高比功率中頻異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子關(guān)鍵技術(shù)研究

董 菲，劉 雯，王 毅，丁 閃，安 翼

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引 言

航天伺服系統(tǒng)用中頻電機(jī)是一種銅條鼠籠式三相異步電機(jī)[1]，其轉(zhuǎn)速高達(dá)9000 r/min，功率級別為4 kW。由于電動液壓伺服機(jī)構(gòu)用中頻電機(jī)比功率要求高，同時受空間結(jié)構(gòu)體積的限制較嚴(yán)，壽命時間長，絕緣可靠性高，且高密度發(fā)射批產(chǎn)要求研制和生產(chǎn)周期短，因此需要對中頻異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

1 高比功率中頻異步電機(jī)定轉(zhuǎn)子關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高比功率電磁設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

比功率即功率與重量之比，電機(jī)的重量與電機(jī)主要尺寸成正比，而電機(jī)主要尺寸與電機(jī)扭矩成正比。在相同功率下，為減小尺寸，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速最為有效。采用傳統(tǒng)的工頻50 Hz供電，電機(jī)最高同步速只能達(dá)到3000 r/min，因此，在給定的尺寸、重量要求下，電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇成為需要重點(diǎn)解決的問題。

根據(jù)航天短時工作特點(diǎn)，從電磁參數(shù)選擇方面，為盡量減小電磁尺寸，可以選取較高的電流密度、熱負(fù)荷和磁密以及銅轉(zhuǎn)子等，同時電機(jī)也面臨發(fā)熱大、磁場飽和等難題。如何保證既定短時工作內(nèi)的電機(jī)發(fā)熱滿足要求，需結(jié)合準(zhǔn)確的溫度場分析進(jìn)而不斷優(yōu)化電磁設(shè)計。同時需采用適合高速、中頻低損耗的導(dǎo)磁材料和耐高溫的絕緣材料等。

1.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

考慮電機(jī)高速運(yùn)行特點(diǎn)，需對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，為提高高速旋轉(zhuǎn)可靠性，可采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，即將銅條插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，再在兩端換上短路環(huán)的結(jié)構(gòu)。為保證電機(jī)平穩(wěn)高速旋轉(zhuǎn)，需對轉(zhuǎn)子進(jìn)行動平衡試驗，且平衡品級應(yīng)取G1級或更高級別。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高，發(fā)熱量大，為提高電機(jī)耐熱性，可選用耐高溫軸承及軸承潤滑脂?？紤]轉(zhuǎn)子零組件生產(chǎn)流程，并結(jié)合產(chǎn)品工作特點(diǎn)，為縮短周期，提高工藝性，可以對轉(zhuǎn)子鐵芯沖片材料及疊裝成型方式進(jìn)行改進(jìn)。

1.3 定子高可靠絕緣設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

高功率中頻電機(jī)，電流密度較大，雖短時工作，但定子繞組發(fā)熱不可忽視，且是定子發(fā)熱最高部位。溫度是降低定子絕緣可靠性的主要因素，絕緣材料的極限工作溫度就是電機(jī)運(yùn)行時繞組絕緣允許最高溫度。因此設(shè)計定子時槽絕緣、層絕緣可選用H級絕緣材料，繞組可選用C級漆包線，絕緣漆可選用H級有機(jī)硅浸漬漆。

2 具體實(shí)施方案

中頻電機(jī)為鼠籠式三相中頻異步電動機(jī)，由中頻電源供電，當(dāng)其定子三相繞組接通三相交流電源時，繞組中就有三相對稱電流流通，在電機(jī)的氣隙內(nèi)將產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速為n1=60f/p的旋轉(zhuǎn)磁場。由于轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場之間有相對運(yùn)動（異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場的），在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，并有電流流過，載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過連接軸拖動負(fù)載（油泵）輸出機(jī)械功率。中頻電機(jī)三維外觀如圖1所示。

圖1 中頻電動機(jī)三維外觀Fig.1 Three-dimensional Chart of Medium Frequency Motor

2.1 電磁設(shè)計

在電磁設(shè)計時，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行工況特點(diǎn)，采用ANSOFT軟件建立電機(jī)仿真計算模型[2]，進(jìn)行方案設(shè)計。針對中頻異步電機(jī)運(yùn)行的兩個工況點(diǎn)：200 V，3.2 N，≥8700 r/min和200 V，4.3 N，≥8700 r/min，從“路”的理念出發(fā)，設(shè)計電機(jī)磁路，首先進(jìn)行快速的電磁設(shè)計計算，然后采取溫度場分析，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計和精確設(shè)計，并具有恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計裕度。

2.2 溫度場分析

根據(jù)電磁計算結(jié)果中繞組銅耗、鐵耗、摩擦損耗等參數(shù)，對中頻電機(jī)雜散損耗和表面散熱進(jìn)行估計。建立電機(jī)三維模型后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，進(jìn)行材料設(shè)置、網(wǎng)格剖分、載荷計算和施加，起始溫度設(shè)置等必要的前期處理，利用 ANSYS軟件中熱分析計算模塊對模擬實(shí)際環(huán)境下中頻電機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行發(fā)熱估算。

2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

中頻電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要對軸強(qiáng)度進(jìn)行分析。

中頻電機(jī)轉(zhuǎn)軸的材料為 40CrNiMoA，調(diào)質(zhì)處理32～38 HRC（大于320 HB），最小抗拉強(qiáng)度σb=1080 MPa，最小屈服強(qiáng)度σs=930 MPa。

力如下：

2.4 定子結(jié)構(gòu)改進(jìn)

中頻電機(jī)在定子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，改變定子鐵芯疊裝成型方式，并選用導(dǎo)磁更好的沖片材料[3]代替原沖片材料，提高電機(jī)工藝性及產(chǎn)品性能。以前定子鐵芯是先加工出沖片，再由單片沖片通過純手工鉚釘鉚接成型，改進(jìn)后可通過采用專用工裝/模具實(shí)現(xiàn)“沖片沖制-疊壓-鉚扣自鉚接”疊鉚一體化成型。一臺電機(jī)的定子鐵芯一般由上百片硅鋼片組成的，鐵芯沖片的生產(chǎn)用量大，同時，對鐵芯的質(zhì)量要求也很高。鐵芯疊裝質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的性能。

2.5 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即改變轉(zhuǎn)子鐵芯疊裝成型方式，將之前的純手工鉚釘鉚接成型改進(jìn)為通過機(jī)械疊壓-鉚接一體成型，并選用導(dǎo)磁更好的沖片材料代替原沖片材料。與之前相比，簡化工藝流程，實(shí)現(xiàn)工藝方法改進(jìn)，提高過程控制質(zhì)量，避免過程多余物和沖片翹起等問題。提高了精度和效率，降低了成本，并使轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動的可靠性得到進(jìn)一步的提高。

2.6 絕緣可靠性改進(jìn)

為提高電機(jī)絕緣系統(tǒng)的耐高溫性能，確保絕緣材料和浸漬漆的質(zhì)量和工藝性，采用新型成熟的聚酰亞胺絕緣材料和技術(shù)[4,5]?，F(xiàn)有中頻電機(jī)定子所用絕緣材料都選自20世紀(jì)80年代，實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)絕緣漆布脆性大，柔韌性低，折疊加工易斷裂破損，成品率低；絕緣壓板硬度較低，裁剪后易分層，裝配難度較高，過程中易折斷，成品合格率不高，多產(chǎn)生玻璃粉塵，危害人體健康，浸漬漆運(yùn)輸和購買困難。隨著非金屬絕緣材料工藝、技術(shù)進(jìn)步，出現(xiàn)多種絕緣性、加工性、使用性更好的同類產(chǎn)品，可作為老絕緣材料的替代產(chǎn)品，進(jìn)一步提高了電機(jī)的絕緣可靠性及工藝性，降低使用、運(yùn)輸及購買難度。為確保電機(jī)的高可靠絕緣性，采用真空壓力浸漆與普通浸漆相配合的方式，且對漆的質(zhì)量，以及浸漆真空度、壓力均有嚴(yán)格要求[6]。

3 仿真及實(shí)測結(jié)果

3.1 技術(shù)指標(biāo)要求

高比功率中頻異步電機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 電機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求Tab.1 The Request of Technique Index

3.2 電機(jī)電磁分析及實(shí)測結(jié)果

利用ANSYS Rmxprt電磁場分析軟件進(jìn)行復(fù)核、復(fù)算[7]。磁路分析結(jié)果分別如圖2、圖3所示。

圖2 轉(zhuǎn)速與力矩關(guān)系Fig.2 Relative Diagram of Speed and Torque

圖3 轉(zhuǎn)速與電流關(guān)系Fig.3 Relative Diagram of Speed and Current

電機(jī)電磁計算及實(shí)測結(jié)果如表2所示。

表2 電機(jī)電磁計算及實(shí)測結(jié)果Tab.2 The Results of Electromagnetic Design and Measure

由計算結(jié)果可知電機(jī)轉(zhuǎn)速，高于9000 r/min，為普通異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的3～4倍。電機(jī)輸出功率4 kW，質(zhì)量為4 kg，比功率達(dá)1 kW/kg，遠(yuǎn)高于其他同類電機(jī)。

3.3 溫度場有限元計算及實(shí)測結(jié)果

模擬實(shí)際工作環(huán)境條件，進(jìn)行電機(jī)溫度場計算。與電機(jī)配套伺服系統(tǒng)熱真空試驗測試結(jié)果進(jìn)行對比如表3所示[8]，理論設(shè)計結(jié)果如圖4所示，其中熱流密度為 20～20.6 kW/m2。

表3 有限元計算與實(shí)測結(jié)果Tab.3 The Results of Finite Element Analysis

電機(jī)處于大氣環(huán)境下，設(shè)定初始溫度和環(huán)境溫度為22 ℃，熱載荷為電機(jī)各部分損耗，工作過程中存在自然對流散熱。

電機(jī)在200 V電壓，負(fù)載分別為3.2 N·m（5 min），4.3 N·m（5 min）下工作，溫度場計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 電機(jī)溫度場分布Fig.4 Temperature Field Distribution of Motor

電機(jī)溫升曲線如圖5所示。

由圖5可知，在模擬中頻電機(jī)實(shí)際工作情況下，工作時間 600 s時，電機(jī)靠近繞組處定子鐵芯溫度164 ℃，與實(shí)測值基本吻合。電機(jī)絕緣材料及浸漬漆均選用H級以上耐高溫材料，耐溫高于180 ℃?？梢姡姍C(jī)熱設(shè)計完全滿足使用要求。

3.4 強(qiáng)度有限元分析

在 ANSYS Workbench環(huán)境下，設(shè)定轉(zhuǎn)速為8700 r/min，對轉(zhuǎn)子花鍵施加 1.5倍外負(fù)載，即6.45 N·m扭矩，對軸承安裝面施加圓柱形約束，電機(jī)軸受力情況如圖6所示。

圖6 軸強(qiáng)度有限元分析Fig.6 Stator Core

從圖6可見，6.45 N·m轉(zhuǎn)矩作用下，軸最大受力部位也為花鍵軸臺階端環(huán)處，feaσ=95.629 MPa，剩余安全系數(shù)為：

3.5 定子鐵芯結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對比

之前沖片加工后裝配成鐵芯工序多，周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多；且疊壓過程環(huán)節(jié)多，質(zhì)量控制存在風(fēng)險，整個沖片成型過程存在工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長、質(zhì)量一致性不好等缺點(diǎn)，采用手工操作模式，沖片加工后裝配成鐵芯工序多，主要工序有9道，成型周期較長、成本高。一臺電機(jī)定轉(zhuǎn)子生產(chǎn)周期約為30天，不能適應(yīng)批產(chǎn)要求。過程環(huán)節(jié)多，質(zhì)量控制存在風(fēng)險。

實(shí)現(xiàn)中頻電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯疊壓一體化技術(shù)后，簡化了工藝流程，避免了原工藝中疊壓、涂膠、焊接等復(fù)雜的工藝過程，減少6道加工工序。生產(chǎn)周期顯著縮短，實(shí)現(xiàn)了一臺中頻電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子鐵芯生產(chǎn)時間不到10 min。完成了中頻電機(jī)定轉(zhuǎn)子疊壓鉚接一體化模具設(shè)計和制造，尺寸精確?？煽啃愿?，無變形，無多余物等。

純手工鉚釘鉚接成型的定子鐵芯如圖7a所示，全自動疊鉚一體化成型的定子鐵芯如圖7b所示。轉(zhuǎn)子鐵芯改進(jìn)工藝與定子鐵芯基本相同。

圖7 定子鐵芯Fig.7 Stator Core

3.6 可靠性試驗情況

目前，已有2臺產(chǎn)品隨伺服系統(tǒng)通過了可靠性增長試驗考核，約4臺產(chǎn)品通過了熱力學(xué)、低氣壓、壽命等考核。配套于伺服系統(tǒng)成功參加了各種大型地面試驗和飛行試驗考核。

4 結(jié) 論

本文對航天伺服系統(tǒng)用高比功率電機(jī)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究，研究過程中，綜合應(yīng)用電磁場、溫度場、結(jié)構(gòu)場等有限元分析技術(shù)，證明電機(jī)仿真結(jié)果和實(shí)測值非常吻合，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計和精確設(shè)計。采用了耐高溫絕緣材料、新浸漆技術(shù)、全自動疊鉚一體化等新產(chǎn)品和新技術(shù)，解決電機(jī)空間限制下高比功率需求，提高電機(jī)的可制造性，保證電機(jī)的高可靠絕緣性，提高產(chǎn)品合格率、成品率及質(zhì)量，降低成本。