低速高轉(zhuǎn)矩密度永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

趙元?jiǎng)?，趙 睿，劉若愚，黃民昌，馬成成

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109)

0 引言

動(dòng)力系統(tǒng)采用直接驅(qū)動(dòng)方式可以減少中間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，能夠有效降低系統(tǒng)重量，提高系統(tǒng)可靠性，因此低速直驅(qū)式永磁同步電機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。槳翼飛行器需要長(zhǎng)時(shí)間在臨近空間巡航，工作環(huán)境惡劣，受限于電池發(fā)展水平，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度提出了很高的要求[3]。

在提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多研究工作。文獻(xiàn)[4]提出了改變相鄰齒的寬度以及多槽少極隔齒隔相的方法，引入輔助齒雖然能有效提高磁負(fù)荷，但是也同時(shí)降低了線負(fù)荷，轉(zhuǎn)矩密度提升不明顯；文獻(xiàn)[5-6]提出了基于90度Halbach陣列的無(wú)鐵心盤式電機(jī)，雖然能夠降低電機(jī)質(zhì)量，但是氣隙增大，磁負(fù)荷降低；文獻(xiàn)[7]給出了低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)、極槽配合的選擇原則；文獻(xiàn)[8]提出了將氣隙磁密設(shè)計(jì)成梯形波來(lái)提高三次諧波含量，并在電流中注入三次諧波來(lái)提高轉(zhuǎn)矩密度，但是該方法增大了控制的難度；文獻(xiàn)[9]采用高強(qiáng)度水冷的方式提高轉(zhuǎn)矩密度，但是增加了銅耗。綜上，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，可以采用新的電機(jī)結(jié)構(gòu)，也可以提高電負(fù)荷與磁負(fù)荷。

本文采用1J22新型硅鋼片材料提高磁負(fù)荷，同時(shí)利用強(qiáng)制水冷的方式提高電負(fù)荷，最后對(duì)轉(zhuǎn)子、機(jī)殼等結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)計(jì)，在最大程度上提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。

1 低速高轉(zhuǎn)矩密度PMSM電磁設(shè)計(jì)

1.1 PMSM 輸出能力分析

電機(jī)的計(jì)算轉(zhuǎn)矩如公式(1)所示，其值與電負(fù)荷、磁負(fù)荷成正比，因此在體積不變的條件下，需要盡可能的提高電負(fù)荷與磁負(fù)荷。

(1)

圖1是PMSM負(fù)載T-I特性曲線，從圖中可以看出，隨著負(fù)載電流的增大，輸出轉(zhuǎn)矩是先線性增大，后進(jìn)入飽和段增長(zhǎng)緩慢。T-I曲線在什么位置由線性段進(jìn)入飽和段，是由定子鐵心材料決定的，因此可以選擇飽和磁密高的鐵磁材料，1J22的飽和磁密在2.3T左右，比傳統(tǒng)硅鋼片高大約28%，對(duì)提升轉(zhuǎn)矩密度性能優(yōu)勢(shì)明顯。

轉(zhuǎn)矩密度的提升還受制于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的限制，由于負(fù)載線反電動(dòng)勢(shì)不能超過(guò)母線電壓，所以會(huì)限制施加的負(fù)載電流，想要提高電流等級(jí)，則需要在設(shè)計(jì)時(shí)降低額定轉(zhuǎn)速下的空載反電動(dòng)勢(shì)[10-11]?？紤]到電機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間工作，電流密度過(guò)高將使得溫升過(guò)快，對(duì)散熱水平是一大考驗(yàn)。綜上，在溫升對(duì)電機(jī)性能影響不大的條件下，可以適當(dāng)降低空載反電動(dòng)勢(shì)，提高負(fù)載電流來(lái)提高轉(zhuǎn)矩密度。

1.2 PMSM仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)得到的低速高轉(zhuǎn)矩密度永磁同步電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機(jī)主要參數(shù)

電機(jī)的電流密度為14 A/mm2，自然冷卻條件下，電機(jī)溫度很高，難以長(zhǎng)時(shí)間工作，必須設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。為了方便冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在定子軛部開(kāi)槽口，如圖2所示。

定子軛部開(kāi)槽對(duì)軛部磁密的影響如圖3所示，從圖中可以看出，在軛部對(duì)應(yīng)定子齒的位置開(kāi)一個(gè)小槽，對(duì)整體的磁密影響較小，僅在開(kāi)槽處磁密增長(zhǎng)較大，約為31.7%。

圖4和圖5分別是空載仿真與負(fù)載仿真結(jié)果，其中氣隙磁密峰值為1.0 T，空載空反電動(dòng)勢(shì)幅值為60 V，電磁轉(zhuǎn)矩為113.1 N·m；轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為0.73%，說(shuō)明在大負(fù)載工況下，電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行；負(fù)載相反電動(dòng)勢(shì)為85 V，此時(shí)的線電壓峰值為208.2 V，逆變器占空比為94.6%，接近達(dá)到極限，說(shuō)明此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩接近能夠輸出的最大值。

2 低速高轉(zhuǎn)矩密度PMSM水冷設(shè)計(jì)

由于電機(jī)發(fā)熱量大，單純依靠殼體等零部件的散熱難以滿足電機(jī)正常工作的溫度需求，因此電機(jī)冷卻系統(tǒng)成為電機(jī)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。由于液體具有較高的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，常作為冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)。水作為最常用的冷卻液，現(xiàn)已在電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)和控制器冷卻系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，因此該永磁同步電機(jī)選用水冷散熱以滿足電機(jī)工作的溫度需求。

2.1 冷卻結(jié)構(gòu)和模型簡(jiǎn)化

電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本著輕質(zhì)、高效的原則，對(duì)電機(jī)每一個(gè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了減重處理，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，將電機(jī)重量減少到極致，同時(shí)傳統(tǒng)的電機(jī)冷卻主要以在機(jī)殼內(nèi)放置冷卻水套進(jìn)行電機(jī)冷卻，在高壓情況下容易出現(xiàn)漏水漏油等現(xiàn)象[12]，此種冷卻方式會(huì)導(dǎo)致電機(jī)機(jī)殼過(guò)厚，不利于電機(jī)減重，故設(shè)計(jì)一種在機(jī)殼與定子軛部開(kāi)軸向槽路安裝水冷管道的方式，如圖6所示。

由于電機(jī)的實(shí)際模型復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)格劃分造成困難，因此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化保留外殼、定子、繞組、冷卻銅管后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

2.2 熱仿真定義

考慮電機(jī)的定子鐵耗、繞組銅耗，將其作為熱源定義相關(guān)零件的發(fā)熱體積功率，在電流100 A的工況下計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 熱源體積熱功率

材料的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示。

表3 材料屬性

將電機(jī)定子的損耗功率作為熱源施加在定子硅鋼環(huán)上，將繞組的銅損作為熱源施加在繞組線圈上。根據(jù)電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)，將殼體散熱片設(shè)置為與空氣的對(duì)流換熱，環(huán)境溫度設(shè)置為26 ℃。冷卻水流速設(shè)置為0.5 m/s，水道直徑5 mm。

2.3 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)仿真分析得到電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度云圖如圖8、圖9所示。從整體溫度云圖中可以看出，電機(jī)溫度最高部分位于繞組上，最高溫度為160 ℃。

3 低速高轉(zhuǎn)矩密度PMSM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電機(jī)工作于臨近空間，產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)空氣對(duì)流進(jìn)行散熱，過(guò)高的溫升可能導(dǎo)致永磁體發(fā)生退磁現(xiàn)象。因此，需要設(shè)計(jì)一種輕量化電機(jī)水冷系統(tǒng)以減小電機(jī)內(nèi)部損耗、降低電機(jī)溫升、提升電機(jī)工作效率[13]。

電機(jī)整體方案如圖10所示，主要分為六部分：由1-6的順序依次為后端蓋組件、水冷系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)變壓器組件、電機(jī)定子、前端蓋組件、電機(jī)轉(zhuǎn)子。

3.2 電機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度仿真分析

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)對(duì)電機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行仿真分析。

電機(jī)本體中與負(fù)載直接相連的是電機(jī)轉(zhuǎn)軸，在盡量減輕轉(zhuǎn)軸重量的同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，材料至關(guān)重要，選用比重小、強(qiáng)度大的TC4鈦合金材料，在負(fù)載力矩150 N·m下進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真，在轉(zhuǎn)軸支耳添加固定約束的情況下，最大應(yīng)力位置為花鍵退刀槽處，值為613.69 MPa，材料的屈服極限強(qiáng)度為825 MPa，安全系數(shù)大于1.3；為保證轉(zhuǎn)軸工作可靠性，在花鍵退刀槽處倒圓角以減小應(yīng)力集中。

考慮實(shí)際工況下電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電機(jī)端蓋不僅承受轉(zhuǎn)子傳遞過(guò)來(lái)的扭矩，同時(shí)還承受軸向拉壓力，選用輕質(zhì)鋁鎂合金材料在150 N·m扭矩和500 N軸向力共同作用下，對(duì)電機(jī)前后端蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真，鋁鎂合金LF6-Y2狀態(tài)下屈服極限強(qiáng)度為285 MPa，在圓周方向9個(gè)固定點(diǎn)添加固定約束的條件下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在端蓋減重結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)拐角處，為165.36 MPa，安全系數(shù)大于1.7，通過(guò)增大此處圓角半徑可有效緩解應(yīng)力集中，增加端蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性。

電機(jī)機(jī)殼在電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下會(huì)承受電機(jī)轉(zhuǎn)子傳遞的扭矩，所以對(duì)機(jī)殼的強(qiáng)度也很重要，機(jī)殼也采用鋁鎂合金LF6-Y2狀態(tài)，通過(guò)仿真軟件在機(jī)殼固定點(diǎn)添加固定約束的情況下，添加150 N·m的轉(zhuǎn)矩負(fù)載，最大應(yīng)力為36.132 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服極限強(qiáng)度285 MPa。

3.3 電機(jī)整體模態(tài)仿真分析

同時(shí)為深入了解電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征，評(píng)價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性、控制電機(jī)整體的振動(dòng)和噪聲水平，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改，對(duì)電機(jī)本體通過(guò)有限元方法進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析，對(duì)電機(jī)本體添加與實(shí)際裝配關(guān)系相同的約束條件，在ANSYS軟件中對(duì)電機(jī)前6階模態(tài)進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，電機(jī)本體一階模態(tài)振型表現(xiàn)為電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)，頻率為166.64 Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 rpm，即電機(jī)自激頻率約為25 Hz，一般來(lái)講，固有頻率大于激勵(lì)頻率的1.4倍即35 Hz時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，結(jié)果表明電機(jī)本體一階模態(tài)頻率遠(yuǎn)大于激勵(lì)頻率，工作狀態(tài)下不會(huì)引起共振，考慮實(shí)際飛行過(guò)程中可能與飛行器激勵(lì)頻率重合，故在后期可在電機(jī)端蓋部位添加橡膠減震器以避開(kāi)諧振頻率。

4 結(jié)論

以槳翼飛行器用直驅(qū)永磁同步電機(jī)為應(yīng)用背景，為了提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，本文從電磁、水冷和結(jié)構(gòu)三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，電磁方案設(shè)計(jì)使額定工作點(diǎn)在T-I曲線的線性段與飽和段分段點(diǎn)，以達(dá)到最大的輸出轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到113.1 N·m；其次，設(shè)計(jì)的水冷系統(tǒng)使電機(jī)溫度保持在160 ℃以內(nèi)，能夠保證電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；最后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，電機(jī)整體重量減少至9.98 kg左右，轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到11.3 N·m/kg，并通過(guò)強(qiáng)度和模態(tài)仿真計(jì)算，保證電機(jī)的結(jié)構(gòu)可靠性。