开关磁阻电机温度场仿真分析

开关磁阻电机在运行的过程中不断产生热量，热量主要来源于电机运行过程中的铜损、铁损和机械损耗。电阻发热是铜损的主要形式，由于电机拥有很长的绕组，所以铜损是电机的主要热源。铁损主要来源于硅钢片的磁滞涡流效应，在定子和转子上产生热量。机械损耗主要是指转子旋转过程中与气隙中空气的摩擦损耗，这部分能量损耗较低、发热较少。

对于自然风冷的开关磁阻电机，电机内部产生的热量一部分通过机壳散发到空气中，另一部分储存在电机内部，造成各个部件的升温。温度的升高一方面影响材料的电磁特性，影响电磁场；另一方面，产生的热应力也会导致结构的热变形。考虑到定子凸极和转子凸极之间的气隙只有0.3 mm，因此，热变形对开关磁阻电机的影响不能忽视。

1）温度场仿真方法

本节使用Ansys软件中的Thermal模块进行温度场的仿真分析，Thermal模块是专门用于分析结构热场分布的模块。由于开关磁阻电机的热源绝大部分来自电磁损耗（铜损和铁损），所以，将电磁场仿真得到的电磁损耗作为热源输入进行温度场的仿真分析。

和电机转速相比，温度变化是一个极其缓慢的过程。电机开机前，各个部件的温度和室温一样。电机开始工作以后，电机内部产生热量。一开始，电机和周围空气的温差小，散热慢，多余的热量使电机温度不断升高。当温度升高到某种程度时，电机向空气中散发的热量和电机产生的热量相当，此时，电机运行，温度不再上升，达到热平衡，即电机的稳态。电机达到稳态大约需要几十分钟至几个小时。

将电磁场仿真分析的模型导入温度场仿真中，并进行有限元划分，得到温度场分析的有限元模型，如图2.22所示。温度场分析中，电机各部件的材料设置和电磁场分析时的一样，定子、转子为硅钢片，主轴为10号钢，定、转子中间区域由空气填充。硅钢片的导热系数设置为20 W/（m·K），比热容为438 J/（kg·K）；10号钢的导热系数设置为43 W/（m·K），比热容为473 J/（kg·K）；绕组的导热系数设置为0.83 W/（m·K），比热容为191.5 J/（kg·K）。

此外，自然风冷的开关磁阻电机还存在两种形式的热对流，分别是机壳与外界空气的自然对流和定、转子与气隙空气间的强迫对流。将机壳与外界空气的自然对流等效到定子的边界上，热对流的计算公式为

式中，k为气体吹拂效率系数；v为空气流速；T为环境温度。

取环境温度为22℃，空气流速为0 m/s，得到电机模型定子边界的热对流系数为13.1 W/（m2·K）。

定、转子与气隙空气间的强制换热是定子和转子之间导热的主要形式。该对流系数可由式（2.32）计算得到，即

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式中，Nu为努赛尔数，kair为空气热导率，lgap为气隙长度，Pr为空气普朗特数，Re为雷诺数，Vro为转子速度，rro为转子外径，ν为空气黏滞度。

取空气普朗特数为0.7，空气热导率为0.013，空气黏滞度为0.9，得到定、转子与气隙空气间的热对流系数为30.0 W/（m2·K）。

将电磁场计算得到的铜损和铁损作为热源导入温度场仿真中。导入的损耗为电机运转一周（0.04 s）的总损耗值。导入的热源如图2.22所示。

图2.22　有限元模型和等效热源分布

2）温度场仿真分析

在上述设置下，计算开关磁阻电机达到稳态的温度分布，如图2.23所示。

图2.23　温度场分布

稳态结果的物理意义是当电机达到图示的温度分布时，电机运行产生的热量会通过机壳全部散发到空气中，此时，电机温度将不再升高。若电机仍然持续工作，电机内部也将维持图示的温度分布。从图2.23中可以发现，电机绕组作为最大的热源，其温度最高为80℃。该电机绕组的绝缘等级为B级，其极限工作温度为130℃。定子受到绕组的传热较多，温度较高，转子受到定子通过气隙的热流导热以及自身的铁损发热，温度沿着半径呈阶梯分布。主轴只受到转子的导热，温度最低，大约为65.8℃。

从图2.23中还可以看出，定子和转子间气隙的热对流对温度的分布有很大影响。仿真中，接近转子凸极的定子凸极，由于热对流的导热，温度较低；远离转子凸极的定子凸极，由于缺少了对流导热，仿真得到的温度要高5℃左右。所以，定、转子间的气隙会传导大量的热量，在开关磁阻电机热分析中不能忽视。实际运行中，转子和定子的相对位置一直在发生周期性变化，因此，不会出现定子凸极温度有较大差异的情况。