征增强型介质通道。

我们设计并制造了一台初始技术示范DWHX电机。在控制条件下，对带有DWHX的电动机进行了测试，以确定比较基线。在不使用DWHX的情况下，机器的稳态电流密度为8.24A/mm2，瞬态电流密度为14.7A/mm2。