开关磁阻电机的散热工艺研究

段鑫

[摘    要]開关磁阻电机作为1种高性能节能电机，逐步被市场认可，但是制约其发展1个重要因素就是功率密度只能和异步机相当。文章针对开关磁阻电机内部热源进行分析，从开关磁阻电机热传导方式进行论述，提出了1种改善电机散热的工艺方法，从而达到增加开关磁阻电机功率密度的效果。

[关键词]开关磁阻;散热工艺;功率密度

[中图分类号]TN86 [文献标志码]A [文章编号]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

随着永磁体价格不断上涨和国家对节能电机的大力推广，开关磁阻电机作为1种高效节能电机，越来越受到重视。开关磁阻电机具有较多优势：结构坚固，高效节能;无级调速，调速范围广;启动电流小，启动转矩大;可频繁起、停及正、反转变换;缺相或过载时不会损坏电机。但对比永磁同步电机的最大弱势是噪声大，功率密度小，功率密度只能和变频异步机相当。提高开关磁阻电机的散热性能，能有效地提高开关磁阻电机的功率密度。

1 开关磁阻电机简介

开关磁阻电机雏形出现在19世纪40年代，由于当时功率电子技术的限制，一直没有被重视。随着电力电子技术的进步，到20世纪70年代，英国的Leeds大学和Nottingham大学设计出了10 W～50 kW的实验室样机，至此以后才引发开关磁阻电机的研究热潮。

日本尼德科收购英国的SR Drives公司和北京中纺锐力机电有限公司，成为世界上开关磁阻电机做得最好的公司。中国目前有较多公司也在跟进，其中，中山东科汇电力自动化股份有限公司是第1家有开关磁阻电机业务的上市公司。目前开关磁阻电机广泛应用于特种车辆、锻压机械、油田机械、纺织机械、家用电器等领域。

2 开关磁阻电机结构

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）是定子、转子双凸极可变磁阻电机，定子、转子由高性能冷轧硅钢片叠压而成，定子上绕有集中绕阻，转子上即无绕阻也无永磁体。遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。工作过程示意图如图1所示。

3 开关磁电机热源分析

开关磁阻电机额定点效率在93%～95%，高效率区覆盖调速范围的80%。其主要损耗包括：铜损（绕组电阻发热）、铁损（涡流损耗、磁滞损耗）、机械损耗（轴承损耗、风摩损耗）、杂散损耗等。

3.1 绕组铜损发热

开关磁阻电机的绕组电流波形根据控制方式、所处定转子相对位置和运行情况不同而不同，呈现出严重不规则现象。以12/8三相开关磁阻电机为例，铜损的瞬时计算公式如下。

（1）

式中，Ia、Ib、Ic分别代表三相绕组中的瞬时电流，Ra、Rb、Rc分别代表三相绕组电阻。

开关磁阻电机在通电时的电流波形类似如下图2所示。图中的3个波形分别对应绕组A、B、C在1个通电1个周期中的电流波形。

三相绕组通电1个循环的时间设为t0，在t0时间内相绕组的电流有效值计算如下。

（2）

那么在t0时间内铜线发热量计算公式如下。

（3）

式中，Iarms、Ibrms、Icrms分别代表三相绕组中的有效电流，Ra、Rb、Rc分别代表三相绕组电阻。

3.2 铁损发热

开关磁阻电机的双凸极结构使得电流波形是不规则的周期性波形，且运行是按磁通最小原理进行的，导致定转子铁芯中的磁通是非线性、非方波、非正弦且周期变化。铁损的计算变得非常复杂，一般采用实验方法或仿真方法进行计算。目前采用仿真的方法进行铁芯损耗占多数，其中有通过建立基于铁芯损耗与相位的等效电路模型来计算铁损，有通过相间强耦合的方法来计算，有基于多项式拟合的变系数损耗计算模型的方法进行计算。

3.3 其他损耗发热

其他损耗包含机械损耗和杂散损耗，其中机械损耗的计算公式如下。

Pfw=a×V×wq （4）

式中，a为风阻系数，V为电机内部的空气体积，q为曲线拟合参数，w为角速度。

这部分在电机整体发热中占比很小，在考虑轴承发热时不容忽略，但是在考虑电机整体发热时，可以忽略不计。

4 开关磁阻电机散热工艺优化

开关磁阻电机热量大部分来自铜损和铁损，其中铜损约是铁损的6～10倍。

电机铜损的热量传递过程如图3所示。

从图3可以看出，影响热量传出来的主要因素在于绕组槽中气隙、油漆量及定子和机壳气隙（定子铁芯的铁损也是通过这个气隙传出）。

4.1 优化绕组散热

主要从3个方面来优化绕组散热：设计合适的槽满率;保证足够的侵漆;在定子绕组两个端部灌满导热材料。

在设计电机槽满率时，必须要在73%～76%，如果槽满率太低，导致槽中气隙很大，严重影响到电机散热，设计太大会使得铜线放不进。

电机定子需采用真空侵漆，真空侵漆时，先将定子预热，等预热到140 ℃，再冷却到60～80 ℃时再进行侵漆。此时侵漆的效率更好。真空侵漆时，抽到负压为-0.095 MPa，时间为30 min，或到不再有气泡产生为止。侵漆后，定子拉上来，进行滴漆，将里面的液态油漆滴干净后，进行烘干。烘干后（烘干温度为150 ℃，烘烤2 h），再重复第1次侵漆过程，过程中需要注意油漆的粘连度。

为增加电机内部常规的散热面积，在定子绕组的两端增加导热材料。电机端部绕组将可以直接通过这层导热材料将热量传导到机壳，大幅缩短了热传导的过程。这种材料在填充時需要是液体的，而且具备较好的流动性，这样才能灌满绕组端部。经一定时间固化后，需要和电机保持良好的粘连性。材料还需具被优越的导热性能。经过多种材料的对比，导热材料选用CA2001，它是1种双组分加成型有机硅灌封胶，可在-50 ～200 ℃环境下使用（电机绝缘耐温最高180 ℃），导热系数为0.8 W/m·K，流动性好，固化后的强度大，粘性强。此材料分为AB两种组，将AB组份按比例调和后形成可流动液体，将此液体灌封到电机绕组两个端部（灌注时，需要做1个圆形工装套在定子内径上。先灌封一侧，等灌封胶固化后，再进行另外一侧灌封），一端灌封好，如图4所示。

4.2 减少定子和机壳气隙

开关磁阻电机定子的外表是硅钢片叠压而成，叠压后，外表面不会再次进行精加工，表面不平整度很大。这个不平整度会超出过盈配合尺寸，从而导致机壳和定子外表面接触面积降低，在定子套入机壳之前，增加1道工艺——在定子外表面均匀涂抹1层导热硅脂。导热硅脂选用CB1040，该导热硅脂可以在-50～200 ℃的温度下工作，导热系数：3.8 W/m·K。开关磁阻电机定子外表层在涂抹导热硅脂后如图5所示。

4.3 实验测试

为了测试优化效果，按照同样的参数，设置1台40 kW水冷电机。1台按4.1节和4.2节进行工艺优化，1台按正常流程进行装配。电机参数：额定电压为DC540 V，额定功率为40 kW，额定转速1500 r/min，冷却方式为水冷。电机的热负荷设计值为3403 A2/（mm2·cm）。

两台电机分别在同1个测功平台上进行测试，冷却蒸馏水的流量设置为15 L/min时，在测功平台上用额定工况进行测试。未作优化的电机在工作1 h后，电机温升120 ℃，电机温度还在上升，不能稳定。经过优化的电机在2 h后达到热平衡，电机温升75 ℃。

通过实验对比，优化后电机的散热性能得到了明显的提升。

5 结语

本文从理论上分析了开关磁阻电机热源构成及热传导过程，分别从增加绕组散热面积、减小定子和机壳之间的间隙两个方面提出了优化电机内部散热的方案。通过实际电机测试，验证了方案的可行性。

参考文献

[1] 吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京：中国电力出版社，2010：1-2.

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