驱动电机作为全电飞机关键技术之一，对驱动电机及其冷却系统的质量、散热能力等均有较高的要求，电机的热问题更加突出。因此，如何根据电机工作情况合理地设计冷却系统，对解决电机过热问题具有重要意义。对于全电飞机用驱动电机而言，受工作场合的限制，采用水冷、油冷等优良冷却方式进行散热并不适合全电飞机运行工况。因此，通风冷却方式成为了首选，要充分利用飞机飞行时与空气的高速对流，带走电机产生的热量。

全电动飞机用高功率密度外转子永磁同步电机的损耗主要集中在定子铁心和绕组上，导致传统的强迫风冷方式难以将热量通过机壳、端盖传递到外界。沈阳工业大学的于占洋、胡旭阳等，提出一种基于热管技术的高性能冷却系统，用于解决全电飞机用驱动电机温升过高、质量受限等问题。

图1 外转子SPMSM结构示意图

该冷却系统充分利用热管高导热性能，将热管一端插入定子铁心轭部，另一端连接相应的冷却结构进行散热，并综合对比分析了三种不同散热器结构的散热能力。在此基础上，搭建实验测试平台，对所提出冷却系统的散热能力和平均散热系数进行实验测试。其次，为了提高电机的功率密度，采用单齿铁心绕线工艺，降低了绕组铜耗和质量，并对单齿绕线方式下直流铜耗进行解析建模。

图2 热管与太阳花式散热器示意图

研究人员设计、制作了一台22极24槽全电飞机用外转子表贴式永磁同步电机（SPMSM），测试样机在不同飞行工况下的温升分布情况，来验证所提出冷却系统的有效性。

图3 实验测试装置

图4 不同冷却方式下的电机温升实验测试

他们发现散热器在自然冷却及1.0～1.8m/s风速作用下，散热器表面的平均散热系数分别为10.3和19.6 W/(m2·K)。解决了散热器表面风速不均匀、导致散热系数难以通过理论计算的难题。为了降低绕组铜耗和质量，样机采用单齿铁心绕线方式，并对单齿绕线方式下直流铜耗进行解析建模。绕组线圈平均半匝长度约节省15%～25%，绕组线圈减重0.41～0.67 kg，进一步提高了电机的功率密度。

此外，驱动电机短时冲击过载转矩249 N·m、输出功率60 kW运行2 min，且连续功率9.6 kW运行60 min下，绕组最大温升为107.6 K，可以保证电机安全可靠运行。验证了热管技术在高功率密度驱动电机冷却设计上的优势。研究者指出按照样机的有效材料质量考核，且最大功率运行2 min前提下，所设计全电飞机用驱动电机功率密度大于等于4.24 kW/kg，转矩密度大于等于17.60 N·m/kg。

本工作成果发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“新型强迫风冷散热结构在高功率密度外转子表贴式PMSM上应用分析”。本课题得到辽宁省教育厅高等学校基本科研项目“基于热管技术的高功率密度PMSM温度场建模与传热特性研究”资助的支持。