直驱开关磁阻电机磁–热耦合特性分析

电机直驱化是机电传动系统节能的重要趋势，低速大转矩开关磁阻电机是应用较广的一类直驱电机。直驱电机的高负荷电流导致本体温升明显，电机的关键尺寸参数受热形变影响而变化并影响电机的性能，本文对直驱开关磁阻电机的磁–热耦合响应进行分析以阐明直驱开关磁阻电机的服役特性。本文以24/16外转子型直驱开关磁阻电机为例，利用Ansys进行了磁–热耦合仿真，得到了开关磁阻电机稳态热场分布情况，并计算电机关键尺寸参数的热形变量；从电磁场、电感和扭矩三个角度分析了在热变形的影响下电机的运行性能，为极端工作环境下大功率开关磁阻电机的设计奠定了一定的理论基础。本文对磁–热耦合效应的研究有助于了解直驱开关磁阻电机性能演变规律，为直驱电机的电磁设计、散热设计和性能评估提供理论基础。

电机直驱化是指低速大扭矩电机直接拖动负载， 由于传动链条中没有减速器，直驱传动系统在效率、可靠性和维护成本方面具有较大优势，电机直驱化已成为机电传动系统的重要发展趋势。在低速大转矩的使用工况下，开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)是应用较广的一类直驱电机，开关磁阻电机具有一种独特的双凸极结构，定子和转子均由硅钢片叠压而成，因此其结构简单、制造成本低。并且各相之间相互独立可控参数多，开关磁阻电机的调速范围较宽且可容错运行[1]。直驱电机的转矩输出远大于常规电机，导致直驱电机运行过程的电流和损耗也大于常规电机，长时间运行时电机温升较明显， 电机关键结构尺寸受温升影响可能发生变化，如电机定子和转子的热形变，进一步导致电机磁场分布变化，显著影响电机性能。

开关磁阻电机的磁–热耦合响应包括两个方面。首先是磁能转换为热能，电机运行时铜损、铁损等电磁损耗会转变成热能，并作为热源作用于电机本体各部分，导致电机温度场变化；其次是温度场影响磁场，电机温度升高使结构件产生热形变，影响电机的关键尺寸参数，使电机的电磁特性发生变化，进而影响电机性能。

国内外对SRM 温升及热形变的研究已取得大量的成果， 文献[2]利用ANSYS 有限元仿真软件对125 kW SRM 进行了热分析和仿真，得到了在额定工况下电机定子和转子的温度分布。文献[3]对SRM 各部件典型位置的磁通密度进行分析，利用铁损模型计算SRM 热源分布状况，对SRM 高真空工况下的温度场进行分析，为电机优化设计提供了理论参考。文献[4]对一台电动汽车用110 kW SRM 工作时的温度场进行数值分析，为其在实际应用中提供了理论依据。

还有一些研究者对开关磁阻电机温度场仿真技术进行了优化。

文献[5] [6]提出了一种新型变密度网格划分方法和绕组气隙建模方法，在此基础上进行了相应的有限元分析，结果表明该建模方法有效提高了