散熱增強方式探討

圖4-9 增加浸漬漆等效熱傳導係數對暫態溫升影響

定子鐵心與殼體的接觸熱阻是影響溫升很大的關鍵，因為此馬達主要是利用 水套來散熱，而水套做在殼體上，必須能將熱量傳到殼體才能被帶走，因此如果此 處的熱阻過大就會使定子以內的熱量累積，溫升到很高才能達到熱平衡。在馬達熱 傳模型中將接觸熱阻等效為氣隙長度，把原本粗糙表面不均勻的空氣縫隙變成有 一層固定長度的空氣層在介面上，原來馬達模型的定子鐵心與殼體介面的等效氣 隙是0.111mm，會這麼大的原因可能是因為馬達殼體是採用熱套到定子上，但殼體 內有水道，水道的間隔會使殼體對定子的受力不均勻，也就會產生不均勻的變形使 氣隙產生，這方面屬於推測，還未有實驗能確認。

分析等效氣隙從0.111mm 變為 0.06mm 對溫升的影響，圖 4-10 可以看到溫度 從 70℃升到 140℃的時間延長超過一倍，得到的結論就是確實減少這部分的接觸 熱阻可以很有效的降低溫升。

圖4-10 減少定子鐵心與殼體介面等效氣隙對暫態溫升影響

4.2.2 熱對流

熱對流指的就是馬達中流體的熱交換，在本次研究的馬達中具有三個獨立的 流場區域：殼體外空氣、殼體內空氣、水套中的冷卻水。殼體外的空氣為自然對流，

由Motor-CAD 軟體計算自然對流係數；殼體內的空氣可以將轉子的熱帶到定子與 前後蓋，空氣的運動由轉子的旋轉來帶動，因此轉子表面的粗糙度與會產生風阻的 結構都會影響風速，本次分析就以Motor-CAD 中的兩種轉子結構風速倍率設定來 比較，圖4-11 中 1 倍內部風速代表假設轉子表面是平滑下的風速，而 2.3 倍內部 風速則是代表轉子具有一般的扇葉可以使空氣速度變為平滑下的2.3 倍，不同的風 速影響計算出的對流係數，因此在模型中就會使定子、前後蓋與轉子間的熱阻有變 化，從結果來看，增加風速能略微降低溫升，但效果不大，無法與外界熱交換的內 部空氣還是無法對溫升有所改良。

圖4-11 增加內部空氣風速對暫態溫升影響

水套是水冷馬達散熱最重要的部分，因為水的密度、比熱、熱傳導係數、熱對 流係數都比空氣高出很多，可以吸收大量的熱，配合水泵打水就能將高溫水帶出到 散熱器進行降溫，但水泵消耗的能量也當然要計入馬達的損失中，但一般車用馬達 的水泵功耗不算大，約一百瓦上下，只要散熱控制系統對水泵有好的控制就能降低

增加水套的熱傳量有三種方法：增加接觸表面積、增加固體表面與水的溫差、

增加熱對流係數，增加接觸表面積需要修改原來的水道設計，以增加支流或鰭片的 方式來增加面積。而想增加溫差可以將水道設計在更深入高溫區的位置，如定子鐵 心或繞線中，但這樣的方式會影響磁路及增加製造成本，一般只有在大型馬達才有 應用，車用馬達還是多採用殼體水套的方式來散熱，但已有廠商如Tesla Motor 在 轉子軸心中加入水道，使感應馬達中最高溫的轉子能夠降溫，大大提升散熱效果。

熱對流係數則與流速關係較大，可以由公式估算，同流速下還可以靠增加紊流使高 低的流體更快的互相混合，增加對應的熱對流係數，而紊流的強度可以由修改流道 形狀與粗糙度來改變。

在本次分析中調整水流量來觀察溫升的變化，原來1 倍的水流量為 10L/min，

圖4-12 可以看到在水流量變為 0.5 和 2 倍時其實溫升變化不太明顯，只有在變成 0.25 倍時才有明顯增加溫升。另外也嘗試模擬不調整流速，將熱對流係數變為 2 倍 的情況，溫升有略微下降，但也算是沒有太大的改良效果。由此可以判斷當水流量 增加到一定的量後，再增加也對溫升影響不大，但還是可以將改良目標設為降低壓 損，使同樣的水泵能有更高流量來進行改良設計。

圖4-12 改變水流量與熱對流係數對暫態溫升影響

4.2.3 熱輻射

馬達的熱輻射分為內部與外部，內部的熱輻射可以使轉子的熱更容易傳到前 後蓋上，外部殼體表面的熱輻射則使熱傳到環境中。增加熱輻射的方式是增加物體 表面的發射率，發射率與表面狀態有關，在馬達原型的熱傳模型中，外部殼體發射 率使用的是一般鋁材使用的0.2，如果能對馬達的鋁殼進行陽極處理使鋁表面產生 多孔的氧化鋁層就可以使發射率增加到0.8，但圖 4-13 的模擬結果顯示輻射的改良 對降低溫升的效果幾乎沒有，水冷馬達主要還是靠水來帶走熱量，熱輻射的部分不 用特別加強。

圖4-13 增加發射率對暫態溫升影響

4.2.4 散熱增強方式分析小結

以上針對一些散熱增強方式的效果進行分析，將結果統整在表4-2 中，這些增 強方式是否能應用在馬達上還要結合機構設計與加工技術的開發，並考量到馬達 的成本要求，因此本節分析結果不算在本次研究的散熱改良成果中。

表4-2 散熱增強方式對溫升影響之模擬結果統整

熱傳模型 升到140℃時間(sec)

馬達原型 1098

傳導

4 倍浸漬漆等效熱傳導係數 1231 0.54 倍定子鐵心與殼體介面等效氣隙 2513

對流

2 倍水套熱對流係數 1133

2.3 倍內部空氣熱對流係數 1144

輻射 4 倍輻射發射率 1103