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)

0 引 言

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。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對ERPMSM性能影響

1.1 極槽配合對輸出能力的影響

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。

1.2 定子齒槽寬度比對輸出能力的影響

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

1.3 定子軛厚對輸出能力的影響

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

1.4 永磁體厚度對輸出能力的影響

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

2 有限元分析結(jié)果

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

3 新型鐵磁材料對電機(jī)性能的影響

3.1 新型鐵磁材料特性分析

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

3.2 新型鐵磁材料對電磁轉(zhuǎn)矩的影響

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

3.3 新型鐵磁材料對效率的影響

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

4 實(shí)驗(yàn)分析

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

5 結(jié) 語

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。