趙元?jiǎng)伲频录?,潘衛(wèi)東,何 洋,趙 睿
(上海航天控制技術(shù)研究所,上海 201109)
電驅(qū)動(dòng)飛行器由于需要長時(shí)間在臨近空間巡航,而臨近空間跨越了平流層、中間層和熱層的低層區(qū)域,不僅環(huán)境溫度變化復(fù)雜,而且還存在光化學(xué)作用、電離層與中性大氣的耦合、低層大氣波動(dòng)、電流和高能粒子加熱等物理過程[1-3],對電機(jī)的質(zhì)量、體積、可靠性等方面要求嚴(yán)苛,希望電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率密度、效率、溫升等性能能夠得到明顯提升[4-5]。
電驅(qū)動(dòng)飛行器采用直接驅(qū)動(dòng)方式,轉(zhuǎn)速在1 500 r/min左右,因此,高速高功率密度電機(jī)不在本文的討論之列。國際上幾款電驅(qū)動(dòng)飛行器如英國的Zeyphr、瑞士的Solar Impulse以及歐盟的Heliplat,由于推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不高,功率密度僅能達(dá)到0.4 kW/kg等級[6-8]。
目前,國內(nèi)外學(xué)者在提高電機(jī)功率密度方面做了很多研究。天津大學(xué)王曉遠(yuǎn)教授通過對比分析鼠籠異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn),總結(jié)出高功率密度電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)材料選擇與工藝處理等規(guī)律[9];哈爾濱工業(yè)大學(xué)李立毅教授通過對高過載永磁同步電機(jī)的研究,研制了一臺10倍過載能力的短時(shí)高功率密度電機(jī),分析了電機(jī)結(jié)構(gòu)對過載能力的影響[10];哈爾濱工業(yè)大學(xué)張江鵬對1J22鐵磁材料進(jìn)行了細(xì)致的研究,得到了該材料的B-H曲線和B-P曲線[11];在工藝上用扁線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓導(dǎo)線,能夠明顯提高槽滿率,從而提升電機(jī)功率密度。國內(nèi)外學(xué)者除了對傳統(tǒng)的異步電機(jī)和同步電機(jī)進(jìn)行研究,還致力于對新型結(jié)構(gòu)電機(jī)的研究,如橫向磁通電機(jī)、超導(dǎo)電機(jī)、磁阻電機(jī)、混合勵(lì)磁電機(jī)等,對提高電機(jī)功率密度有所幫助[12-14]。
本文通過應(yīng)用新型的鐵磁材料來提高外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)(以下簡稱ERPMSM)的功率密度、效率等性能,以傳統(tǒng)的硅鋼片入手,對樣機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上分析1J22、非晶合金對電機(jī)輸出性能的影響,總結(jié)了這三種材料的優(yōu)劣勢,給出了各個(gè)材料的應(yīng)用場合,為樣機(jī)的研制提供依據(jù),最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。
選用不同的極槽配合,電機(jī)的繞組因數(shù)kw不同,在其他條件不變的情況下,電機(jī)的空載反電動(dòng)勢E0不同[15],如下式所示:
E0=4.44fNkwΦδ0
(1)
式中:f為電流頻率;N為繞組相繞組匝數(shù);Φδ0為空載氣隙主磁通。
E0的大小不僅決定電動(dòng)機(jī)工作于增磁還是去磁狀態(tài),而且對電機(jī)的輸出性能影響很大,合理設(shè)計(jì)E0可以降低定子電流,提高電動(dòng)機(jī)效率,減小溫升。表1列出了幾種不同極槽配合下的kw值[16]。
表1 分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)繞組因數(shù)kw
從提高空載反電動(dòng)勢的角度來講,應(yīng)當(dāng)選擇繞組因數(shù)較大的極槽配合,同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低,且碳化硅驅(qū)動(dòng)器在高頻下性能優(yōu)勢明顯,因此可以選擇極對數(shù)較高的極槽配合。初步選定極槽配合為32極36槽。
ERPMSM屬于徑向磁路結(jié)構(gòu),在同一平面內(nèi),電路和磁路存在競爭關(guān)系。在給定的技術(shù)條件下,如果想要提高電機(jī)的輸出功率,一方面可以提高磁負(fù)荷,此時(shí)為了避免定子齒部磁密出現(xiàn)過飽和情況,需要增大齒寬;另一方面可以提高電負(fù)荷,此時(shí)為了避免電流密度過大導(dǎo)致電機(jī)不能長時(shí)間工作,需要增大槽面積來增大繞組銅截面積[17]。通過以上分析可知,對于徑向磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī),電路與磁路的競爭關(guān)系決定了不可能同時(shí)增大電負(fù)荷與磁負(fù)荷,總是在妥協(xié)中達(dá)到最優(yōu)解。
從圖1可以看出,定子齒寬并不是越大越好,隨著齒槽寬度比的增大,電磁轉(zhuǎn)矩先增大后減小,對于外轉(zhuǎn)子而言,當(dāng)齒槽寬度比在1.0~1.1之間時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩最大;從圖2可以看出,電磁轉(zhuǎn)矩取最大值時(shí),電機(jī)效率并不高。因此,定子齒寬的選擇要綜合考慮并兼顧電磁轉(zhuǎn)矩與效率。
圖1 齒槽寬度比對電磁轉(zhuǎn)矩的影響
圖2 定子齒槽寬度比對效率的影響
定子軛部是電機(jī)磁路形成閉合回路的一環(huán),軛部的磁密飽和程度對電機(jī)的性能影響較大。由于選擇的極對數(shù)較多,所以定子軛部厚度要比低極對數(shù)時(shí)薄得多,而且定子軛部越薄,定子的槽截面積就越大,電負(fù)荷增大使得輸出能力得以增加,但是軛部太薄將使得該部位的磁密飽和程度增大,進(jìn)而導(dǎo)致效率降低,得不償失。
從圖3可以看出,電磁轉(zhuǎn)矩隨定子軛厚呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,在定子軛厚為3 mm左右時(shí)取最大值;從圖4可以看出,隨著定子軛厚的增大,效率也在增大,不過變化比較小。
圖3 定子軛厚對電磁轉(zhuǎn)矩的影響
圖4 定子軛厚對效率的影響
永磁同步電機(jī)通過永磁體建立空載氣隙磁場,永磁體厚度將影響氣隙磁通密度,最終影響輸出轉(zhuǎn)矩。增大永磁體厚度可以提高氣隙磁通密度,但是永磁體的磁導(dǎo)率很低,與空氣近似,也就意味著電樞磁場的氣隙增大,而電機(jī)在工作時(shí)的磁場是空載磁場與電樞磁場的合成,一味增大空載磁場,將會(huì)大大降低電樞磁場,使得合成磁場幅值降低。
從圖5可以看出,在轉(zhuǎn)子外徑不變的情況下,增加永磁體厚度使得定子槽截面積降低,電負(fù)荷將會(huì)降低,所以隨著永磁體厚度的增大,電磁轉(zhuǎn)矩是先增大后減小的趨勢,永磁體厚度在5~6 mm區(qū)間時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩取得最大值。從圖6可以看出,效率的最高點(diǎn)出現(xiàn)在永磁體厚度4~5 mm區(qū)間。
圖5 永磁體厚度對電磁轉(zhuǎn)矩的影響
圖6 永磁體厚度對效率的影響
通過上述分析,得到ERPMSM的主要參數(shù),如表2所示。圖7為有限元計(jì)算模型。
表2 ERPMSM主要參數(shù)
圖7 有限元計(jì)算模型
圖8和圖9分別是額定轉(zhuǎn)速下的空載仿真與負(fù)載仿真結(jié)果,其中氣隙磁密幅值為0.77 T,空載相反電動(dòng)勢幅值有效值為46.7 V,額定電磁轉(zhuǎn)矩為38.2 N· m,負(fù)載相反電動(dòng)勢幅值有效值為65.1 V。
圖8 空載仿真結(jié)果
圖9 負(fù)載仿真結(jié)果
圖10 是三種鐵磁材料的B-H曲線。從磁飽和性能來看,1J22>硅鋼片>非晶合金,飽和磁密高,意味著能夠設(shè)計(jì)更高的磁負(fù)荷,從而提高輸出能力,而且也能夠提高過載能力。
圖10 三種鐵磁材料B-H曲線
圖11是三種鐵磁材料的損耗曲線。從單位質(zhì)量損耗來看,硅鋼片>1J22>非晶合金,不僅如此,非晶合金在高頻下?lián)p耗增長依舊較小,說明非晶合金在高頻下優(yōu)勢更加明顯。
圖11 三種鐵磁材料損耗曲線
電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不僅與氣隙磁場強(qiáng)度有關(guān),還與定子側(cè)的磁動(dòng)勢有關(guān)。在只改變定子鐵心材料的情況下,定子鐵心的磁密飽和程度不同,會(huì)影響氣隙合成磁場。表達(dá)式如下:
(2)
式中:p為極對數(shù);F1為定子磁動(dòng)勢;δ1為轉(zhuǎn)矩角。
采用id=0的控制模式,得到負(fù)載反電動(dòng)勢與相電流的關(guān)系曲線,如圖12所示。從圖12中可以看出,硅鋼片與非晶合金的負(fù)載反電動(dòng)勢基本重合;在低負(fù)載的情況下,三種材料的負(fù)載反電動(dòng)勢基本一致;在相電流大于35 A時(shí),1J22材料的負(fù)載反電動(dòng)勢開始大于其他兩種材料,且在高過載的情況下,1J22材料的負(fù)載反電動(dòng)勢高出其他兩種材料15.1%。
圖12 負(fù)載反電動(dòng)勢與相電流關(guān)系曲線
圖13為三種材料的T-I曲線。從圖13中可以看出,硅鋼片與非晶合金材料的T-I曲線基本重合,這說明這兩種材料的輸出能力相差不大,而1J22鐵磁材料在I=60 A即1.2倍以上過載時(shí),輸出能力明顯增強(qiáng)。在額定狀態(tài)下,1J22輸出能力提高4.2%;在最大過載能力下,1J22輸出能力提高13.6%。
圖13 三種鐵磁材料T-I曲線
在其他條件不變,只改變定子鐵心材料的情況下,影響電機(jī)效率的變量只有定子鐵心損耗。根據(jù)分離鐵耗模型,電機(jī)的鐵心損耗由下式三部分組成:
pFe=ph+pe+pexc
(3)
式中:ph磁滯損耗;pe渦流損耗;pexc附加損耗。
磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗計(jì)算分別如下式所示:
(4)
式中:Kh為磁滯損耗系數(shù);Ke為渦流損耗系數(shù);Kexc為附加損耗系數(shù);Bm為鐵心磁密正弦波形的幅值;α,β是與材料相關(guān)的系數(shù)。
可以看出,定子鐵心損耗不僅與頻率成正相關(guān),而且與鐵心磁密成正相關(guān)。
圖14是定子鐵耗隨負(fù)載的變化曲線,從定子鐵耗來看,硅鋼片>1J22>非晶合金,在最大過載情況下,與硅鋼片的定子鐵耗相比,1J22的鐵耗減低了47.1%,非晶合金的鐵耗降低了84.9%,這表明采用1J22和非晶合金這兩種新型鐵磁材料可以有效降低定子鐵耗。圖15是定子鐵心用三種材料時(shí)的效率曲線。從效率曲線可以看出,改變定子鐵心的材料,對效率隨負(fù)載的變化趨勢是沒有影響的,采用1J22和非晶合金這兩種材料的電機(jī)效率都略高于硅鋼片。細(xì)致看來,在低負(fù)載的情況下,用非晶合金材料效率更高,而在高過載的情況下,用1J22材料的效率更高。
圖14 三種鐵磁材料的定子鐵耗曲線
圖15 三種鐵磁材料效率曲線
根據(jù)前面的設(shè)計(jì),定子鐵心采用傳統(tǒng)的硅鋼片及1J22鐵磁材料,制作的樣機(jī)如圖16所示,樣機(jī)總質(zhì)量為6.65 kg,負(fù)載測試平臺如圖17所示。
圖16 ERPMSM樣機(jī)
圖17 輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)測試平臺
使用傳統(tǒng)硅鋼片的電機(jī)空載轉(zhuǎn)速曲線如圖18所示。從圖18可知,電機(jī)在2 500 r/min附近空載轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在±20 r/min波動(dòng),轉(zhuǎn)速波動(dòng)僅為1%,此時(shí)空載電流僅為1.8 A。
圖18 硅鋼片樣機(jī)空載轉(zhuǎn)速曲線
負(fù)載測試采用兩臺電機(jī)對拖方式,電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)速如圖19所示。
圖19 硅鋼片樣機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)速曲線
通過加大負(fù)載電流,得到被測電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載電流的變化曲線如圖20所示,由于受限于驅(qū)動(dòng)器水平,負(fù)載電流最大施加到80 A。從圖20可以看出,當(dāng)電流小于30 A,實(shí)驗(yàn)結(jié)果略小于仿真結(jié)果,兩者平均相差 6.2%,轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果較仿真結(jié)果先趨向于飽和,在額定工況下,轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果為34.8 N·m,與仿真結(jié)果相差9.4%,功率密度為0.82 kW/kg。
圖20 硅鋼片樣機(jī)T-I實(shí)驗(yàn)曲線
圖21為傳統(tǒng)硅鋼片和1J22鐵磁材料的T-I實(shí)驗(yàn)曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文的分析相吻合,即在低負(fù)載階段,二者的性能幾乎沒有差別,當(dāng)大于額定負(fù)載時(shí),1J22材料的輸出能力明顯增強(qiáng),在80 A時(shí),輸出能力提高了9.8%。
圖21 硅鋼片樣機(jī)T-I實(shí)驗(yàn)曲線
本文以ERPMSM為研究對象,首先通過ANSYS有限元軟件對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,得到結(jié)構(gòu)參數(shù)對ERPMSM的性能影響,為電機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。其次,對傳統(tǒng)硅鋼片、1J22和非晶合金的材料特性進(jìn)行分析,得到新型材料對電機(jī)在輸出能力和效率方面的影響,結(jié)果表明:在高過載工況下,1J22性能優(yōu)勢明顯,輸出能力提高13.6%,鐵耗降低47.1%;在高頻工況下,非晶合金性能優(yōu)勢明顯;不過,就經(jīng)濟(jì)效益而言,新型鐵磁材料的價(jià)格比傳統(tǒng)硅鋼片高出100倍之多。最后,設(shè)計(jì)了一款樣機(jī)并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn),在額定點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果為34.8 N·m,與仿真結(jié)果相差9.4%,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。