電機(jī)作為多物理場(chǎng)、強(qiáng)耦合的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)換效率并不是百分之百，在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程中會(huì)損失一部分能量，這些損失的能量絕大部分轉(zhuǎn)換為熱能引起電機(jī)發(fā)熱。電機(jī)內(nèi)部的損耗主要由繞組線圈的電阻、磁性材料的磁阻和電機(jī)各部件間的機(jī)械摩擦造成，主要包含繞組銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵耗和機(jī)械損耗三部分。電機(jī)繞組、定子和機(jī)殼等關(guān)鍵部件的接觸面之間存在絕緣漆、絕緣紙和空氣等熱導(dǎo)率極低的材料，增加了電機(jī)各部件間的接觸熱阻，極大地降低了電機(jī)關(guān)鍵部件的散熱效率。永磁同步電機(jī)內(nèi)部熱路如圖1所示，電機(jī)內(nèi)部的關(guān)鍵發(fā)熱部件與機(jī)殼之間的傳熱路徑長(zhǎng)、接觸熱阻大,電機(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳遞至外部，引起電機(jī)內(nèi)部溫度升高。電機(jī)溫升過(guò)高將嚴(yán)重威脅電機(jī)絕緣壽命、運(yùn)行效率和可靠性。電機(jī)內(nèi)部溫升過(guò)高不僅會(huì)縮短電機(jī)內(nèi)部絕緣材料的壽命，而且會(huì)降低電機(jī)的運(yùn)行效率，使得發(fā)熱量增加，造成電機(jī)溫度進(jìn)一步上升，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重影響電機(jī)壽命和電機(jī)運(yùn)行的安全性風(fēng)冷散熱系統(tǒng)憑借成本低、可靠性高和安裝方便等優(yōu)勢(shì)在小功率電機(jī)散熱領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)通常在機(jī)殼表面設(shè)計(jì)翅片以增加換熱面積、提高散熱效率，具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低廉和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在小功率密度電機(jī)散熱領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)可以根據(jù)是否采用額外的增強(qiáng)空氣流動(dòng)的裝置分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷。自然風(fēng)冷不需要額外的動(dòng)力裝置，僅僅通過(guò)機(jī)殼與周圍空氣的自然對(duì)流進(jìn)行熱交換。強(qiáng)迫風(fēng)冷通常利用風(fēng)扇系統(tǒng)加強(qiáng)電機(jī)與外部空氣的熱交換，額外的風(fēng)扇系統(tǒng)提高了電機(jī)的散熱效率，但也在一定程度上增加了電機(jī)系統(tǒng)的電力消耗和噪聲。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的分類依據(jù)及分類情況。根據(jù)氣流的流動(dòng)路徑可以將強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)分為外部通風(fēng)和內(nèi)部通風(fēng)兩大類：外部通風(fēng)散熱系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)冷卻氣流在機(jī)殼外表面流動(dòng)，達(dá)到冷卻電機(jī)的目的；內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)利用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣流從入風(fēng)口進(jìn)入，沿電機(jī)內(nèi)部的氣流通道對(duì)電機(jī)各部件進(jìn)行冷卻后再?gòu)某鲲L(fēng)口流出。根據(jù)冷卻氣流在電機(jī)內(nèi)部流動(dòng)路徑可以將其分為軸向式、徑向式和徑軸混合通風(fēng)三種形式。根據(jù)電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路和外部風(fēng)路是否連通，可以將強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)分為開啟式和封閉式系統(tǒng)。開啟式強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的內(nèi)外風(fēng)路連通，外部空氣可以進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部直接進(jìn)行熱交換，具有較高的散熱效率；但是空氣中的灰塵容易進(jìn)入電機(jī)，因此需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行定期清理。封閉式強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)可以有效避免灰塵進(jìn)入電機(jī)，依靠電機(jī)內(nèi)部的同軸風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣流將熱量傳遞至機(jī)殼，然后與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換，此外，也可以根據(jù)風(fēng)扇的安裝位置分為被動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷和主動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷。被動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷是將葉片安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)軸上，葉片跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生氣流以強(qiáng)化電機(jī)散熱。被動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的冷卻流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正相關(guān)關(guān)系，在低轉(zhuǎn)速、高負(fù)載工況下易出現(xiàn)冷卻風(fēng)量不足的問(wèn)題。主動(dòng)式強(qiáng)迫風(fēng)冷是在電機(jī)的外部設(shè)置獨(dú)立的風(fēng)扇系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行散熱，冷卻氣流的流量和流速與電機(jī)工作狀況無(wú)關(guān)，可以始終保持較高的冷卻效率。自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，適用于電機(jī)發(fā)熱量較小、電機(jī)可靠性要求較高、電機(jī)工作環(huán)境通風(fēng)良好的散熱場(chǎng)合。機(jī)殼表面的散熱筋、散熱翅片結(jié)構(gòu)可以有效提高自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率。自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率與機(jī)殼表面翅片面積、翅片高度和機(jī)殼表面的輻射率正相關(guān)，這些因素對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率也同樣具有增強(qiáng)作用。封閉式外通風(fēng)散熱電機(jī)由于外部空氣直接進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部進(jìn)行冷卻，因此每三年需要拆卸電機(jī)進(jìn)行清理，并且高轉(zhuǎn)速工況下的電機(jī)噪聲較大。開啟式散熱系統(tǒng)的散熱效率較封閉式散熱系統(tǒng)高，但是噪聲較大、需要定期清理的不足限制了開啟式風(fēng)冷散熱系統(tǒng)電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。封閉式風(fēng)冷散熱系統(tǒng)具有相互獨(dú)立的內(nèi)部風(fēng)道與外部風(fēng)道，可以有效阻止污染物進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，逐漸取代開啟式散熱系統(tǒng)得到了應(yīng)用與發(fā)展。

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)也可以滿足大功率電機(jī)的散熱需求，但是往往需要采用多個(gè)風(fēng)扇并復(fù)合大體積的翅片式散熱器。有外部風(fēng)機(jī)的流程特性和效率曲線，確定了外部風(fēng)扇的最佳運(yùn)行點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上探討了冷卻器結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)的影響，并通過(guò)優(yōu)化冷卻器結(jié)構(gòu)提高了冷卻效率。對(duì)于電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，該散熱系統(tǒng)主要包括一個(gè)離心風(fēng)扇、兩個(gè)軸端風(fēng)扇和一個(gè)具有冷卻管的熱交換器，通過(guò)調(diào)整散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計(jì)具有導(dǎo)向葉片的高效熱交換器和優(yōu)化兩個(gè)軸端風(fēng)扇距離等方法來(lái)提高該風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的效率，成功降低電機(jī)溫升約6℃。常見高壓電機(jī)的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，該散熱系統(tǒng)同時(shí)采用外部通風(fēng)和內(nèi)部通風(fēng)，研究了扇葉偏轉(zhuǎn)角和出口角對(duì)風(fēng)扇系統(tǒng)散熱效率的影響，通過(guò)優(yōu)化扇葉傾角提高外部風(fēng)扇冷卻效率約1.16%，增大出口流量0.08m3/s?？諝馐秋L(fēng)冷散熱系統(tǒng)最常用的冷卻介質(zhì)，此外，還可以采用氫氣和氦氣對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。采用氦氣對(duì)高溫氣冷堆電機(jī)進(jìn)行冷卻，對(duì)高壓電機(jī)仿真結(jié)果表明氦氣的初始溫度顯著影響電機(jī)的溫升。氦氣和氫氣的熱導(dǎo)率是空氣的6～7倍，因此相同的氣體溫度和流速情況下，氦氣、氫氣冷卻的散熱效率可以達(dá)到空氣的1.3～1.5倍。同時(shí)，氫氣和氦氣的密度只有空氣的1/14～1/7，因此采用氫氣、氦氣代替空氣可以顯著減小冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)損耗和風(fēng)摩損耗。然而，氫氣和氦氣高昂的價(jià)格、復(fù)雜的儲(chǔ)存供應(yīng)系統(tǒng)限制了氫氣、氦氣冷卻系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。此外，氫氣冷卻系統(tǒng)需要?dú)錃饧兌炔恍∮?6%和安全可靠的密封防爆系統(tǒng)，這進(jìn)一步限制了氫氣冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，氫氣、氦氣冷卻系統(tǒng)多應(yīng)用于大功率發(fā)電機(jī)、高溫反應(yīng)堆等特殊場(chǎng)合。自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的傳熱系數(shù)只有2～25W/(m2·K)，而強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的傳熱系數(shù)可達(dá)20～300W/(m2·K)。風(fēng)扇系統(tǒng)雖然在一定程度上增加了系統(tǒng)的噪聲和能耗，但是可以顯著提高電機(jī)的冷卻效率，提高磁性材料的利用率。因此，相對(duì)于采用自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的電機(jī)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的電機(jī)往往具有較小的質(zhì)量和較高的功率密度。內(nèi)部通風(fēng)散熱系統(tǒng)的冷卻氣流與電機(jī)發(fā)熱部件直接接觸，其冷卻效率顯著高于外部通風(fēng)散熱系統(tǒng)。同時(shí)，封閉式散熱系統(tǒng)可以有效避免污染物進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，降低電機(jī)維護(hù)成本。封閉式內(nèi)通風(fēng)散熱系統(tǒng)兼具散熱效率高和維護(hù)成本低的優(yōu)勢(shì)，逐漸取代開啟式散熱系統(tǒng)而得到了廣泛的應(yīng)用。值得注意的是，采用自然風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和封閉式外通風(fēng)散熱系統(tǒng)的電機(jī)內(nèi)部不存在高速流動(dòng)的冷卻氣流，電機(jī)內(nèi)部熱交換效率極低，因此在電機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵發(fā)熱部件與機(jī)殼之間構(gòu)建高效熱路是提高電機(jī)散熱效率的關(guān)鍵。近年來(lái)，逐漸出現(xiàn)了在電機(jī)機(jī)殼與端部繞組之間灌封導(dǎo)熱材料的方案。導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率是空氣熱導(dǎo)率的幾十倍至幾千倍，可以顯著改善端部繞組的散熱環(huán)境，抑制繞組溫升，提高電機(jī)散熱效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、安裝維護(hù)方便和可靠性高等優(yōu)勢(shì)，然而較低的散熱效率決定了風(fēng)冷散熱系統(tǒng)只能應(yīng)用于功率密度偏低的電機(jī)。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的冷卻效率