赛峰|eVTOL多电机驱动装置冷却系统的技术突破与解决方案

本文所属技术领域为科技前沿资讯含多个电机的螺旋桨推进驱动系统及其冷却系统，核心聚焦多电机驱动装置的冷却问题，尤其针对冷却液的散热优化。在航空航天与新能源交通领域，多电机驱动的螺旋桨推进系统应用日益广泛，典型代表为垂直起降(VTOL)飞行器——这类飞行器的驱动装置通常包含多个电动机及与之耦合的变速箱，通过电机驱动变速箱带动螺旋桨实现起降与飞行。

电机运行时，功率组件、定子绕组等核心部件会快速产生热量，变速箱齿轮啮合也会因摩擦生热；若热量无法及时散发，电机可能触发安全模式停机，变速箱则会因过热导致寿命缩短或失效。现有冷却方案多依赖单一散热路径，而VTOL等飞行器对系统可靠性要求极高，一旦冷却失效可能引发严重安全事故。因此，研发兼具冗余保障、轻量化与低成本特性的冷却系统，成为多电机驱动装置实用化的关键技术瓶颈。

现有多电机驱动装置的冷却技术已无法满足高可靠性与轻量化的双重需求，主要存在以下四方面核心问题：

其一，冷却系统单点故障风险突出。现有系统多采用空-油换热器冷却变速箱机油及电机，换热器的散热风扇通常由独立电机驱动。这种设计下，若风扇电机故障或风扇本身损坏，换热器将丧失散热能力，导致机油温度骤升。对于混合动力推进系统，热机与变速箱虽可依靠自身热惯性支撑至着陆，但电机的发电机单元会因过热快速进入故障模式，引发电池放电风险，威胁飞行安全。

其二，电机故障后冷却冗余不足。VTOL等装备的多电机驱动系统在单电机故障时，需依赖其余电机以降级模式维持运行直至着陆。但电机的功率组件(如IGBT模块)散热需求极高，若冷却不及时，从故障发生到组件触发安全模式的时间往往短于着陆所需时间，导致系统彻底失效。

其三，冷却与润滑系统协同性差。部分系统中，变速箱冷却与齿轮润滑采用独立回路，不仅增加了结构复杂度与重量，还降低了空间利用率。此外，电机的定子绕组、功率电子组件等关键发热部件多依赖单一冷却路径(如仅空气冷却或仅液体冷却)，一旦该路径出现问题(如油泄漏、气道堵塞)，部件将迅速过热。

其四，独立冷却方案成本与重量失衡。为提升可靠性，部分方案为每个电机配置独立冷却系统，但这会导致驱动装置的重量显著增加(尤其对飞行器而言，重量直接影响续航与载荷)，同时大幅提升制造成本与维护难度，不符合航空航天装备轻量化、低成本的发展需求。

本文通过设计“液压冷却回路+空气冷却回路”的双回路冗余系统，结合风扇与变速箱的机械耦合设计，在不增加额外驱动电机的前提下，实现了多电机驱动装置的故障容错冷却，同时优化了重量与成本。以下从系统架构、核心回路设计、关键部件协同及实施例细节展开说明。

本冷却系统的核心创新在于“双回路冗余+多风扇耦合”，整体适配含多个电机的驱动装置(图1、图2)。驱动装置主体包括：N个电机10(N≥1，图2中为3个)，每个电机含转子100(含转子轴1002)、定子102、机壳104及前后轴承支撑101/103；变速箱12，内置与电机转子啮合的齿轮及推进轮124，通过推进输出轴120连接螺旋桨16；离合器14，设于电机与变速箱之间，可实现二者的耦合/解耦。

图1 为包含螺旋桨推进驱动系统的垂直起降飞行器示例的框图，该螺旋桨推进驱动系统带有多个电机，且包含根据本发明第一实施例或第二实施例的冷却系统

图2 为带有多个电机的螺旋桨推进驱动系统的轴向剖面图框图，该驱动系统包含根据本发明第一实施例第一示例的冷却系统

冷却系统由液压冷却回路11H与空气冷却回路11A组成：液压回路负责变速箱冷却与冷却液散热，空气回路通过多风扇驱动气流，同时冷却电机部件与液压回路的换热器。二者协同形成双重冗余——单一回路局部故障时，另一回路可维持基础冷却；风扇或电机单点故障时，其余风扇仍能驱动散热，彻底解决现有技术的可靠性缺陷。

液压冷却回路11H是系统的“液体散热核心”，以油为典型冷却液，兼具冷却与润滑功能，主要包含4个关键部件(图2、图3)：

图3 为带有多个电机的螺旋桨推进驱动系统的轴向剖面图框图，该驱动系统包含根据本发明第二实施例示例的冷却系统

回路在变速箱12内部设有冷却部分，该部件并非独立结构，而是通过冷却液直接接触齿轮实现散热，同时承担齿轮润滑功能。这种“冷却-润滑一体化”设计，省去了独立润滑回路，简化了系统结构。冷却液在变速箱内吸收齿轮摩擦热后，经管道输送至换热器，实现热量转移。

作为液压回路与空气回路的热交换接口(图2、图4)，换热器112由多层冷却壁组成，冷却壁间形成冷却液通道，壁外则为空气流通区域。冷却液在通道内流动时，热量通过壁面传递给空气；空气由风扇驱动，沿冷却壁表面掠过，快速带走热量。换热器112被设计为“外置于电机”(即不与电机10直接接触，图2-3)，避免电机故障时的热传导影响。

图4 为带有多个电机的螺旋桨推进驱动系统的轴向剖面图框图，该驱动系统包含根据本实施例第三示例的冷却系统

回路包含冷却液箱114(储液与稳压)与泵116(动力源)，形成两种典型循环路径：

• 路径1：冷却液箱114→泵116→变速箱12冷却部分→空-液换热器112→回冷却液箱114；

• 路径2：冷却液箱114→泵116→空-液换热器112→变速箱12冷却部分→回冷却液箱114。

两种路径均能实现冷却液的持续散热，可根据装备工况(如高负载/低负载)切换，优化能耗。

回路在变速箱12内部设有冷却部分，该部件并非独立结构，而是通过冷却液直接接触齿轮实现散热，同时承担齿轮润滑功能。这种“冷却-润滑一体化”设计，省去了独立润滑回路，简化了系统结构。冷却液在变速箱内吸收齿轮摩擦热后，经管道输送至换热器，实现热量转移。

为强化电机冷却，部分实施例中回路增设电机部分导管110H(图3)，该导管独立于换热器112，直接贯穿电机关键发热部件：

• 定子冷却：导管嵌入定子102内部，冷却液流经时直接带走绕组热量，散热效率较空气冷却提升30%以上；

• 功率电子组件冷却：导管可延伸至功率电子单元19(图3-4)，通过金属壁面热传导冷却IGBT等组件。

该导管形成“液体冗余冷却”——当空气回路故障时，液压回路仍能维持电机核心部件的散热；当冷却液泄漏时，空气回路可接管冷却，彻底消除单一冷却路径的风险。

空气冷却回路11A是系统的“气流驱动核心”，核心创新在于“多风扇与变速箱机械耦合”，无需额外驱动电机，同时通过气流导向设计实现全域冷却，主要包含3个关键模块(图2、4-8)：

图5 为带有多个电机的螺旋桨推进驱动系统的轴向剖面图框图，该驱动系统包含根据本发明第一实施例第二示例的冷却系统

图6a 为带有多个电机的螺旋桨推进驱动系统中某一电机的三维视图框图，该驱动系统采用本实施例第一示例或第二示例的技术方案

图6b 为图6a中电机的轴向半剖面图局部框图

图7 为图5中带有多个电机的螺旋桨推进驱动系统示例的俯视图框图

图8 为根据本发明第三实施例的冷却系统的多通道导管三维视图框图

风扇110是气流动力源，其核心设计为“旋转耦合于变速箱12”，具体有两种实现方式：

• 方式1：单电机单风扇直连(图2、图3)。每个电机10配置一个风扇110，风扇与电机转子轴1002同轴固定，随转子同步旋转。这种设计下，只要有电机正常运行，对应的风扇即能工作——例如3电机系统中1个电机故障时，其余2个风扇仍可驱动气流；

• 方式2：风扇通过齿轮耦合变速箱(图8、图9)。变速箱12'内置风扇齿轮121，齿轮含中间轮1210，与风扇110'的齿轮及推进轮124啮合。这种设计不依赖单个电机，即使所有电机均进入降级模式，变速箱的旋转仍能带动风扇运转，适用于高风险场景。

图9 为带有多个电机的螺旋桨推进驱动系统的轴向俯视图框图，该驱动系统包含根据本发明第二实施例的冷却系统

风扇110的结构细节如图6a-6b所示：包含外部叶片1100与中间冠1102，叶片沿径向延伸，旋转时产生负压，驱动外部空气进入回路。

为优化气流分布，回路设计了多类型入口与导向结构，解决“局部气流不足”问题：

1. 入口开口类型
   

• 轴向入口(图2)：开口18A设于驱动装置机壳18的前壁(螺旋桨16与变速箱12之间)，沿螺旋桨旋转轴线方向开设，可利用螺旋桨旋转产生的气流增强进气效率；

• 径向入口：开口设于机壳18的周向壁面，垂直于螺旋桨轴线，适用于空间受限的场景；

• 环绕式入口(图5、图7)：多个开口18A环绕变速箱12分布，每个开口对应1-2个电机，确保进气均匀。

2. 导向导管系统

在第一实施例的第二示例中(图5、图7)，回路增设导向导管180A，每个导管连接一个入口开口18A与两个相邻电机10。导管内部分为两个通道1800A，分别通向相邻电机——这种“一入口双通道”设计，即使单个入口或导管堵塞，电机仍能通过相邻入口的通道获得气流。例如图7中，电机10可同时接收左侧与右侧导管的气流，彻底避免“单入口失效导致的电机过热”。

为实现电机部件的精准冷却，每个电机10均设有机器空气导管110A(图6a-6b)，该导管由电机机壳104与外部圆柱壁114A围成，内部设有轴向延伸的散热片1104A。散热片直接与机壳104连接，可将定子102的热量传导至气流中；同时，后轴承支撑103的支撑 plate 1030上设有弧形内部叶片1032，可将风扇驱动的气流导向散热片之间的通道，提升换热效率。

机器空气导管110A可针对性冷却两类关键部件：

• 功率电子组件109：若组件设于风扇110与转子100之间(图6b)，导管气流直接掠过组件表面；若组件集成于外部电子单元19(图4)，则通过换热器进气管119引导气流冷却——该进气管含多个通道119A(图8)，每个通道对应一个风扇，气流经通道时同时冷却电子单元与换热器；

• 定子绕组：散热片1104A与机壳104紧密接触，气流掠过散热片时，快速带走绕组产生的热量，尤其适用于高负载工况下的电机散热。

本方案的核心优势在于“部件间的冗余协同”，而非单一部件的性能提升，主要体现在3个维度：

风扇的“旋转耦合”设计实现了“动力自供给”——无需额外电机驱动，既降低了重量(较现有带风扇电机的方案减重15%-20%)，又利用了驱动装置自身的旋转动力。当某一电机故障时，若采用“单电机单风扇”设计(图2)，其余电机的风扇仍能维持气流；若采用“齿轮耦合风扇”设计(图9)，变速箱的旋转可直接驱动所有风扇，彻底摆脱对电机的依赖。

双回路形成“热交换闭环”：液压回路将变速箱与电机的热量转移至换热器，空气回路则通过风扇驱动气流带走换热器热量；同时，空气回路直接冷却电机部件，液压回路的电机导管则作为冗余。例如：

• 油泄漏场景：液压回路失效，但空气回路仍可通过机器空气导管110A冷却定子与功率组件；

• 风扇故障场景：空气回路局部失效，但液压回路可通过换热器的剩余散热面积，结合其余风扇的气流维持散热；

• 双重局部故障：1个风扇+1路液压导管故障时，其余风扇驱动的空气冷却与剩余液压路径仍能支撑基础散热，确保系统不触发安全模式。

导向导管180A与机器空气导管110A的配合，实现了“气流无死角”：环绕式入口确保进气均匀，双通道导管避免局部堵塞影响，内部叶片与散热片则提升了气流与发热部件的接触效率。例如图5中，电机10的机壳104被气流全面包裹，定子102的热量通过散热片1104A快速传递，换热效率较无导向结构提升40%以上。

本文提供了两类核心实施例，分别适配不同的装备需求，其结构差异与优势如下：

该实施例聚焦“轻量化与低成本”，适用于中小型VTOL飞行器，包含两个子示例：

1. 子示例1：基础型无导向导管(图2)

• 结构特征：空气回路含3个风扇110(对应3个电机10)，每个风扇直连电机转子轴1002；机壳18设有环绕变速箱12的轴向入口18A，无导向导管；机器空气导管110A含散热片1104A，功率电子组件109设于风扇与转子之间。

• 气流路径：外部空气→入口18A→掠过变速箱12→进入机器空气导管110A→冷却定子102与功率组件109→掠过换热器112→从机壳后壁出口排出。

• 优势：结构最简单，重量最轻，成本最低；3个风扇形成冗余，单风扇故障时散热能力保留66%。

2. 子示例2：增强型带导向导管(图5、图7)

• 结构改进：增设导向导管180A，每个导管连接1个入口18A与2个电机10；导管含双通道1800A，电机10可接收两个导管的气流。

• 核心优势：解决“入口堵塞”问题——例如左侧入口18A堵塞时，电机可通过右侧导管的通道1800A获得气流；同时，导向导管提升了气流速度，换热效率较子示例1提升25%。

• 优势：结构最简单，重量最轻，成本最低；3个风扇形成冗余，单风扇故障时散热能力保留66%。

该实施例聚焦“高可靠性”，适用于大型VTOL或混合动力推进系统(图3、图9)，核心改进为两点：

1. 风扇驱动方式优化

风扇110'不再直连电机，而是通过风扇齿轮121与变速箱12'耦合：齿轮121的中间轮1210同时啮合风扇齿轮与推进轮124，变速箱的旋转直接驱动风扇运转。即使所有电机均进入降级模式，只要变速箱仍在工作，风扇就能维持气流。

2. 液压回路增设电机导管

液压回路11H'包含电机部分导管110H，该导管一端连接换热器112的出口，另一端分别通向每个电机的定子102与电子单元19。冷却液经换热器冷却后，先流经导管110H冷却定子与电子组件，再回冷却液箱114，形成“二次散热”。

• 适配场景：混合动力系统中，当热机驱动变速箱运转时，风扇由齿轮驱动，液压导管同时冷却电机与电子单元，即使电机不工作，仍能避免部件因环境热积累过热。

功率电子组件(如IGBT)是电机的“发热大户”，本方案针对其设计了“空气-液体双重冷却”，具体分为两种布局(图6b、图3)：

当组件109设于风扇110与转子100之间(图6b)，机器空气导管110A的气流直接掠过组件表面，同时组件通过金属支架与电机机壳104连接，机壳的热量被气流带走，形成“直接+间接”双重空气冷却。

当多个电机的组件被集成于独立电子单元19(图6、图7)，单元被设于换热器进气管119内部，且与空-液换热器112直接接触：

• 空气冷却：进气管119的多通道119A将风扇气流导向单元19，气流掠过单元表面带走热量；

• 液体冷却：单元通过金属壁与换热器112接触，换热器的低温壁面吸收单元热量。

这种“气-液双接触”设计，使组件散热效率提升50%以上，彻底解决现有技术中“电子组件过热导致的系统停机”问题。

本冷却系统通过上述设计，全面解决了现有技术的四大问题，形成三大核心优势：

1. 极致冗余的可靠性：多风扇与双回路协同，实现“单点故障无中断”——风扇、电机、入口或导管的局部故障均不影响整体冷却；油泄漏或风扇全故障时，仍能通过单一回路维持基础散热，确保VTOL等装备有足够时间完成着陆。

2. 轻量化与低成本：风扇无需额外驱动电机，冷却-润滑一体化设计省去独立部件，较现有独立冷却方案减重20%-30%，成本降低15%-25%；同时，变速箱因持续冷却可减小惯性，进一步实现体积缩减与寿命延长。

3. 场景适配的灵活性：两类实施例分别覆盖中轻型(低成本)与重型(高可靠)场景，入口类型(轴向/径向)、导管设计(有无/单双通道)可根据装备空间与性能需求调整，适配VTOL、混合动力飞机等多类多电机驱动场景。