研究背景
航空航天和採礦等高溫應用正變得非常重要。例如，近年來飛機電氣化已被廣泛研究，以減少燃料消耗。其中一個概念是將主發動機啟動器與渦扇發動機高壓軸上的輔助發電機結合起來。這對電機來說是一個具有挑戰性的運行環境：進入燃燒室的氣體溫度可能超過350°C。
其他可能需要在400°C以上溫度下工作的高環境溫度應用包括井下泵和地熱泵。由於釤鈷永磁和釹鐵硼永磁機器允許較低的溫度和較高的磁通密度，從而減少了總損耗，因此使用外部低溫冷卻劑可提高這類機器的效率。因此，能夠在極高環境溫度下運行的冷卻結構是必須在這些條件下運行的機器的一項有利技術。
以往適用於高溫環境的冷卻系統包括使用工藝流體作為冷卻劑、空氣冷卻和飛機應用中的機油冷卻。然而，與這些最先進的高溫方法相比，乙二醇-水混合物具有更低的泵送損耗和更好的熱性能。
人們採用了各種新方法來改善水或乙二醇-水混合物對電機繞組的冷卻，例如在利茲線中加入冷卻管，以及形成具有集成冷卻通道的繞組。存在由銅製成的槽內直接繞組熱交換器（DWHX）。
不過，由於這種DWHX具有導電性，因此必須與繞組進行電絕緣，而繞組也要對其進行熱絕緣。有人研究了聚合物在3D列印DWHX（3D-DWHX）中的應用，以便用介電材料取代銅DWHX，並實現複雜的流動幾何形狀，如上圖所示的內部迴流特徵。
在DWHX上使用介電材料後，就不再需要槽襯墊或其他額外的絕緣材料來防止DWHX與繞組短路。消除這種絕緣後，熱性能可能會得到改善。然而，之前研究的聚合物三維DWHX無法在高溫下工作，而且導熱率較低，這在熱交換器中是不可取的。
近幾十年來，三維列印技術的發展包括陶瓷的三維列印。陶瓷對高環境溫度熱交換器很有吸引力，因為它們具有高導熱性，並能在極高溫度下保持強度和剛度。
利用三維列印技術創造獨特幾何形狀的能力已被應用於陶瓷熱交換器，以優化兩種流體之間的熱傳遞。然而，在使用陶瓷改善電機熱設計方面還存在知識空白。
陶瓷3d-Dwhx的冷卻劑和材料選擇
假定排熱溫度低於100°C，因此可以在3D-DWHX中使用水混合物作為冷卻劑。不過，在為高溫3D-DWHX選擇材料時，應確保在冷卻系統故障的情況下，3D-DWHX不會熔化或失效。之前的3D-DWHX研究側重於各種高導熱聚合物的熔融長絲製造（FFF）。
然而，由於這些聚合物的玻璃化轉變溫度較低，因此無法在較高的環境溫度下工作。表I將Ceramco公司提供的商用光刻3D列印氧化鋁陶瓷與兩種最先進的高導熱聚合物（聚碳酸酯鋁薄片（PC-AL）複合材料和石墨薄片聚合物複合材料）進行了比較。
三維列印氧化鋁的熱導率和工作溫度明顯更高，而這正是高溫三維-DWHX的有利特性。由於乙二醇-水混合物具有優異的熱性能和低粘度，因此在熱管理方面具有顯著優勢，可替代直接油冷系統。
但是，乙二醇-水混合物具有導電性，因此必須通過3DDWHX將其與繞組隔開。為了將直接油冷與乙二醇-水3DDWHX進行比較，假定在這兩種情況下，冷卻劑的可用流動區域都位於內徑60毫米、外徑100毫米的單槽中相鄰雙層繞組之間的3毫米間隙內。
由於熱交換器的壁厚為0.8毫米，因此3D-DWHX情況下的可用流動截面積較小。熱負荷設定為100W，長度為100mm，入口和出口溫度分別為60°C和65°C。質量流量、壓降和對流傳熱係數是使用市售的體積分數為50%的代拿林丙二醇混合物和完全熱特性自動變速箱油（ATF）的特性計算得出的。
壓降和傳熱計算是利用恆溫邊界條件的相關性和光滑管壁矩形管道中的熱膨脹內流完成的。計算結果見表II。在相同的邊界條件下，乙二醇-水混合物的壓降明顯更小，傳熱係數更高，這表明與直接油冷方法相比，乙二醇-水混合物在傳熱能力方面具有顯著優勢，同時還減少了泵送損失。乙二醇-水DWHX的傳熱係數是ATF方法的2.5倍，而壓降僅為ATF方法的1/5。
陶瓷3D-DWHX的散熱設計
3D-DWHX的設計分多個步驟完成。首先開發了一個平面壁分析模型，該模型考慮了繞組熱負荷的溫度依賴性。然後，利用經驗傳熱相關性評估了幾種流動幾何形狀，以評價對流傳熱的潛在改進。最後，利用計算流體動力學（CFD）模型對設計進行了驗證。
為了評估熱性能，我們製作了一個熱網路模型，以捕捉基本的繞組和3D-DWHX幾何形狀以及對流電阻。如上圖所示，該網路模型可以簡化方法來確定和量化設計中的熱限制部分。3D-DWHX可與任何非重疊的集中繞組配合使用。
設計中使用了雙層繞組。通過直接加入繞組焦耳損耗的溫度相關性，熱網路模型的精度得到了提高。槽中的導體面積可通過繞組高度H（米）和寬度W（米）所定義的矩形區域內的填充係數ϕ計算。
假定H的徑向高度為18毫米，θ的軸向高度為18毫米。3DDWHX的壁厚為0.8毫米，導熱係數為35W/m-K。繞組的有效導熱係數-K，隨包裝係數、分散式繞組與集中式繞組以及導線尺寸而變化。對於具有許多小導體、封裝繞組或Litz線的繞組設計，可以使用均質化方法來計算有效熱導率。
假設使用的是22AWGTEMCo雙層絕緣和CoolthermEP-2000封裝，其電導率為1.9W/m-K，則使用了三部分均勻化方法。在3D-DWHX未佔據的區域，銅填充係數為0.5時，計算得出的封裝繞組有效電導率為4.6W/m-K。
對流傳熱係數假定為1028W/m2-K，這是根據之前對3D-DWHX和油冷卻進行的1000W/m排斥分析得出的。表III顯示了網路結果，表明對流阻力是總熱阻的最大組成部分。這表明，改進陶瓷3D-DWHX的通道設計有很大的好處。
然而，繞組損耗嚴格隨導線平均溫度變化的假設並不一定準確。為了驗證總損耗完全由平均溫度預測的假設，我們在ANSYSMechanical中創建了一個與溫度相關的1-D有限元模型，其幾何形狀與1-D分析模型相同。
熱點與平均溫度（以及總損失）之間的關係非常複雜。如上圖所示，在較寬的電流密度範圍內，該模型的性能良好。在40ARMS/mm2時，一維有限元分析模型與理論模型之間的最大誤差為1.3°C。
改善對流傳熱的微特徵
在流道中添加微特徵是改善對流傳熱的一種常見策略，以前曾用於電機中的直接繞組熱交換器。然而，一個必須權衡的重要問題是這種方法需要考慮的問題是壓降的增加，因此系統中的泵送損耗也會增加。
由於在電流密度不變的情況下，降低繞組溫度也會降低機器的損耗，因此在利用幾何形狀改善對流的同時也會增加泵送損耗，這兩者之間存在著複雜的系統級權衡。節省的功率通過降低繞組溫度，從而降低繞組可將增加的泵送損耗抵消的損耗作為優化目標。
我們考慮了四種不同的微特徵幾何結構：恆定截面直翅片、錐形直翅片、內嵌式圓針翅片陣列和交錯式圓針翅片陣列。這些幾何圖形如上圖所示。
我們使用了一個簡單的基線作為參考：一個沒有添加微特徵的矩形管道。分析這種情況時，基線電流密度為40ARMS/mm2，每個熱交換器的流速為1.28升/分鐘。對於直翅片情況，參數掃描中的變數包括流速、分割數（垂直於流動方向的翅片數量）和三種不同的翅片厚度。
對於針翅片情況，變數為流速和針翅片直徑。垂直和縱向的間距選擇為翅片直徑的2倍。為便於比較，上圖顯示了節省功率目標的等值線圖。在分度數較低的直翅式情況下，有很大的流量範圍可以達到接近最大值。
在分度數較高的情況下，由於液壓直徑較小，對流量的敏感度較高，導致壓降增大，降低繞組溫度的收益遞減。通過對每種拓撲結構的參數掃描，可節省的最大功率值如表IV所示。
選擇直翅片作為微特徵幾何形狀，是因為這種設計實現了2nd最高的凈功率節省，而且與錐形翅片設計相比，3D列印的難度較低。
為了驗證經驗模型計算出的傳熱係數，我們創建了ANSYSFluentCFD模型。換熱器中心線被用作對稱邊界。湍流模型用於捕捉翅片造成的擾動周圍的湍流特徵。50%丙二醇混合物的入口流速為0.39升/分鐘，入口壓力為4.53千帕。
在壁面上使用了恆定熱通量邊界條件，該邊界條件可對必須剔除的正確繞組損耗進行積分。根據迭代最終實施的簡化設計的一個變化是，在底部通道中，平行於流動方向的部分翅片被移除，形成了兩排（分部）九個平行於流動方向的翅片。這一改變有助於實現更均勻的流動分布。由此得出的局部傳熱係數如上圖所示。
CFD模型包括入口和出口區域的管道連接，為清晰起見，圖中未顯示。為了驗證之前利用經驗相關性進行的分析優化，將CFD結果與所使用的經驗相關性進行了比較，後者適用於矩形管道中的流動；這是對帶有開放空間的最終設計的近似值。
MOTORETTE測試3D-DW
電機熱管理的許多方面都可以通過小規模試驗進行測試，而不需要整個電機甚至整個定子。封裝和其他繞組熱管理技術可通過直流電流模擬全繞組損耗的一個或多個槽的電機測試進行充分測試。
繞組的行為是電機熱管理中的一個重要不確定因素，因此也是擬議測試的目標。繞組的各向異性使得在沒有實驗驗證的情況下很難建立熱建模，而永磁體和疊片的熱特性則比較容易理解。
氧化鋁陶瓷3D-DWHX原型是採用光刻工藝3D列印而成，具有內部直翅片微特徵。原型如上圖所示。
我們選擇了一台12槽10極機器的定子作為電機設計的基礎。定子的基本尺寸見表VI。3D-DWHX設計用於在針式繞線機留下的間隙中安裝相鄰的雙層集中繞組。
上圖所示的電機測試基礎旨在驗證陶瓷3D-DWHX的基本性能特徵，並測試與兩個相鄰線圈實現良好熱接觸有關的主要集成問題。
因此，它使用的是傳統材料，無法在極端環境溫度下進行測試，而陶瓷3D-DWHX則可以在極端環境溫度下運行。為了減少測試中的邊緣效應，我們在Motorette中安裝了兩個線圈和三個熱交換器，以實現圍繞中心陶瓷3D-DWHX的對稱性。發動機由154塊激光切割的0.47毫米厚的硅電工鋼製成。
這兩個線圈是手工繞制的，使用了100匝TEMCoMW0179AWG22磁導線。在繞組所佔區域（不包括3D-DWHX），銅填充係數為45.5%。
為了使繞組與槽絕緣，使用了0.178毫米厚的Nomex410作為槽襯，但僅限於繞組會直接接觸定子鐵的區域。在繞組時，插入塑料夾具，為稍後插入3D-DWHX提供間隙，因此不需要縫合繞組。
電機的繞線過程與針式繞線類似，導線必須從槽口滑入。繞線時，在圖中所示的關鍵位置插入了幾個36AWG的K型熱電偶。出於降低風險和成本的考慮，第一次測試只使用了一個陶瓷三維-DWHX。中間的3D-DWHX是氧化鋁陶瓷，而外面的兩個3D-DWHX是聚碳酸酯鋁薄片複合材料（PCAL），其特性見表I。
因此，混合材料馬達可以保守地估算出陶瓷3D-DWHX可以達到的電流密度。
上圖顯示了繞線完成並插入一個PC-AL3D-DWHX後的電機。中心槽的夾具已拆除，留下T形間隙供插入陶瓷3D-DWHX使用，而左側的夾具仍在原位。由於背鐵和3D-DWHX頂部之間的間隙非常小，封裝劑很難滲入。
為了降低該界面的熱接觸電阻，在插入之前，在3D-DWHX頂部表面塗抹了導熱係數為0.73W/m-K的Wakefield120-8硅膠熱界面材料。
由於PC-AL材料無法承受之前研究的CoolthermEP2000所需的固化時間，因此本次測試選擇了DOWSIL3-8624作為封裝材料，其導熱係數為0.35W/m-K，粘度相對較低，為3350mPa-s。
這種封裝材料是硅基的，只需要70°C的熱固化，但可以承受200°C的溫度。使用三部分均質化方法，預測這種封裝劑的繞組有效熱導率為0.86W/m-K。插入所有3D-DWHX後，注入硅膠封裝劑，然後將整個組件放入真空烘箱中，以去除組件中的多餘空氣，然後進行熱固化。
研究總結
為了實現更高的持續電流密度，從而提高電機功率密度，並在高溫環境條件下運行，必須研究新材料和製造工藝，以改善電機的冷卻效果。
目前用於超高功率密度電機的最先進方法--直接油冷卻--與3D-DWHX實現的水-乙二醇冷卻方法進行了比較。乙二醇-水3D-DWHX的傳熱係數比ATF方法高出2.5倍，而壓降只有ATF方法的1/5th，因此是一種更高效的冷卻方法，可減少整個系統的損耗。
