无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器的制作方法

本发明属于无人机、热管和散热装置，尤其涉及一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器。

背景技术：

1、临近空间长航时无人机具有飞得远、驻留久、不间断的特点，其载重和供能水平的突出矛盾，对推进系统的减重增效降耗提出了更高的要求。推进电机是临近空间飞行器的核心动力部件，在此背景下存在两大挑战：如何提升比功率，如何提高工作效率。而制约电机上述两大挑战的一个关键瓶颈是电机内部的散热问题。此外20公里以上临近空间的大气密度仅为地面的1/15左右，空气稀薄促使传统风冷散热的对流系数大幅度降低，电机散热问题凸显。优化电机内部风道结构，增大冷却风扇功率和转速等措施只是简单地改良而并不能从本质上解决或较好地改善热问题。

2、当前，电机的冷却方式主要采用风冷散热形式。一种方式是在电机外壳设计风冷翅片，用于增大与环境对流换热面积；另一种是通过与转轴同轴布置的风扇来建立电机内部的空气流场。由于线圈绕组在电机定子槽中紧密排列和堆积，实际中电机内部的风场只能从线圈边缘和不同槽之间的空隙流过，而绕组内部紧密堆积导线之间的热量传递方式仍然主要为导热，因此即使在空气密度不变的地面条件下线圈绕组的散热仍然不佳。为了提升绕组导线产生的热量向外界环境热沉中排放的效率，热管作为一种高导热元件被引入电机定子散热中，其强化散热效果显著。

3、电机采用热管的已公开文献和专利有不少。这些文献和专利呈现以下特点：一是热管主要采用常规的直圆柱型热管；二是电机大多工作在地面，热管冷凝段的设计要么与水冷结合，要么通过冷凝段翅片结合风冷散热；三是无人机用热管散热也尚未涉及稀薄大气环境条件和高比功率电机需求带来的挑战。为了提高临空无人机推进电机的比功率，一是在保证功率不变的情形下尽可能地减小电机体积和重量；二是将传统外定子内转子的电机设计方案改为外转子内定子的模式，增大电机转动扭矩、定子密度和电机空间利用率。临空无人机电机的这些变化都意味着其在更小重量内产热量更大，内定子无法通过电机外壳向外散热，更紧凑空间内的热问题更为突出。因此，常规简单热管设计已无法满足其散热需求，加上临近空间更为恶劣的大气环境，开展一种面向临近空间稀薄大气工作的新型轻质高性能热管设计显得很有必要。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，在极大地增大热管风冷散热所需的散热面积的同时，提升了热管均温性和散热效率，与传统热管冷凝段翅片散热相比，散热能力提高10倍以上，即使在高空稀薄大气条件下也能较好地快速地带走电机内部产生的热量。

2、为了解决上述技术问题，本发明公开了一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，包括：一级热管和二级热管；其中，该无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器基于一级热管和二级热管实现对无人机高比功率电机的散热；该无人机高比功率电机工作在临近空间大气环境中。

3、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，无人机高比功率电机，包括：内定子、外转子、电机转轴和电机壳体；其中，内定子和外转子设置在电机壳体内；内定子位于外转子内；外转子旋转带动电机转轴转动，从而驱动无人机螺旋桨的旋转。

4、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，一级热管，包括：光滑过渡连接的加热段a和冷凝段a；二级热管，包括：光滑过渡连接的加热段b和冷凝段b；其中，加热段a与内定子接触，以导热的形式吸收内定子线圈产生的热量；加热段b与冷凝段a接触，以导热的形式吸收一级热管传输的热量；冷凝段b以仿生拓扑方式沿电机壳体的包络线进行延伸，即从电机壳体的尾端先弯折向外延伸，后弯折沿无人机高比功率电机的轴向向电机壳体的前端延伸。

5、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，一级热管采用多根圆环形方式布置；加热段a设计成圆柱型热管深入内定子内部，或紧密贴合在内定子的周向外表面，或紧密贴合在内定子的后端外表面；冷凝段a外表面嵌入加热段b的内表面，且焊接或铆接固定在一起。

6、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，一级热管和二级热管均设计成上下两半，即，加热段a、冷凝段a、加热段b和冷凝段b均设计成上下两半；其中，冷凝段b的上下两半与加热段b的上下两半分别组成为一个整体拓扑型热管。

7、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，二级热管的上下两半分别设计成一个整体性超薄平板热管，内部为真空腔体结构，布置有毛细芯和充注热管工作介质。

8、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，二级热管的上下两半分别设计成超薄金属板与脉动热管相结合的组合式结构；其中，脉动热管的外表面嵌入超薄金属板的内表面，且焊接在一起。

9、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，超薄金属板的厚度为：0.5～1.0mm；脉动热管的外径为：2～4mm。

10、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，二级热管为圆环套筒薄壳型三维结构，二级热管的上下两半分别为一半圆环套筒薄壳型三维结构。

11、在上述无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器中，一级热管和二级热管的封装金属材质为铜合金、铝合金或钛合金；一级热管和二级热管的两相工作介质为蒸馏水、氨、丙酮、乙醇或氟利昂；一级热管和二级热管均采用薄壳设计，整个散热器重量不超过100g。

12、本发明具有以下优点：

13、(1)本发明公开了一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，首次公开了面向临近空间稀薄大气恶劣环境工作的无人机电机的新型热管散热器，在极大地增大热管风冷散热所需的散热面积的同时，提升了热管均温性和散热效率，与传统热管冷凝段翅片散热相比，本发明所述散热器的散热能力提高10倍以上，即使在高空稀薄大气条件下也能较好地快速地带走电机内部产生的热量。

14、(2)本发明公开了一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，创新性地设计了一种二级热管拓扑型套筒薄壳结构，实现了大面积热管均温散热，进而大幅提升了散热能力，同时具备重量轻的优势；拓扑型构型实现了与电机同轴、外形仿生一致的设计，相当于给电机穿上了一件薄薄的“外套”，最大程度地降低了飞行流动阻力；套筒薄壳采用两半设计方案而不是一体化设计，提升了散热器的加工制备可行性、安装和维护的便利性。

15、(3)本发明公开了一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，应用了本发明所述散热器的电机相比传统电机而言，可以去掉电机外壳上的翅片和电机上的散热风扇，在支撑电机有效散热的同时，提高了电机的输出扭矩和电机结构紧凑程度，实现了电机的减重增效，提高了电机在临近空间无人机应用中的比功率指标。

技术特征：

1.一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，包括：一级热管(101)和二级热管(102)；其中，该无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器基于一级热管(101)和二级热管(102)实现对无人机高比功率电机的散热；该无人机高比功率电机工作在临近空间大气环境中。

2.根据权利要求1所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，无人机高比功率电机，包括：内定子(103)、外转子(104)、电机转轴(105)和电机壳体(106)；其中，内定子(103)和外转子(104)设置在电机壳体(106)内；内定子(103)位于外转子(104)内；外转子(104)旋转带动电机转轴(105)转动，从而驱动无人机螺旋桨(107)的旋转。

3.根据权利要求2所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，一级热管(101)，包括：光滑过渡连接的加热段a(1011)和冷凝段a(1012)；二级热管(102)，包括：光滑过渡连接的加热段b(1021)和冷凝段b(1022)；其中，加热段a(1011)与内定子(103)接触，以导热的形式吸收内定子线圈产生的热量；加热段b(1021)与冷凝段a(1012)接触，以导热的形式吸收一级热管(101)传输的热量；冷凝段b(1022)以仿生拓扑方式沿电机壳体(106)的包络线进行延伸，即从电机壳体(106)的尾端先弯折向外延伸，后弯折沿无人机高比功率电机的轴向向电机壳体(106)的前端延伸。

4.根据权利要求3所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，一级热管(101)采用多根圆环形方式布置；加热段a(1011)设计成圆柱型热管深入内定子(103)内部，或紧密贴合在内定子(103)的周向外表面，或紧密贴合在内定子(103)的后端外表面；冷凝段a(1012)外表面嵌入加热段b(1021)的内表面，且焊接或铆接固定在一起。

5.根据权利要求3所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，一级热管(101)和二级热管(102)均设计成上下两半，即，加热段a(1011)、冷凝段a(1012)、加热段b(1021)和冷凝段b(1022)均设计成上下两半；其中，冷凝段b(1022)的上下两半与加热段b(1021)的上下两半分别组成为一个整体拓扑型热管。

6.根据权利要求5所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，二级热管(102)的上下两半分别设计成一个整体性超薄平板热管，内部为真空腔体结构，布置有毛细芯和充注热管工作介质。

7.根据权利要求5所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，二级热管(102)的上下两半分别设计成超薄金属板(201)与脉动热管(202)相结合的组合式结构；其中，脉动热管(202)的外表面嵌入超薄金属板(201)的内表面，且焊接在一起。

8.根据权利要求7所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，超薄金属板(201)的厚度为：0.5～1.0mm；脉动热管(202)的外径为：2～4mm。

9.根据权利要求5所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，二级热管(102)为圆环套筒薄壳型三维结构，二级热管(102)的上下两半分别为一半圆环套筒薄壳型三维结构。

10.根据权利要求3所述的无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，其特征在于，一级热管(101)和二级热管(102)的封装金属材质为铜合金、铝合金或钛合金；一级热管(101)和二级热管(102)的两相工作介质为蒸馏水、氨、丙酮、乙醇或氟利昂；一级热管(101)和二级热管(102)均采用薄壳设计，整个散热器重量不超过100g。

技术总结本发明公开了一种无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器，包括：一级热管和二级热管；该无人机高比功率电机用轻质拓扑型热管套筒薄壳散热器基于一级热管和二级热管实现对无人机高比功率电机的散热；该无人机高比功率电机工作在临近空间大气环境中。本发明所述散热器，在极大地增大热管风冷散热所需的散热面积的同时，提升了热管均温性和散热效率，与传统热管冷凝段翅片散热相比，散热能力提高10倍以上，即使在高空稀薄大气条件下也能较好地快速地带走电机内部产生的热量。技术研发人员：薛志虎,罗晓光,曲伟,赵顺,贺小艳受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院技术研发日：技术公布日：2025/1/6