開關磁阻電機的散熱工藝研究

段鑫

[摘 ? ?要]開關磁阻電機作為1種高性能節能電機，逐步被市場認可，但是制約其發展1個重要因素就是功率密度只能和異步機相當。文章針對開關磁阻電機內部熱源進行分析，從開關磁阻電機熱傳導方式進行論述，提出了1種改善電機散熱的工藝方法，從而達到增加開關磁阻電機功率密度的效果。

[關鍵詞]開關磁阻;散熱工藝;功率密度

[中圖分類號]TN86 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Research on Heat Dissipation Technology of Switched Reluctance Motor

Duan Xin

[Abstract]As a high-performance energy-saving motor， the switched reluctance motor is gradually recognized by the market， but an important factor restricting its development is that the power density can only be comparable to that of asynchronous motor. This paper analyzes the internal heat source of the switched reluctance motor， discusses the heat conduction mode of the switched reluctance motor， and proposes a process method to improve the heat dissipation of the motor， so as to achieve the effect of increasing the power density of the switched reluctance motor.

[Keywords]switched reluctance; heat dissipation process; power density

隨著永磁體價格不斷上漲和國家對節能電機的大力推廣，開關磁阻電機作為1種高效節能電機，越來越受到重視。開關磁阻電機具有較多優勢：結構堅固，高效節能;無級調速，調速范圍廣;啟動電流小，啟動轉矩大;可頻繁起、停及正、反轉變換;缺相或過載時不會損壞電機。但對比永磁同步電機的最大弱勢是噪聲大，功率密度小，功率密度只能和變頻異步機相當。提高開關磁阻電機的散熱性能，能有效地提高開關磁阻電機的功率密度。

1 開關磁阻電機簡介

開關磁阻電機雛形出現在19世紀40年代，由于當時功率電子技術的限制，一直沒有被重視。隨著電力電子技術的進步，到20世紀70年代，英國的Leeds大學和Nottingham大學設計出了10 W～50 kW的實驗室樣機，至此以后才引發開關磁阻電機的研究熱潮。

日本尼德科收購英國的SR Drives公司和北京中紡銳力機電有限公司，成為世界上開關磁阻電機做得最好的公司。中國目前有較多公司也在跟進，其中，中山東科匯電力自動化股份有限公司是第1家有開關磁阻電機業務的上市公司。目前開關磁阻電機廣泛應用于特種車輛、鍛壓機械、油田機械、紡織機械、家用電器等領域。

2 開關磁阻電機結構

開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，SRM）是定子、轉子雙凸極可變磁阻電機，定子、轉子由高性能冷軋硅鋼片疊壓而成，定子上繞有集中繞阻，轉子上即無繞阻也無永磁體。遵循“磁阻最小原理”——磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。工作過程示意圖如圖1所示。

3 開關磁電機熱源分析

開關磁阻電機額定點效率在93%～95%，高效率區覆蓋調速范圍的80%。其主要損耗包括：銅損（繞組電阻發熱）、鐵損（渦流損耗、磁滯損耗）、機械損耗（軸承損耗、風摩損耗）、雜散損耗等。

3.1 繞組銅損發熱

開關磁阻電機的繞組電流波形根據控制方式、所處定轉子相對位置和運行情況不同而不同，呈現出嚴重不規則現象。以12/8三相開關磁阻電機為例，銅損的瞬時計算公式如下。

（1）

式中，Ia、Ib、Ic分別代表三相繞組中的瞬時電流，Ra、Rb、Rc分別代表三相繞組電阻。

開關磁阻電機在通電時的電流波形類似如下圖2所示。圖中的3個波形分別對應繞組A、B、C在1個通電1個周期中的電流波形。

三相繞組通電1個循環的時間設為t0，在t0時間內相繞組的電流有效值計算如下。

（2）

那么在t0時間內銅線發熱量計算公式如下。

（3）

式中，Iarms、Ibrms、Icrms分別代表三相繞組中的有效電流，Ra、Rb、Rc分別代表三相繞組電阻。

3.2 鐵損發熱

開關磁阻電機的雙凸極結構使得電流波形是不規則的周期性波形，且運行是按磁通最小原理進行的，導致定轉子鐵芯中的磁通是非線性、非方波、非正弦且周期變化。鐵損的計算變得非常復雜，一般采用實驗方法或仿真方法進行計算。目前采用仿真的方法進行鐵芯損耗占多數，其中有通過建立基于鐵芯損耗與相位的等效電路模型來計算鐵損，有通過相間強耦合的方法來計算，有基于多項式擬合的變系數損耗計算模型的方法進行計算。

3.3 其他損耗發熱

其他損耗包含機械損耗和雜散損耗，其中機械損耗的計算公式如下。

Pfw=a×V×wq （4）

式中，a為風阻系數，V為電機內部的空氣體積，q為曲線擬合參數，w為角速度。

這部分在電機整體發熱中占比很小，在考慮軸承發熱時不容忽略，但是在考慮電機整體發熱時，可以忽略不計。

4 開關磁阻電機散熱工藝優化

開關磁阻電機熱量大部分來自銅損和鐵損，其中銅損約是鐵損的6～10倍。

電機銅損的熱量傳遞過程如圖3所示。

從圖3可以看出，影響熱量傳出來的主要因素在于繞組槽中氣隙、油漆量及定子和機殼氣隙（定子鐵芯的鐵損也是通過這個氣隙傳出）。

4.1 優化繞組散熱

主要從3個方面來優化繞組散熱：設計合適的槽滿率;保證足夠的侵漆;在定子繞組兩個端部灌滿導熱材料。

在設計電機槽滿率時，必須要在73%～76%，如果槽滿率太低，導致槽中氣隙很大，嚴重影響到電機散熱，設計太大會使得銅線放不進。

電機定子需采用真空侵漆，真空侵漆時，先將定子預熱，等預熱到140 ℃，再冷卻到60～80 ℃時再進行侵漆。此時侵漆的效率更好。真空侵漆時，抽到負壓為-0.095 MPa，時間為30 min，或到不再有氣泡產生為止。侵漆后，定子拉上來，進行滴漆，將里面的液態油漆滴干凈后，進行烘干。烘干后（烘干溫度為150 ℃，烘烤2 h），再重復第1次侵漆過程，過程中需要注意油漆的粘連度。

為增加電機內部常規的散熱面積，在定子繞組的兩端增加導熱材料。電機端部繞組將可以直接通過這層導熱材料將熱量傳導到機殼，大幅縮短了熱傳導的過程。這種材料在填充時需要是液體的，而且具備較好的流動性，這樣才能灌滿繞組端部。經一定時間固化后，需要和電機保持良好的粘連性。材料還需具被優越的導熱性能。經過多種材料的對比，導熱材料選用CA2001，它是1種雙組分加成型有機硅灌封膠，可在-50 ～200 ℃環境下使用（電機絕緣耐溫最高180 ℃），導熱系數為0.8 W/m·K，流動性好，固化后的強度大，粘性強。此材料分為AB兩種組，將AB組份按比例調和后形成可流動液體，將此液體灌封到電機繞組兩個端部（灌注時，需要做1個圓形工裝套在定子內徑上。先灌封一側，等灌封膠固化后，再進行另外一側灌封），一端灌封好，如圖4所示。

4.2 減少定子和機殼氣隙

開關磁阻電機定子的外表是硅鋼片疊壓而成，疊壓后，外表面不會再次進行精加工，表面不平整度很大。這個不平整度會超出過盈配合尺寸，從而導致機殼和定子外表面接觸面積降低，在定子套入機殼之前，增加1道工藝——在定子外表面均勻涂抹1層導熱硅脂。導熱硅脂選用CB1040，該導熱硅脂可以在-50～200 ℃的溫度下工作，導熱系數：3.8 W/m·K。開關磁阻電機定子外表層在涂抹導熱硅脂后如圖5所示。

4.3 實驗測試

為了測試優化效果，按照同樣的參數，設置1臺40 kW水冷電機。1臺按4.1節和4.2節進行工藝優化，1臺按正常流程進行裝配。電機參數：額定電壓為DC540 V，額定功率為40 kW，額定轉速1500 r/min，冷卻方式為水冷。電機的熱負荷設計值為3403 A2/（mm2·cm）。

兩臺電機分別在同1個測功平臺上進行測試，冷卻蒸餾水的流量設置為15 L/min時，在測功平臺上用額定工況進行測試。未作優化的電機在工作1 h后，電機溫升120 ℃，電機溫度還在上升，不能穩定。經過優化的電機在2 h后達到熱平衡，電機溫升75 ℃。

通過實驗對比，優化后電機的散熱性能得到了明顯的提升。

5 結語

本文從理論上分析了開關磁阻電機熱源構成及熱傳導過程，分別從增加繞組散熱面積、減小定子和機殼之間的間隙兩個方面提出了優化電機內部散熱的方案。通過實際電機測試，驗證了方案的可行性。

參考文獻

[1] 吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術[M].北京：中國電力出版社，2010：1-2.

[2] 王宏華.開關磁阻電動機調速控制技術[M].北京：機械工業出版社，2014：4.

[3] 劉寅遐，朱學忠，盧迪墨，等.開關磁阻電機損耗計算研究綜述[J].微電機，2020，53（8）：113.

[4] 田晶，朱學忠，周翔.開關磁阻電機的鐵損分析與計算[J].機電工程，2012，32（2）：259.

[5] 閆文舉.開關磁阻電機鐵損耗分析與建模研究[D].中國礦業大學，2018：65-87.