基于半导体制冷的电机和轴承散热系统研究

路凯华，何立东，闫 安,张翼鹏

( 北京化工大学 北京市高端装备健康监控与自愈化重点实验室，北京100029 )

基于半导体制冷的电机和轴承散热系统研究

路凯华，何立东，闫 安,张翼鹏

( 北京化工大学 北京市高端装备健康监控与自愈化重点实验室，北京100029 )

针对电机和轴承系统工作过程中因温度过高影响正常工作，提出一种半导体制冷系统用于电机和轴承系统的降温。基于电机和轴承系统设计了一种半导体制冷系统，对其运行状态下的降温效果进行了实验研究。实验结果表明，该半导体制冷系统对电机有较好的冷却效果;电机半导体制冷比水冷具有更好的冷却效果，安装四个制冷片的温度降幅可达40.2%，电机温升非常缓慢；滑动轴承安装一个制冷片时温度稳定在20℃左右，降幅达39.4%，安装两个制冷片时温度稳定在18℃左右，降幅为45.5%。

电机；轴承；半导体制冷；温度

Abstract：In response to the situation where the operation of motor and bearing system may be affected due to high temperature,a semiconductor cooling system is devised to lower the temperature of the motor and bearing system.A semiconductor cooling system is designed for fan motors and rotor test-platform sliding bearings, and how its operation controls the rise of temperature gets experimentally investigated.The result shows that it is fairly effective in lowering the temperature of both motors and sliding bearings;the more coolers it has,the more effective in cooling;the effect of the semiconductor cooling system on motors is much better than that of hydrocooling,registering a 40.2% decrease of temperature with four coolers,the temperature of the motor rising slowly;the temperature of sliding bearing with one cooler and two coolers keeps stable at 20℃ and 18℃,a decrease of 39.4% and 45.5%,respectively.

Keywords：Motors；Bearings；Semiconductor cooling；Temperature

1 引言

电机作为旋转机械的动力装置，其工作性能的好坏直接影响工业生产的质量和效率，现代旋转机械向着大型化、高转速发展，对电机的工作状况提出了更高的要求。根据经验，电机过热会产生绝缘失效，磁体失效等一系列问题，。电机的冷却介质有空气、水、油、氟利昂等形式[1]，对大功率、小体积或高速电机的冷却多采用循环水或油冷却，这些冷却方式伴随着电机冷却外壳的设计，使得电机系统显得庞大复杂，冷却能力有限。

半导体制冷(Semiconductor Refrigeration)有制冷迅速、绿色环保、体积小、无噪音、低振动，坚固可靠，稳定性好等一系列优点，符合绿色环保要求，对国民经济可持续发展具有重要的战略意义[2]。近年来主要应用在国防，工农业，医疗卫生等方面，尤其适用于制冷量不大，又要求装置小型化的场合。目前国内外研究重点主要针对制冷器本身热电材料特性的优化[3]，在现有材料的条件下不断提高半导体制冷材料的优值系数就成为了主攻的方向[4-6]。

鉴于半导体制冷的优势，考虑将其应用到机械领域中电机的散热。本文在阐述半导体制冷原理和热端散热方式的基础上，设计了基于风扇电机的半导体制冷系统，对其运行状态下的降温效果进行了实验研究，为电机冷却提供一种新技术。

2 半导体制冷原理

电制冷(TEC)又被称为温差电制冷，由于目前热电制冷采用的材料基本都是半导体材料，因此热电制冷也被称为半导体制冷(Semiconductor Refrigeration)[7]。半导体材料具有热电能量转换的特性，当通直流电时热量从材料的一端到达另一端而产生制冷效果。半导体制冷是基于傅里叶效应、焦耳效应、塞贝克效应、汤姆逊效应和帕尔贴效应五种热电效应基础上的新型制冷技术[8]。

半导体制冷原理：如图1所示，两种不同的半导体材料串联成电偶，组成P-N结，当直流电通过时，由于存在温差效应，电偶两端吸出和放出热量，将电能转化为热能。冷端电流方向是N→P,吸热制冷；热端电流方向是P→N,放热升温。

图1 半导体制冷原理

3 半导体制冷装置热端的散热方式

半导体制冷效率受到热端散热效果的影响[9]。半导体制冷装置在实际使用时冷端贴在被冷却物体上吸热，热量传到热端必须及时散发出去才能维持其正常工作。系统工作时，制冷片冷、热端面的散热密度可以达到104W/m2，因此系统的有效运行强烈依赖冷、热两端热传递性能的好坏[7]。

制冷片紧贴被冷却物体表面，设从热源吸收的热量(制冷量)为Q1，制冷片热端的散热量为Q2，系统消耗的电能为W。要保证制冷装置的正常工作显然有：

Q2=Q1+W

(1)

制冷装置的效率：

(2)

所以有：

(3)

由式(3)知，热端散热量是制冷量的(1+1/ε)倍，因此要想保证制冷装置的高效率工作，必须保证良好的热端散热。

目前常见的热端散热方式有：

(1)空气自然对流换热

空气自然对流换热如图2所示，一般在半导体制冷片热端装上一定形式的散热片，增加散热面积。空气自然对流换热的换热系数约为3～6W/(m2·K)，适合功率比较小的半导体制冷器热端散热。

图2 热端空气自然对流换热示意图

(2)空气强迫对流换热

一种典型的强迫对流换热形式如图3所示，是在空气自然对流换热的基础上加装轴流风扇强迫空气轴向湍流，大大增加了散热片和空气的对流换热系数，同样的散热片面积下，单位时间的散热量明显增加，散热系数一般为26～30W/(m2·K)。

图3 热端空气强迫对流换热示意图

图4 热端水冷散热示意图

(3)水冷散热

如图4，水冷散热是利用循环水对半导体制冷器热端进行散热。水冷散热效率是空气自然对流换热的100-1000倍，热端布置不需要散热片和风扇，一般用水箱和散热片直接接触，热端热量由循环水带走进入散热水排，热量在散热水排中散发掉。相同的热端负荷下，水冷散热的体积远小于强制对流换热。但是水冷换热一般附属散热设备较多，外部结构布置较复杂，适用于散热处结构限制少或者热端负荷较大的半导体制冷设备。在换热水箱里可以增加内部翅片以增加湍流程度增强换热效果。

(4)相变散热

相变散热的原理是利用物质的汽化潜热或者是熔化潜热两种潜热进行热量交换。当介质吸收热端热量达到熔点或者沸点时发生相变吸收热量。一般是选用有机物作为相变散热的介质。相变散热适用于间歇性工作的半导体制冷器。

4 实验研究

4.1 电机升温实验

4.1.1 实验装置介绍

本实验所用电机为一台额定功率为60W的风扇电机，额定转速1150r/min。半导体制冷系统搭建所用组件的型号和数量列于表1。

表1 制冷系统所用组件型号及数量

名称型号数量半导体制冷片TEC1-127053红外测温仪HT-8661直流电源S-360-121微型离心泵DC30A-12304水冷交换器F4040A4水排散热器R120A4硅脂HY5101硅胶管内径8mm，外径10mm若干

电机在工作过程中由于散热性能不佳而温升很快，考虑到电机工作过程中产热量较大，本实验中我们采用热端水冷散热方式，以期获得良好的电机散热效果。实验装置示意图如图5所示，在制冷片两端均匀涂抹一层导热硅脂，其作用是填充电机被冷却端面与散热片之间的空隙并传导热量。冷端紧贴电机端部，热端紧贴散热水箱，冷却水通过泵进入水箱将制冷片热端热量带走，随后冷却水进入散热水排将热量耗散。

图5 电机实验装置示意图

4.1.2 实验结果分析

分别对电机安装一个、两个、三个、四个制冷片的温升进行了测量，为了对比制冷效果，还测量了电机直接安装四个水箱进行水冷工况下的温升。

电机上安装一个、两个、三个、四个制冷片的的制冷片布置情况以及安装四个水箱的布置情况如图6所示。

图6 装置布置情况

用红外测温仪分别对电机在一档转速和三档转速工作状态下，电机不装制冷片，装一个制冷片、两个制冷片、三个制冷片、四个制冷片、四个水箱水冷的工作温度变化进行测量，每分钟测量一次电机温度，每次测量取两个值后求平均值。由于电机升温较快，为了保护电机，一档转速下测量了前二十分钟的温升，三挡转速下测量了前十五分钟的温升；电机温度T随时间t变化曲线如图7所示。

从图7的电机温升曲线看出，电机在不安装半导体制冷系统工作时温度上升较快，一档转速工作20 min时温度达到了83.8℃，三档转速工作15min

时温度为94.4℃，安装制冷系统后，电机温升下降明显。测量时间范围内，电机一档转速工作时安装一个制冷片、两个制冷片、三个制冷片、四个制冷片、四个水箱水冷时的温度降低幅度分别为16.8%，27.1%，32.3%，40.2%和25.8%；电机三档转速时的温度降低幅度分别为17.7%，20.4%，24.5%，36.4%和20.8%。对比实验结果看出，相比水冷，半导体制冷具有更好的冷却效果；随着制冷片安装数量的增加，电机温度上升越来越缓慢。电机安装位置有限，对四个制冷片的效果进行了实验，根据图7的实验结果曲线，可以推测，如果继续增加制冷片数量，电机温度会下降更大幅度，当电机产生的热量和制冷片制冷量相等时，电机温度升高到某个值后便不再变化。

4.2 滑动轴承半导体散热实验

4.2.1 实验装置介绍

实验所用试验台是一台永磁式直流伺服电机驱动，滑动轴承支撑的转子试验台。电机输入功率300W，额定电压220V，额定电流2A，输出转速范围为0到10000r/min。试验台高速运转过程中，由于振动和摩擦，轴承温度升高。本实验搭建基于滑动轴承的半导体制冷系统，确保试验台运行在一个较低的温度。

图7 电机工作时的温升曲线

我们依然采用水冷的热端散热方式，半导体制冷系统搭建所用组件的型号和数量列于表1。实验装置如图8所示。

4.2.2 实验结果分析

轴承座上安装一个、两个制冷片的制冷片布置情况如图9所示。

用红外测温仪对5000r/min转速工作状态下的左、右两轴承温度进行测量，分别测量了其安装一个、两个制冷片时的温度变化。实验过程中每五分钟测量一次轴承温度，每次测量取两个值后求平均值。测量了试验台运行90分钟内的左、右轴承的温升，温度T随时间t变化曲线如图10。

图8 实验装置

图9 制冷片布置情况

图10 5000r/min转速下左、右轴承温升曲线

由图10可以看出，半导体制冷系统可以将轴承温度控制在一个较低且稳定的水平。不加制冷片时，试验台运行90min左、右两轴承的温度稳定在33℃附近；加一个制冷片运行90min，左、右两轴承的温度稳定在20℃附近，降幅达39.4%；加两个制冷片运行90min，左、右两轴承温度稳定在18℃附近，降幅达45.5%。图10(a)、(b)两个制冷片轴承温度出现先下降后上升的现象，原因是两个制冷片开始工作时制冷量远大于轴承工作产生的热量，随着时间的推移，轴承工作产生的热量又渐渐超过两个制冷片的冷量，最后趋于稳定。

5 结论

基于风扇电机和转子实验台滑动轴承，分别设计了一种半导体制冷系统，对其运行状态下的温升控制进行了实验研究。得到的主要结论如下：

(1)该半导体制冷系统无论是对电机还是滑动轴承均有较好的冷却效果，不同数量制冷片的综合冷却效果不一样，制冷片数量越多，冷却效果越显著；

(2)对比电机半导体制冷和水冷实验结果，半导体制冷具有更好的冷却效果，安装四个制冷片时，一档转速工况电机温度降幅达40.2%，三档转速工况温度降幅为36.4%，且电机温升非常缓慢；

(3)滑动轴承半导体制冷实验表明，半导体制冷系统能将轴承温度控制在一个稳定值附近；安装一个制冷片后轴承温度控制在20℃左右，降幅达39.4%，安装两个制冷片控制温度在18℃左右，降幅为45.5%。

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StudyonaNewCoolingSystemforMotorsandBearings

LU Kaihua，HE Lidong，YAN An，ZHANG Yipeng

( Beijing Key Laboratory of Health Monitoring and Self-recovery for High end Mechanical Equipment, Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029,China )

2017-4-16

国家重点基础研究(973计划)项目(2012CB026000)

路凯华(1991-)，男，博士研究生。研究方向：齿轮箱振动控制技术。E-mail：kaihualu1991@163.com

ISSN1005-9180(2017)03-029-006

TU831文献标示码A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.006