航空工业正经历着一场深刻的电气化变革。从混合动力推进系统到全电动飞机，再到“更多电”发动机的提出，电气设备在航空推进系统中的作用越来越重要。在“更多电”发动机中，一个或多个电机与发动机的轴或转子相连，这些电机不仅可以为发动机和飞机系统发电，还能辅助发动机启动，并在轴之间传递机械功率，以改善发动机的可操作性。这种高度电气化的设计带来了诸多优势，但同时也带来了严峻的热管理挑战。

在航空应用中，重量是一个至关重要的因素，它直接影响飞机及其推进系统的性能。因此，尽可能减轻电机和相关电力电子设备的重量成为了一个关键的设计目标。为了实现这一目标，电机和为其供电或接收其电能的电力电子转换器在设计上正变得越来越集成。这种集成设计有望减少组件封装的重量，同时缩短组件之间的电缆长度。然而，集成化设计也意味着更多的热源被集中在一个相对狭小的空间内，特别是电力电子转换器在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地将这些热量散发出去，将会严重影响系统的性能和可靠性。

传统的冷却技术，如液体冷却或空气冷却，虽然在一定程度上能够满足冷却需求，但它们往往需要额外的冷却回路、泵、管道等组件，这不仅增加了系统的重量和复杂性，还可能带来冷却液泄漏等可靠性问题。因此，在航空这种对重量和可靠性要求极高的应用场景中，迫切需要一种更高效、更紧凑、重量更轻的冷却解决方案。

在传统的电机设计中，磁场的设计重点在于尽可能地将磁通量限制在电机内部，以最大化扭矩的产生(对于电动机)或电能的生成(对于发电机)。然而，无论设计得多么精良，总会有一部分磁通量泄漏到电机外部，这部分磁通量被称为“stray flux”(杂散磁通)。在传统观念中，stray flux被视为一种能量损失，因为它不能为电机的主要功能做出贡献，反而可能对周围的电子设备产生干扰。

对于永磁体而言，由于其通常面向电机内部且远离边缘，产生的stray flux通常非常少。然而，定子绕组，尤其是其端部绕组，由于其结构特点，边缘更为暴露，因此产生的stray flux要大得多。以径向磁通电机为例，定子的端部绕组通常沿轴向延伸，在其周围区域会产生明显的stray flux。这部分原本被视为“浪费”的stray flux，在传统技术中并未得到有效利用，反而成为了一种需要克服的负面因素。

与此同时，电力电子转换器的冷却问题也面临着严峻挑战。随着转换器开关频率的提高和功率密度的增加，其产生的热量也越来越多。传统的冷却系统，如独立的液体冷却回路，虽然能够提供一定的冷却能力，但需要额外的泵、管道和散热器等组件，这不仅增加了系统的重量和体积，还降低了系统的可靠性。此外，独立的冷却系统还需要占用宝贵的空间，这在航空应用中是非常不利的。

更重要的是，传统冷却系统与电机系统之间缺乏有效的协同作用。冷却系统的性能往往不能随着电机工作状态的变化而自动调整，当电机负载增加、产生更多热量时，冷却系统可能无法及时做出响应，导致系统温度升高，性能下降。反之，当电机负载较低时，冷却系统可能又处于过度冷却的状态，造成能量的浪费。

为了解决上述问题，本文提出了一种创新的集成电机与电力电子转换器解决方案，其核心在于巧妙地利用了stray flux，并将其与磁热效应(Magnetocaloric Effect, MCE)相结合，构建了一个高效的冷却系统。这种解决方案不仅充分利用了原本被浪费的stray flux，还实现了冷却系统与电机系统之间的协同作用，大大提高了系统的整体性能和效率。

本解决方案的核心在于将MCE材料与电力电子转换器进行热接触，并将其放置在电机绕组或永磁体附近，使得电机工作时产生的stray flux能够穿过MCE材料，从而激活其磁热效应。具体而言，集成系统主要包括以下几个关键部分：一台包含一个或多个绕组的电机、一个用于向电机绕组供电或从绕组接收电能的电力电子转换器、与转换器热接触的MCE材料，以及一个用于从MCE材料移除热量的散热器。

当电机工作时，无论是作为电动机还是发电机，其绕组中的电流都会产生磁场。大部分磁通量被限制在电机内部，用于产生扭矩或感应电流，但仍有一部分stray flux泄漏到电机外部并穿过MCE材料。由于MCE材料具有磁热效应，当stray flux穿过时，材料内部的磁偶极子会发生排列，导致其热容量发生变化，从而产生温度变化。这种温度变化在交变磁场的作用下形成一个循环的磁制冷过程，从而将转换器产生的热量从转换器传递到MCE材料，再通过散热器将热量带走。

以图1所示的磁制冷循环为例，当stray flux(+H)穿过MCE材料时，材料的磁偶极子会沿磁场线排列，导致磁熵减少，热容量下降，温度从T升高到T+ΔT。由于MCE材料与散热器(如初级冷却系统)热接触，热量(Q)被带走，材料温度恢复到T。随后，由于绕组中的电流是交流电，stray flux密度迅速从最大值降至零，此时MCE材料中的磁偶极子排列再次变得随机，熵增加，热容量上升，温度从T降至T-ΔT。与此同时，转换器的半导体开关模块由于电阻和开关动作产生热量，温度升高，与MCE材料之间形成温度梯度，热量从转换器流向MCE材料，使其温度从T-ΔT回升到T。如此循环往复，实现对转换器的持续冷却。

图1 磁制冷循环流程图

MCE材料的选择是该解决方案的关键之一。实验表明，钆(Gadolinium)及其合金是非常理想的MCE材料，此外，钕镍合金(PrNi₅)等材料也具有良好的磁热效应。在本解决方案中，MCE材料可以采用连续体的形式，例如一个连续的片状结构，围绕电力电子转换器的整个周边(如内周或外周)延伸。这种设计可以提高从电力电子设备到MCE材料以及从MCE材料到散热器的热传递速率，同时增加MCE材料的热质量。

为了最大限度地利用stray flux，MCE材料的布置位置至关重要。研究发现，在电机的端部绕组附近，stray flux的密度最高。因此，将MCE材料放置在端部绕组附近可以获得最显著的磁制冷效果。具体而言，端部绕组和MCE材料可以位于电机的轴向端，端部绕组沿轴向延伸，MCE材料则轴向设置在电机的第一端与电力电子转换器之间。这种布置方式不仅能够充分利用高强度的stray flux，还能实现系统的紧凑设计。

此外，MCE材料应与电力电子转换器的半导体开关模块紧密接触，以提高热传递效率。例如，MCE材料可以邻接一个或多个半导体开关模块，确保热量能够快速从转换器传递到MCE材料。在一些设计中，电力电子转换器具有环形横截面，相应地，MCE材料也可以设计成环形横截面，以实现更好的热接触和更均匀的热分布。

为了进一步提高系统的效率和可靠性，本解决方案将MCE冷却系统与电机的初级冷却系统进行了集成。初级冷却系统主要用于冷却电机本身，而MCE冷却系统则作为次级冷却系统，用于冷却电力电子转换器。通过将这两个冷却系统集成在一起，可以省去次级冷却系统独立的流体回路，从而减少管道和泵送组件的数量，降低系统的整体重量。

具体而言，初级冷却系统可以包括一个或多个导管，用于输送与电机热接触的冷却流体。散热器被设计成将从MCE材料移除的热量传递到初级冷却系统的冷却流体中。例如，冷却系统可以包括一个冷却套，围绕电机的至少一部分，并包含用于输送冷却流体的导管。MCE材料可以与冷却套的外壁接触，或者通过中间传热元件(如高表面积换热器或导热胶)与初级冷却系统相连，从而将热量传递给冷却流体。

这种集成设计不仅减少了系统的重量和复杂性，还提高了系统的可靠性，因为减少了运动部件和潜在的冷却液泄漏点。同时，由于冷却流体同时带走电机和转换器的热量，系统的热管理更加高效和协调。

为了实现stray flux的有效利用和冷却系统的高效运行，电机与电力电子转换器的集成架构也进行了优化设计。在本解决方案中，电机和转换器可以设置在一个公共外壳内，或者电机的外壳与转换器的外壳在结构上相连。这种结构集成可以减少整个装置的质量，并提高系统组装的便利性。

以图2所示的集成装置为例，该装置设置在一个外壳11内，包括容纳电机的电机外壳12和容纳转换器的转换器外壳13。转换器外壳13位于电机外壳12的一个轴向端，并通过紧固件与电机外壳12结构连接。这种设计不仅实现了电机与转换器的紧凑集成，还为MCE材料的布置和冷却系统的集成提供了空间基础。

图2 集成电机与电力电子转换器的透视图

电力电子转换器可以采用各种适合的类型，例如三相双向(AC-DC/DC-AC)转换器，采用宽禁带(WGB)半导体开关模块(如碳化硅开关模块)的H桥配置。转换器的半导体开关模块可以沿中心轴周向排列，该中心轴与电机的旋转轴对齐，从而实现特别紧凑和集成的设计。

本解决方案的一个重要优势在于其能够产生协同效应，从而进一步提高系统的性能。当电力电子转换器被冷却时，其效率会提高，这意味着更少的能量以热量的形式损失，更多的能量可以被用于驱动电机或产生电能。这种效率的提升可以转化为更高的电流供应到电机绕组。

以电动机模式为例，转换器效率的提高使其能够向电机绕组提供更高的电流。更高的电流会产生更强的磁场，包括更高的stray flux。而更高的stray flux又会增强MCE材料的磁热效应，从而提高冷却能力，进一步降低转换器的温度，形成一个良性循环。这种协同效应是传统MCE冷却系统所不具备的，因为传统系统中MCE材料的激活通常不使用stray flux，而是使用专门用于MCE冷却的独立磁通量源。

这种协同效应带来的性能提升是显著的。一方面，它可以提高电机的功率密度，使得在相同的体积和重量下，电机能够输出更大的功率。另一方面，它可以降低系统的整体温度，提高组件的可靠性和使用寿命。此外，由于减少了对独立冷却系统的需求，系统的重量和复杂性也大大降低，这对于航空应用来说尤为重要。

本解决方案不仅适用于航空领域的电机与电力电子转换器集成系统，还可以广泛应用于其他需要高效热管理的场合。以下是几个典型的应用场景：

可以集成到燃气涡轮发动机中，作为其电气系统的一部分。电机的转子可以机械地连接到燃气涡轮发动机的轴(例如轴或转子)，从而实现发动机的电动启动、发电以及轴间功率传递等功能。同时，MCE冷却系统可以有效地冷却电机和相关的电力电子转换器，提高整个发动机系统的效率和可靠性。

无论是混合动力推进系统还是全电动推进系统，本解决方案都能发挥重要作用。在混合动力系统中，如图3所示，电机与发动机和电池组一起工作，为螺旋桨提供动力。MCE冷却系统可以确保电机和转换器在各种工作条件下都能高效运行。在全电动推进系统中，如图4所示，电池组通过转换器向电机供电，MCE冷却系统对于保证电机和转换器的长期可靠运行至关重要。

图3 混合电动飞机推进系统示意图

图4 全电动飞机推进系统示意图

APU用于为车辆(如飞机)提供辅助动力，本解决方案可以集成到APU中，为其电气系统提供高效的冷却。这不仅可以提高APU的性能，还可以减少其重量和体积，使其更适合安装在空间有限的车辆中。

除了航空领域，还可以应用于汽车、船舶和陆基等其他领域。例如，在电动汽车中，它可以用于冷却驱动电机和逆变器，提高车辆的续航里程和性能。在船舶和陆基工业设备中，它可以提高电力驱动系统的效率和可靠性，降低维护成本。

本文提出的解决方案为电机与电力电子转换器的集成设计提供了一种创新的热管理思路，有望在航空和其他领域带来显著的技术进步和性能提升。随着相关技术的不断完善和应用的不断拓展，这一解决方案有望在未来的电力驱动系统中发挥越来越重要的作用。

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