研究背景
航空航天和采矿等高温应用正变得非常重要。例如，近年来飞机电气化已被广泛研究，以减少燃料消耗。其中一个概念是将主发动机启动器与涡扇发动机高压轴上的辅助发电机结合起来。这对电机来说是一个具有挑战性的运行环境：进入燃烧室的气体温度可能超过350°C。
其他可能需要在400°C以上温度下工作的高环境温度应用包括井下泵和地热泵。由于钐钴永磁和钕铁硼永磁机器允许较低的温度和较高的磁通密度，从而减少了总损耗，因此使用外部低温冷却剂可提高这类机器的效率。因此，能够在极高环境温度下运行的冷却结构是必须在这些条件下运行的机器的一项有利技术。
以往适用于高温环境的冷却系统包括使用工艺流体作为冷却剂、空气冷却和飞机应用中的机油冷却。然而，与这些最先进的高温方法相比，乙二醇-水混合物具有更低的泵送损耗和更好的热性能。
人们采用了各种新方法来改善水或乙二醇-水混合物对电机绕组的冷却，例如在利兹线中加入冷却管，以及形成具有集成冷却通道的绕组。存在由铜制成的槽内直接绕组热交换器（DWHX）。
不过，由于这种DWHX具有导电性，因此必须与绕组进行电绝缘，而绕组也要对其进行热绝缘。有人研究了聚合物在3D打印DWHX（3D-DWHX）中的应用，以便用介电材料取代铜DWHX，并实现复杂的流动几何形状，如上图所示的内部回流特征。
在DWHX上使用介电材料后，就不再需要槽衬垫或其他额外的绝缘材料来防止DWHX与绕组短路。消除这种绝缘后，热性能可能会得到改善。然而，之前研究的聚合物三维DWHX无法在高温下工作，而且导热率较低，这在热交换器中是不可取的。
近几十年来，三维打印技术的发展包括陶瓷的三维打印。陶瓷对高环境温度热交换器很有吸引力，因为它们具有高导热性，并能在极高温度下保持强度和刚度。
利用三维打印技术创造独特几何形状的能力已被应用于陶瓷热交换器，以优化两种流体之间的热传递。然而，在使用陶瓷改善电机热设计方面还存在知识空白。
陶瓷3d-Dwhx的冷却剂和材料选择
假定排热温度低于100°C，因此可以在3D-DWHX中使用水混合物作为冷却剂。不过，在为高温3D-DWHX选择材料时，应确保在冷却系统故障的情况下，3D-DWHX不会熔化或失效。之前的3D-DWHX研究侧重于各种高导热聚合物的熔融长丝制造（FFF）。
然而，由于这些聚合物的玻璃化转变温度较低，因此无法在较高的环境温度下工作。表I将Ceramco公司提供的商用光刻3D打印氧化铝陶瓷与两种最先进的高导热聚合物（聚碳酸酯铝薄片（PC-AL）复合材料和石墨薄片聚合物复合材料）进行了比较。
三维打印氧化铝的热导率和工作温度明显更高，而这正是高温三维-DWHX的有利特性。由于乙二醇-水混合物具有优异的热性能和低粘度，因此在热管理方面具有显著优势，可替代直接油冷系统。
但是，乙二醇-水混合物具有导电性，因此必须通过3DDWHX将其与绕组隔开。为了将直接油冷与乙二醇-水3DDWHX进行比较，假定在这两种情况下，冷却剂的可用流动区域都位于内径60毫米、外径100毫米的单槽中相邻双层绕组之间的3毫米间隙内。
由于热交换器的壁厚为0.8毫米，因此3D-DWHX情况下的可用流动截面积较小。热负荷设定为100W，长度为100mm，入口和出口温度分别为60°C和65°C。质量流量、压降和对流传热系数是使用市售的体积分数为50%的代拿林丙二醇混合物和完全热特性自动变速箱油（ATF）的特性计算得出的。
压降和传热计算是利用恒温边界条件的相关性和光滑管壁矩形管道中的热膨胀内流完成的。计算结果见表II。在相同的边界条件下，乙二醇-水混合物的压降明显更小，传热系数更高，这表明与直接油冷方法相比，乙二醇-水混合物在传热能力方面具有显著优势，同时还减少了泵送损失。乙二醇-水DWHX的传热系数是ATF方法的2.5倍，而压降仅为ATF方法的1/5。
陶瓷3D-DWHX的散热设计
3D-DWHX的设计分多个步骤完成。首先开发了一个平面壁分析模型，该模型考虑了绕组热负荷的温度依赖性。然后，利用经验传热相关性评估了几种流动几何形状，以评价对流传热的潜在改进。最后，利用计算流体动力学（CFD）模型对设计进行了验证。
为了评估热性能，我们制作了一个热网络模型，以捕捉基本的绕组和3D-DWHX几何形状以及对流电阻。如上图所示，该网络模型可以简化方法来确定和量化设计中的热限制部分。3D-DWHX可与任何非重叠的集中绕组配合使用。
设计中使用了双层绕组。通过直接加入绕组焦耳损耗的温度相关性，热网络模型的精度得到了提高。槽中的导体面积可通过绕组高度H（米）和宽度W（米）所定义的矩形区域内的填充系数ϕ计算。
假定H的径向高度为18毫米，θ的轴向高度为18毫米。3DDWHX的壁厚为0.8毫米，导热系数为35W/m-K。绕组的有效导热系数-K，随包装系数、分布式绕组与集中式绕组以及导线尺寸而变化。对于具有许多小导体、封装绕组或Litz线的绕组设计，可以使用均质化方法来计算有效热导率。
假设使用的是22AWGTEMCo双层绝缘和CoolthermEP-2000封装，其电导率为1.9W/m-K，则使用了三部分均匀化方法。在3D-DWHX未占据的区域，铜填充系数为0.5时，计算得出的封装绕组有效电导率为4.6W/m-K。
对流传热系数假定为1028W/m2-K，这是根据之前对3D-DWHX和油冷却进行的1000W/m排斥分析得出的。表III显示了网络结果，表明对流阻力是总热阻的最大组成部分。这表明，改进陶瓷3D-DWHX的通道设计有很大的好处。
然而，绕组损耗严格随导线平均温度变化的假设并不一定准确。为了验证总损耗完全由平均温度预测的假设，我们在ANSYSMechanical中创建了一个与温度相关的1-D有限元模型，其几何形状与1-D分析模型相同。
热点与平均温度（以及总损失）之间的关系非常复杂。如上图所示，在较宽的电流密度范围内，该模型的性能良好。在40ARMS/mm2时，一维有限元分析模型与理论模型之间的最大误差为1.3°C。
改善对流传热的微特征
在流道中添加微特征是改善对流传热的一种常见策略，以前曾用于电机中的直接绕组热交换器。然而，一个必须权衡的重要问题是这种方法需要考虑的问题是压降的增加，因此系统中的泵送损耗也会增加。
由于在电流密度不变的情况下，降低绕组温度也会降低机器的损耗，因此在利用几何形状改善对流的同时也会增加泵送损耗，这两者之间存在着复杂的系统级权衡。节省的功率通过降低绕组温度，从而降低绕组可将增加的泵送损耗抵消的损耗作为优化目标。
我们考虑了四种不同的微特征几何结构：恒定截面直翅片、锥形直翅片、内嵌式圆针翅片阵列和交错式圆针翅片阵列。这些几何图形如上图所示。
我们使用了一个简单的基线作为参考：一个没有添加微特征的矩形管道。分析这种情况时，基线电流密度为40ARMS/mm2，每个热交换器的流速为1.28升/分钟。对于直翅片情况，参数扫描中的变量包括流速、分割数（垂直于流动方向的翅片数量）和三种不同的翅片厚度。
对于针翅片情况，变量为流速和针翅片直径。垂直和纵向的间距选择为翅片直径的2倍。为便于比较，上图显示了节省功率目标的等值线图。在分度数较低的直翅式情况下，有很大的流量范围可以达到接近最大值。
在分度数较高的情况下，由于液压直径较小，对流量的敏感度较高，导致压降增大，降低绕组温度的收益递减。通过对每种拓扑结构的参数扫描，可节省的最大功率值如表IV所示。
选择直翅片作为微特征几何形状，是因为这种设计实现了2nd最高的净功率节省，而且与锥形翅片设计相比，3D打印的难度较低。
为了验证经验模型计算出的传热系数，我们创建了ANSYSFluentCFD模型。换热器中心线被用作对称边界。湍流模型用于捕捉翅片造成的扰动周围的湍流特征。50%丙二醇混合物的入口流速为0.39升/分钟，入口压力为4.53千帕。
在壁面上使用了恒定热通量边界条件，该边界条件可对必须剔除的正确绕组损耗进行积分。根据迭代最终实施的简化设计的一个变化是，在底部通道中，平行于流动方向的部分翅片被移除，形成了两排（分部）九个平行于流动方向的翅片。这一改变有助于实现更均匀的流动分布。由此得出的局部传热系数如上图所示。
CFD模型包括入口和出口区域的管道连接，为清晰起见，图中未显示。为了验证之前利用经验相关性进行的分析优化，将CFD结果与所使用的经验相关性进行了比较，后者适用于矩形管道中的流动；这是对带有开放空间的最终设计的近似值。
MOTORETTE测试3D-DW
电机热管理的许多方面都可以通过小规模试验进行测试，而不需要整个电机甚至整个定子。封装和其他绕组热管理技术可通过直流电流模拟全绕组损耗的一个或多个槽的电机测试进行充分测试。
绕组的行为是电机热管理中的一个重要不确定因素，因此也是拟议测试的目标。绕组的各向异性使得在没有实验验证的情况下很难建立热建模，而永磁体和叠片的热特性则比较容易理解。
氧化铝陶瓷3D-DWHX原型是采用光刻工艺3D打印而成，具有内部直翅片微特征。原型如上图所示。
我们选择了一台12槽10极机器的定子作为电机设计的基础。定子的基本尺寸见表VI。3D-DWHX设计用于在针式绕线机留下的间隙中安装相邻的双层集中绕组。
上图所示的电机测试基础旨在验证陶瓷3D-DWHX的基本性能特征，并测试与两个相邻线圈实现良好热接触有关的主要集成问题。
因此，它使用的是传统材料，无法在极端环境温度下进行测试，而陶瓷3D-DWHX则可以在极端环境温度下运行。为了减少测试中的边缘效应，我们在Motorette中安装了两个线圈和三个热交换器，以实现围绕中心陶瓷3D-DWHX的对称性。发动机由154块激光切割的0.47毫米厚的硅电工钢制成。
这两个线圈是手工绕制的，使用了100匝TEMCoMW0179AWG22磁导线。在绕组所占区域（不包括3D-DWHX），铜填充系数为45.5%。
为了使绕组与槽绝缘，使用了0.178毫米厚的Nomex410作为槽衬，但仅限于绕组会直接接触定子铁的区域。在绕组时，插入塑料夹具，为稍后插入3D-DWHX提供间隙，因此不需要缝合绕组。
电机的绕线过程与针式绕线类似，导线必须从槽口滑入。绕线时，在图中所示的关键位置插入了几个36AWG的K型热电偶。出于降低风险和成本的考虑，第一次测试只使用了一个陶瓷三维-DWHX。中间的3D-DWHX是氧化铝陶瓷，而外面的两个3D-DWHX是聚碳酸酯铝薄片复合材料（PCAL），其特性见表I。
因此，混合材料马达可以保守地估算出陶瓷3D-DWHX可以达到的电流密度。
上图显示了绕线完成并插入一个PC-AL3D-DWHX后的电机。中心槽的夹具已拆除，留下T形间隙供插入陶瓷3D-DWHX使用，而左侧的夹具仍在原位。由于背铁和3D-DWHX顶部之间的间隙非常小，封装剂很难渗入。
为了降低该界面的热接触电阻，在插入之前，在3D-DWHX顶部表面涂抹了导热系数为0.73W/m-K的Wakefield120-8硅胶热界面材料。
由于PC-AL材料无法承受之前研究的CoolthermEP2000所需的固化时间，因此本次测试选择了DOWSIL3-8624作为封装材料，其导热系数为0.35W/m-K，粘度相对较低，为3350mPa-s。
这种封装材料是硅基的，只需要70°C的热固化，但可以承受200°C的温度。使用三部分均质化方法，预测这种封装剂的绕组有效热导率为0.86W/m-K。插入所有3D-DWHX后，注入硅胶封装剂，然后将整个组件放入真空烘箱中，以去除组件中的多余空气，然后进行热固化。
研究总结
为了实现更高的持续电流密度，从而提高电机功率密度，并在高温环境条件下运行，必须研究新材料和制造工艺，以改善电机的冷却效果。
目前用于超高功率密度电机的最先进方法--直接油冷却--与3D-DWHX实现的水-乙二醇冷却方法进行了比较。乙二醇-水3D-DWHX的传热系数比ATF方法高出2.5倍，而压降只有ATF方法的1/5th，因此是一种更高效的冷却方法，可减少整个系统的损耗。
