航空中頻自起動永磁同步電機的設計與試驗

賈宇琪 周利華

摘要：自起動永磁同步電動機是轉子上安裝有起動繞組的永磁同步電動機，具有在某一頻率和電壓下的自行起動能力。針對航空領域115V/400Hz中頻電源供電條件下自起動永磁同步電動機的研究空白，提出了一種航空中頻自起動永磁同步電動機方案。本文分析了這一特殊供電條件下該種電機定子、轉子和永磁體等方面的設計特點，設計了一臺10kW、6極、8000r/min的樣機方案，并采用有限元方法分別對其空載性能、滿載性能和起動性能進行了仿真分析。最后研制了一臺工程樣機，在此基礎上搭建試驗臺進行了起動性能和負載性能測試試驗。仿真和試驗結果均驗證了設計方案的合理性。

關鍵詞：航空；中頻；自起動永磁同步電動機；有限元方法

中圖分類號：V242.44文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.006

電動機作為利用電磁感應原理，實現電能與機械能之間能量轉換的電磁機械裝置，廣泛應用于各類航空機載設備中。目前，飛機燃油系統(tǒng)中油泵和環(huán)控系統(tǒng)中壓氣機的驅動電機大多采用普通交流異步電動機，相比于普通交流異步電動機，自起動永磁同步電機具有以下優(yōu)點：（1）體積小、重量（質量）輕、結構簡單、功率密度高、有自起動能力；（2）在25%～120%負載范圍內都具有較高的效率和功率因數，減小了相應的線路損耗和定子銅耗，輕載時節(jié)能效果更加明顯；（3）正常工作時轉子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中較少有或幾乎不存在無功電流，使電機溫升降低；（4）減少了飛機電網中無功電流的流通，降低了機載供電電源的容量；（5）電機轉速只與供電頻率有關，不存在交流異步電動機中轉差率的問題，尤為適合定速傳動的場合。

鑒于自起動永磁同步電機的顯著優(yōu)勢，眾多文獻對其進行了研究。例如，參考文獻[1]～[4]分別從不均勻氣隙結構、分數槽繞組、繞線轉子以及盤型磁鋼結構方面對自起動永磁電機的設計方法進行了研究；參考文獻[5]對自起動永磁電機最小轉矩的確定方法進行了研究；參考文獻[6]～[8]從初始狀態(tài)、導條材料以及起動沖擊電流和轉矩的場路耦合分析方面對電機起動性能進行了研究；參考文獻[9]對自起動永磁同步電機不同轉子磁路結構進行了對比研究；參考文獻[10]從綜合考慮起動轉矩與牽入轉矩時轉子電阻優(yōu)化設計方法方面進行了分析。然而上述研究基本都集中在工頻50Hz供電條件下自起動永磁同步電動機的設計方法、起動性能計算和磁極形狀優(yōu)化等方面，對航空領域115V/ 400Hz中頻供電條件下該種電機的設計分析鮮有報道。

為此，本文提出了航空中頻自起動永磁同步電機方案，分析了115V/400Hz這一特殊供電條件下該種電機定子、轉子和永磁體等方面的設計特點，設計了一臺10kW、6極、8000r/min航空自起動永磁同步電機方案，并進行了電磁場有限元建模分析。最后研制了一臺樣機，并搭建試驗臺對其進行了試驗研究。

1設計方案

1.1電機初始性能要求

電機的主要性能參數初始要求見表1。

1.2定子設計

自起動永磁同步電動機定子沖片設計可參考普通交流異步電動機定子沖片設計方法?？紤]到轉子永磁體安裝的方便，該電機設計中采用定子斜槽方式，而不采用交流異步電動機通常選用的轉子斜槽方式。

根據接口要求，電機定子沖片外徑確定為148mm，定子槽數為54槽，采用平行齒結構。電樞繞組采用雙層疊繞組，每極每相槽數q=3，線圈跨距y=8。設計出的電機定子沖片如圖1所示。

1.3轉子設計

在定子沖片尺寸確定的基礎上，氣隙長度選為0.3mm，對轉子沖片進行設計。在定、轉子槽配合方面，自起動永磁同步電機選取原則與交流異步電動機存在一定差別。通常該種電動機的轉子槽數在定、轉子槽配合選用原則容許的范圍內被選為電機極數的整數倍。綜合考慮轉子電阻以及槽數對電動機起動性能的影響，本方案中電機轉子槽數選為36槽，即每一極對應的轉子槽數為6槽。

在轉子槽形設計方面，考慮到轉子空間限制且棒材導條加工和嵌放的便利，轉子槽形設計為矩形。

為了適應不同場合對電動機性能的要求，轉子電阻大小的設計需要折中考慮：轉子電阻取值較大時，電動機在低起動電流下即可產生較高的起動轉矩，然而如果轉子電阻設計的過大，會使電機難以牽入同步；反之，如果轉子電阻取值較小，電動機的牽入同步能力也較強，但缺點是起動電流會比較大。綜合考慮電機起動電流限制要求和起動性能的需要，轉子導條和端環(huán)的材料均選取為黃銅。

綜上，設計出的采用內置V形轉子磁路結構的電機轉子沖片如圖2所示。

1.4永磁體設計

航空電機通常具有可靠性高、功率密度高等特點，因此從永磁材料溫度穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性方面考慮，航空電機一般選用磁性能好且溫度系數低的釤鈷永磁材料。

2有限元仿真分析

在電機方案設計的基礎上，采用有限元軟件建模，分別對其進行了空載、滿載和起動性能電磁場仿真分析。

（1）空載性能仿真

電機空載仿真結果如圖3～圖5所示。從圖3～圖5仿真結果可以看出，電機漏磁較少，磁密分布合理，空載反電勢有效值為108.1V，計算誤差為6.67%，齒槽轉矩的有效值為0.7157N·m，占額定轉矩的比例為6%，誤差在允許范圍之內，基本滿足設計要求。

（2）滿載性能仿真

電機滿載仿真結果如圖6所示。從圖6仿真結果可以看出，電機運行在額定負載狀態(tài)時，除局部點有飽和外，電機定子最大磁密在1.6T左右，設計基本合理。

（3）起動性能仿真

電機起動性能仿真結果如圖7～圖9所示。從圖7～圖9仿真曲線可以看出，帶額定負載條件下，電機能夠順利起動到同步速運行，起動時間約為150ms，電機起動過程中的最大電流為180A左右，額定運行時電機的電流為33A左右，滿足初始設計要求。

3試驗研究

3.1樣機研制

在電機方案設計和電磁場仿真分析基礎上，研制了一臺航空中頻自起動永磁同步電機樣機，樣機實物如圖10所示。經測量，樣機重量為12.4kg，滿足初始設計要求。

3.2樣機試驗

通過搭建試驗臺，分別對樣機進行了起動性能測試和負載性能測試。電機試驗臺如圖11所示。試驗條件均為常溫、常壓。

（1）起動性能測試

由于自起動永磁同步電機起動轉矩是隨著轉子角度不同而發(fā)生變化，對于6極電機來說，轉子每一極對應的機械角度為60°。試驗中，以12°為間隔，在一個周期內共測試了5個位置點的參數，測得的工程樣機起動電流和起動轉矩見表2。

從表2試驗數據可知，一個周期內工程樣機最小起動轉矩為9.268N？m，對應起動電流為144.5A，滿足初始設計要求。

（2）負載性能測試

試驗中，工程樣機通過115V/400Hz中頻電源供電，電機穩(wěn)定運行在額定轉速8000r/min，通過控制試驗臺測功機給電機施加負載，并測量電機由1.35TN逐步降到空載過程中每個負載點的性能參數，測得的電機功率因數和效率隨負載率變化關系曲線如圖12所示，電機額定點性能參數見表3。

通過上述試驗數據可以看出，研制出的航空中頻自起動永磁同步電機工程樣機實測性能參數完全滿足電機初始性能要求，且部分技術指標遠高于要求參數，這也驗證了所提方案和設計方法的合理性。

3.3仿真與測試結果對比

在前述研究的基礎上，本節(jié)分別從起動性能和負載性能兩方面將樣機的仿真分析結果與試驗結果進行對比分析。

（1）起動性能

樣機起動性能的仿真與測試結果對比見表4。從表4中對比數據可以看出，與穩(wěn)定情況相比，在動態(tài)性能方面，仿真與測試結果誤差較大。究其原因，主要是因為動態(tài)性能仿真過程中無法考慮實際情況存在的電源電壓波動、試驗臺系統(tǒng)慣量等因素。

（2）負載性能

樣機效率和功率因數隨負載率變化仿真與測試曲線對比如圖13所示。從圖13可見，樣機效率和功率因數隨負載率變化曲線的仿真和測試結果變化規(guī)律基本一致，只是效率和功率因數仿真值略高于測試值，造成這種結果的原因主要考慮是由材料的真實特性與理論特性的差異引起，誤差在可接受范圍內，滿足工程要求。

4結論

針對航空領域115V/400Hz中頻電源供電條件下自起動永磁同步電動機的研究空白，本文提出了航空中頻自起動永磁同步電動機方案，并從定子設計、轉子設計和永磁體設計等方面分析了該種電機的設計特點。最后研制了一臺10kW、6極、8000r/min的樣機，通過有限元仿真分析和樣機試驗驗證了設計方案的合理性。研究內容為中頻電源供電條件下該類電機的設計積累了一定的經驗與參考依據，也為自起動永磁同步電機在航空領域的下一步應用奠定了基礎。

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作者簡介

賈宇琪（1988-）男，博士，高級工程師。主要研究方向：航空電機設計。

Tel：025-51818178

E-mail：372398856@qq.com

周利華（1975-）男，碩士，研究員。主要研究方向：航空電機設計。

Tel：025-51818178

E-mail：13851407038@139.com

Design and Experiment of Intermediate Frequency Line-start PMSM Used in Aviation

Jia Yuqi*，Zhou Lihua

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical system integration，AVIC Nanjing Engineering Institute of Aircraft System，Nanjing 211106，China

Abstract： Line-start permanent magnet synchronous motor（Line-start PMSM） is a PMSM with starting windings installed on the rotor， which has the ability of self-starting at a certain frequency and voltage. Aiming at the research blank of Line-start PMSM under 115V/400Hz intermediate frequency power supply in aviation， an intermediate frequency line-start PMSM used in aviation is proposed. The design features of stator， rotor and permanent magnet of the motor under this special power supply condition are analyzed， and a prototype of 10kW， 6 poles and 8000r/min is designed. The no-load performance， full-load performance and starting performance are simulated and analyzed with the finite element method（FEM）. Finally， an engineering prototype is developed and the starting performance and load performance of the motor are measured by building a test bench. The simulation and experiment results verify the rationality of the design.

Key Words： aviation； intermediate frequency； line-start PMSM； FEM