開關(guān)磁阻電機(jī)的散熱工藝研究

段鑫

[摘 ? ?要]開關(guān)磁阻電機(jī)作為1種高性能節(jié)能電機(jī)，逐步被市場認(rèn)可，但是制約其發(fā)展1個(gè)重要因素就是功率密度只能和異步機(jī)相當(dāng)。文章針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部熱源進(jìn)行分析，從開關(guān)磁阻電機(jī)熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行論述，提出了1種改善電機(jī)散熱的工藝方法，從而達(dá)到增加開關(guān)磁阻電機(jī)功率密度的效果。

[關(guān)鍵詞]開關(guān)磁阻;散熱工藝;功率密度

[中圖分類號(hào)]TN86 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(jià)格不斷上漲和國家對(duì)節(jié)能電機(jī)的大力推廣，開關(guān)磁阻電機(jī)作為1種高效節(jié)能電機(jī)，越來越受到重視。開關(guān)磁阻電機(jī)具有較多優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，高效節(jié)能;無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣;啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大;可頻繁起、停及正、反轉(zhuǎn)變換;缺相或過載時(shí)不會(huì)損壞電機(jī)。但對(duì)比永磁同步電機(jī)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(jī)相當(dāng)。提高開關(guān)磁阻電機(jī)的散熱性能，能有效地提高開關(guān)磁阻電機(jī)的功率密度。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)簡介

開關(guān)磁阻電機(jī)雛形出現(xiàn)在19世紀(jì)40年代，由于當(dāng)時(shí)功率電子技術(shù)的限制，一直沒有被重視。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，到20世紀(jì)70年代，英國的Leeds大學(xué)和Nottingham大學(xué)設(shè)計(jì)出了10 W～50 kW的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，至此以后才引發(fā)開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)電有限公司，成為世界上開關(guān)磁阻電機(jī)做得最好的公司。中國目前有較多公司也在跟進(jìn)，其中，中山東科匯電力自動(dòng)化股份有限公司是第1家有開關(guān)磁阻電機(jī)業(yè)務(wù)的上市公司。目前開關(guān)磁阻電機(jī)廣泛應(yīng)用于特種車輛、鍛壓機(jī)械、油田機(jī)械、紡織機(jī)械、家用電器等領(lǐng)域。

2 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，SRM）是定子、轉(zhuǎn)子雙凸極可變磁阻電機(jī)，定子、轉(zhuǎn)子由高性能冷軋硅鋼片疊壓而成，定子上繞有集中繞阻，轉(zhuǎn)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(guān)磁電機(jī)熱源分析

開關(guān)磁阻電機(jī)額定點(diǎn)效率在93%～95%，高效率區(qū)覆蓋調(diào)速范圍的80%。其主要損耗包括：銅損（繞組電阻發(fā)熱）、鐵損（渦流損耗、磁滯損耗）、機(jī)械損耗（軸承損耗、風(fēng)摩損耗）、雜散損耗等。

3.1 繞組銅損發(fā)熱

開關(guān)磁阻電機(jī)的繞組電流波形根據(jù)控制方式、所處定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置和運(yùn)行情況不同而不同，呈現(xiàn)出嚴(yán)重不規(guī)則現(xiàn)象。以12/8三相開關(guān)磁阻電機(jī)為例，銅損的瞬時(shí)計(jì)算公式如下。

（1）

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

開關(guān)磁阻電機(jī)在通電時(shí)的電流波形類似如下圖2所示。圖中的3個(gè)波形分別對(duì)應(yīng)繞組A、B、C在1個(gè)通電1個(gè)周期中的電流波形。

三相繞組通電1個(gè)循環(huán)的時(shí)間設(shè)為t0，在t0時(shí)間內(nèi)相繞組的電流有效值計(jì)算如下。

（2）

那么在t0時(shí)間內(nèi)銅線發(fā)熱量計(jì)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(fā)熱

開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)使得電流波形是不規(guī)則的周期性波形，且運(yùn)行是按磁通最小原理進(jìn)行的，導(dǎo)致定轉(zhuǎn)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(jì)算變得非常復(fù)雜，一般采用實(shí)驗(yàn)方法或仿真方法進(jìn)行計(jì)算。目前采用仿真的方法進(jìn)行鐵芯損耗占多數(shù)，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(jì)算鐵損，有通過相間強(qiáng)耦合的方法來計(jì)算，有基于多項(xiàng)式擬合的變系數(shù)損耗計(jì)算模型的方法進(jìn)行計(jì)算。

3.3 其他損耗發(fā)熱

其他損耗包含機(jī)械損耗和雜散損耗，其中機(jī)械損耗的計(jì)算公式如下。

Pfw=a×V×wq （4）

式中，a為風(fēng)阻系數(shù)，V為電機(jī)內(nèi)部的空氣體積，q為曲線擬合參數(shù)，w為角速度。

這部分在電機(jī)整體發(fā)熱中占比很小，在考慮軸承發(fā)熱時(shí)不容忽略，但是在考慮電機(jī)整體發(fā)熱時(shí)，可以忽略不計(jì)。

4 開關(guān)磁阻電機(jī)散熱工藝優(yōu)化

開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)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(jī)殼氣隙（定子鐵芯的鐵損也是通過這個(gè)氣隙傳出）。

4.1 優(yōu)化繞組散熱

主要從3個(gè)方面來優(yōu)化繞組散熱：設(shè)計(jì)合適的槽滿率;保證足夠的侵漆;在定子繞組兩個(gè)端部灌滿導(dǎo)熱材料。

在設(shè)計(jì)電機(jī)槽滿率時(shí)，必須要在73%～76%，如果槽滿率太低，導(dǎo)致槽中氣隙很大，嚴(yán)重影響到電機(jī)散熱，設(shè)計(jì)太大會(huì)使得銅線放不進(jìn)。

電機(jī)定子需采用真空侵漆，真空侵漆時(shí)，先將定子預(yù)熱，等預(yù)熱到140 ℃，再冷卻到60～80 ℃時(shí)再進(jìn)行侵漆。此時(shí)侵漆的效率更好。真空侵漆時(shí)，抽到負(fù)壓為-0.095 MPa，時(shí)間為30 min，或到不再有氣泡產(chǎn)生為止。侵漆后，定子拉上來，進(jìn)行滴漆，將里面的液態(tài)油漆滴干凈后，進(jìn)行烘干。烘干后（烘干溫度為150 ℃，烘烤2 h），再重復(fù)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(jī)內(nèi)部常規(guī)的散熱面積，在定子繞組的兩端增加導(dǎo)熱材料。電機(jī)端部繞組將可以直接通過這層導(dǎo)熱材料將熱量傳導(dǎo)到機(jī)殼，大幅縮短了熱傳導(dǎo)的過程。這種材料在填充時(shí)需要是液體的，而且具備較好的流動(dòng)性，這樣才能灌滿繞組端部。經(jīng)一定時(shí)間固化后，需要和電機(jī)保持良好的粘連性。材料還需具被優(yōu)越的導(dǎo)熱性能。經(jīng)過多種材料的對(duì)比，導(dǎo)熱材料選用CA2001，它是1種雙組分加成型有機(jī)硅灌封膠，可在-50 ～200 ℃環(huán)境下使用（電機(jī)絕緣耐溫最高180 ℃），導(dǎo)熱系數(shù)為0.8 W/m·K，流動(dòng)性好，固化后的強(qiáng)度大，粘性強(qiáng)。此材料分為AB兩種組，將AB組份按比例調(diào)和后形成可流動(dòng)液體，將此液體灌封到電機(jī)繞組兩個(gè)端部（灌注時(shí)，需要做1個(gè)圓形工裝套在定子內(nèi)徑上。先灌封一側(cè)，等灌封膠固化后，再進(jìn)行另外一側(cè)灌封），一端灌封好，如圖4所示。

4.2 減少定子和機(jī)殼氣隙

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

4.3 實(shí)驗(yàn)測試

為了測試優(yōu)化效果，按照同樣的參數(shù)，設(shè)置1臺(tái)40 kW水冷電機(jī)。1臺(tái)按4.1節(jié)和4.2節(jié)進(jìn)行工藝優(yōu)化，1臺(tái)按正常流程進(jìn)行裝配。電機(jī)參數(shù)：額定電壓為DC540 V，額定功率為40 kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，冷卻方式為水冷。電機(jī)的熱負(fù)荷設(shè)計(jì)值為3403 A2/（mm2·cm）。

兩臺(tái)電機(jī)分別在同1個(gè)測功平臺(tái)上進(jìn)行測試，冷卻蒸餾水的流量設(shè)置為15 L/min時(shí)，在測功平臺(tái)上用額定工況進(jìn)行測試。未作優(yōu)化的電機(jī)在工作1 h后，電機(jī)溫升120 ℃，電機(jī)溫度還在上升，不能穩(wěn)定。經(jīng)過優(yōu)化的電機(jī)在2 h后達(dá)到熱平衡，電機(jī)溫升75 ℃。

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，優(yōu)化后電機(jī)的散熱性能得到了明顯的提升。

5 結(jié)語

本文從理論上分析了開關(guān)磁阻電機(jī)熱源構(gòu)成及熱傳導(dǎo)過程，分別從增加繞組散熱面積、減小定子和機(jī)殼之間的間隙兩個(gè)方面提出了優(yōu)化電機(jī)內(nèi)部散熱的方案。通過實(shí)際電機(jī)測試，驗(yàn)證了方案的可行性。

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