引言

美國國家可再生能源實驗室（NREL）是美國能源部DOE聯盟重要的一個分支，主要通過接受DOE的資助進行新型能源熱分析和材料的研究。本文主要介紹NREL在新能源“電機熱管理系統”所做的研究，分享其成果和技術路線

隨著新能源汽車不斷發展，對電機性能提升的需求日益增加。在熱管理限制的條件下提高電機性能有兩種途徑，一種是增大電機尺寸，另外一種是改善材料的高溫性能。而這兩種途徑無疑是坎坷的，因此電機熱管理的重要性凸顯出來，通過合理的電機熱管理，減少電機尺寸，降低電機價格，來實現電機性能的提升。

NREL的“電機熱管理系統”項目最早于2010年在DOE正式立項，代號APE030（2010-2013），后面類似項目還有EDT064（2014-2017、ELT075（2017-2019）、ELT214（2019-2023）。“電機熱管理系統”目的：優化電機冷卻技術的選擇和開發，以最大限度地提升的電機指標（重量、體積、成本、效率）。

電機熱管理由被動熱管理和主動熱管理組成，其中：

• 被動熱管理涉及：電機設計/材料熱屬性/熱界
• 主動熱管理涉及：冷卻介質/冷卻位置等

被動電機熱管理

被動電機熱管理主要研究集中在電機定子材料，定子關鍵材料熱特性如下：

• 定子與外殼的熱接觸電阻
• 定子間熱接觸電阻
• 繞組對絕緣紙的熱接觸電阻
• 繞組熱導率
• 定子疊片熱導率
  

為了驗證上述關鍵材料熱特性，NREL建立了相應3D模型，根據發布的數據驗證模型。相關研究結論如下：

1. 在不改善導線絕緣導熱系數的情況下，對槽填充材料的改進對熱管理幾乎沒有影響。

2. 由于填充材料的導電性較低，在相同的填充系數下，與圓線相比，扁線的導熱系數較低。

3. 疊壓鐵芯有效導熱系數隨壓力增大而增大；層壓次數超過50層后，有效熱導率水平趨于平穩；鐵芯越薄，有效導熱系數越小

4. 利用有限元分析模型對電機的初步設計進行了參數敏感性研究，以確定哪些熱阻最顯著。考慮到不同工況下，電機發熱情況不一樣，研究團隊進行了多工況分析。其中，對于高速、低扭矩的情況，電機主要受益于改善轉子導電率；對于低速、高轉矩的情況，電機則受益于槽繞組、定子鐵芯和外殼接觸的熱導率改進。

5. 如前面所描述，通過電機進行熱傳導的主要熱阻有很多，所以的研究結論是否具備參考價值的前提都是基于這些參數的準確性。如果無法準確的得到這些參數（仿真或者實測），冷卻系統都可能會被錯誤地優化。在這方面，研究團隊進行了不斷的否定和完善。以目前常用水冷電機熱阻為例，定子與機殼的TCR是熱設計過程中的一個關鍵參數（可參考結論4內容），相關的研究成果摘選如下：

壓力無關模型（如有效氣隙模型）適用于低于500kPa的壓力。對于超過500kPa的壓力，氣隙模型高估了與壓力成比例的TCR。對于所研究的過盈配合壓力，與壓力相關模型相比，壓力無關模型高估了TCR 4到7倍。

總結

NREL對電機熱管理系統的研究細致且堅持（長達十年之久，還在繼續），這是所有基礎研究所必備的特征，也是我們所要學習的優點。