電推進(jìn)飛機(jī)新型高功率密度軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)對(duì)比與分析

高華敏，張卓然，王晨，薛涵，劉業(yè)

南京航空航天大學(xué) 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106

隨著空中交通的快速發(fā)展，飛機(jī)二次能源逐步統(tǒng)一為電能形成的多電/全電飛機(jī)得到了重視與應(yīng)用，其有著簡(jiǎn)化飛機(jī)能源結(jié)構(gòu)、提升能源利用率和可靠性、降低燃油消耗的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提出了未來(lái)三代亞聲速客機(jī)燃油消耗、氮氧化合物排放和噪聲的嚴(yán)格目標(biāo)，即+1、+2和+3，其中“”為客機(jī)B737-NG和發(fā)動(dòng)機(jī)CFM56代表的技術(shù)水平，如表1所示。多電技術(shù)和大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得+1目標(biāo)接近實(shí)現(xiàn)，+2目標(biāo)具有實(shí)現(xiàn)的潛力。然而，由于推進(jìn)系統(tǒng)和二次動(dòng)力系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率較低，+3的目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)。

表1 NASA亞聲速客機(jī)性能目標(biāo)[3]Table 1 NASA subsonic airline performance goals[3]

多電/全電技術(shù)是飛機(jī)二次能源利用形式方面的革新，飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步是進(jìn)一步提升燃油利用率和降低排放的必要保證。由此，電推進(jìn)技術(shù)成為飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)電氣化的重要發(fā)展方向，有望進(jìn)一步提高飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率、降低燃油消耗和排放，代表了航空電氣化的高級(jí)階段。發(fā)展電推進(jìn)系統(tǒng)，特別是分布式電推進(jìn)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)+3目標(biāo)的一種可行的途徑。

電推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)功率來(lái)自于電機(jī)，電機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)電推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵。電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)效率和轉(zhuǎn)矩密度的要求很高，永磁同步電機(jī)是電推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力來(lái)源很具前景的方案。其中，軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)因高緊湊性及高轉(zhuǎn)矩密度受到廣泛關(guān)注。

軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)分類多樣，根據(jù)定轉(zhuǎn)子數(shù)目組合的不同、磁通路徑的不同、繞組結(jié)構(gòu)的不同、有無(wú)定子鐵心、有無(wú)定子槽可以得到不同的軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)拓?fù)洹Ｆ渲卸ㄗ訜o(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)作為軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的一個(gè)重要分支，具有效率高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低、過載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩-電流特性好的優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車、飛輪儲(chǔ)能等場(chǎng)合已得到應(yīng)用。然而，由于消除了定子鐵心，氣隙磁密難以提升。為了提高氣隙磁密，雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)等可應(yīng)用于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。同時(shí)，高效冷卻系統(tǒng)的采用可以有效提高電機(jī)的電負(fù)荷，以達(dá)到提高輸出能力的目標(biāo)。為了進(jìn)一步提高輸出能力，同時(shí)保留定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其他軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)拓?fù)溥M(jìn)行了研究。無(wú)軛分塊電樞(YASA)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的定子沒有軛部，電樞相互分離,其繞組利用率高、鐵心用量少，同時(shí)鐵心損耗較傳統(tǒng)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)低，有利于效率的提升。無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)多采用環(huán)形繞組，嵌繞在環(huán)形鐵心上，保留了定子有鐵心永磁電機(jī)基本原理和特性，氣隙磁密較高，然而具有環(huán)形鐵心飽和引起的諧波。在電推進(jìn)系統(tǒng)場(chǎng)合的高效率和高轉(zhuǎn)矩密度要求下，亟待對(duì)以上3種電機(jī)的電磁特性進(jìn)行分析對(duì)比。

為了實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)飛機(jī)電機(jī)的高效率和高轉(zhuǎn)矩密度，本文分別對(duì)定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)及無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的繞組因數(shù)、轉(zhuǎn)矩輸出能力和損耗分布等進(jìn)行深入分析，并對(duì)其損耗產(chǎn)生機(jī)理和影響因素進(jìn)行研究?；陔娡七M(jìn)電機(jī)的需求設(shè)計(jì)3種電機(jī)的尺寸參數(shù)，通過全面對(duì)比3種電機(jī)的電磁特性，探究適用于飛機(jī)推進(jìn)電機(jī)的軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證分析計(jì)算模型及分析方法的正確性和可行性。

1 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 推進(jìn)系統(tǒng)電機(jī)指標(biāo)

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)提出了外轉(zhuǎn)子無(wú)槽永磁推進(jìn)電機(jī)，在15 000 r/min轉(zhuǎn)速下輸出功率為 1 MW。表2列出了該外轉(zhuǎn)子無(wú)槽永磁推進(jìn)電機(jī)的參數(shù)和指標(biāo)?；谌蒎e(cuò)能力的考慮，Zhang等提出了1 MW、15 000 r/min的軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，采用了與表2的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)相同的空間約束條件。如圖1所示，該軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)由4個(gè)250 kW、15 000 r/min的定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)組成，模塊化設(shè)計(jì)使得該電機(jī)具有良好的容錯(cuò)能力。基于該模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)其中的單臺(tái)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的拓?fù)浼捌涮匦赃M(jìn)行研究與分析。

表2 外轉(zhuǎn)子無(wú)槽永磁推進(jìn)電機(jī)參數(shù)[24]Table 2 Specifications of outer-rotor slotless permanent magnet propulsion motor[24]

圖1 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)[16]Fig.1 Axial flux permanent magnet (AFPM) machine[16]

1.2 電推進(jìn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)拓?fù)?/h3>

圖2給出了定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。為了增大氣隙磁密，采用永磁體每極分塊數(shù)為4的Halbach陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以起到聚磁的作用，有效削弱轉(zhuǎn)子端部漏磁。為了解決集中繞組線圈繞制引出線連接問題及繞組線圈端部在軸向的交疊問題，采用了雙層非重疊集中繞組結(jié)構(gòu)。

圖2 定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)Fig.2 Configuration of ironless stator axial flux permanent magnet (AFPM) machine

該電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，其磁場(chǎng)分布均勻，繞組結(jié)構(gòu)特殊，其繞組因數(shù)的計(jì)算也與傳統(tǒng)集中繞組軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)有著很大的差異。采用合適的槽極配合，對(duì)提高繞組因數(shù)和輸出能力具有重要意義。對(duì)于傳統(tǒng)集中繞組軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，基波繞組因數(shù)計(jì)算公式為

圖3 繞組結(jié)構(gòu)Fig.3 Configuration of winding

(1)

式中：、分別為基波分布因數(shù)和基波節(jié)距因數(shù)；為極對(duì)數(shù)；為電機(jī)槽數(shù)；′為分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)的每極每相等效槽數(shù)；′為等效槽距角。

而對(duì)于雙層非重疊集中繞組結(jié)構(gòu)的定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，繞組線圈每匝內(nèi)外分布繞制，如圖3所示，基波節(jié)距因數(shù)與每匝繞組對(duì)應(yīng)的角度有關(guān)。該定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的基波節(jié)距因數(shù)為

(2)

式中：為內(nèi)外繞制的匝數(shù)；為由內(nèi)向外的匝序數(shù)；為最內(nèi)匝對(duì)應(yīng)的角度;為最外匝對(duì)應(yīng)的角度，該定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)分布系數(shù)的計(jì)算與常規(guī)永磁電機(jī)相同。進(jìn)一步得到雙層非重疊集中繞組結(jié)構(gòu)的定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)基波繞組因數(shù)為

(3)

無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)多采用環(huán)形繞組，其嵌繞在環(huán)形鐵心上，保留了定子有鐵心永磁電機(jī)基本原理和特性，氣隙磁密較高，然而具有環(huán)形鐵心飽和引起的諧波。不同于具有環(huán)形繞組和環(huán)形鐵心的無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，為了避免環(huán)形鐵心飽和引起的諧波問題，本文提出新型無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，采用鼓形繞組。即在定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的基礎(chǔ)上，在兩層繞組的軸向中心處放置導(dǎo)磁盤所形成的無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)拓?fù)洌鐖D4所示，導(dǎo)磁盤可以起到增大輸出能力的效果，同時(shí)不引起較大的損耗。該無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的繞組排布與定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)相同，繞組因數(shù)也一致。

圖4 無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)Fig.4 Configuration of slotless AFPM machine

無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)同樣可以采用集中繞組結(jié)構(gòu)，其具有端部長(zhǎng)度短，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，如圖5所示。

圖5 無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)Fig.5 Configuration of yokelss armature and segmented armature (YASA) AFPM machine

然而，相比于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)難以采用非重疊集中繞組結(jié)構(gòu)，考慮到軸向空間限制，匝數(shù)有所降低，其基波繞組因數(shù)如式(1)所示。12槽14極的槽極配合在以上2種不同繞組結(jié)構(gòu)形式下都可以達(dá)到較高的繞組因數(shù)，重疊集中繞組結(jié)構(gòu)與非重疊集中繞組結(jié)構(gòu)的繞組因數(shù)分別為0.942、0.802。

2 電磁性能分析與對(duì)比

2.1 電磁性能分析與優(yōu)化

軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，考慮到電推進(jìn)場(chǎng)合對(duì)電機(jī)尺寸的要求，3種軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的內(nèi)外徑和軸向長(zhǎng)度均相等。由于電推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)功率密度和轉(zhuǎn)矩密度的需求很高，且軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)較為扁平，軸向空間較小，本文采用相同的Halbach陣列雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)用于3種軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)以增大氣隙磁密，軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)基本參數(shù)如表3所示。在滿足輸出能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表3 單臺(tái)250 kW軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)基本參數(shù)Table 3 Primary parameters of 250 kW AFPM machine

圖6 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Design flow chart of AFPM machine

定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)及無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)采取每層4匝的雙層非重疊集中繞組，其轉(zhuǎn)矩電流特性曲線如圖7所示。相比于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的定子導(dǎo)磁盤有效地增大了電機(jī)的輸出能力，隨著定子導(dǎo)磁盤厚度的增加，輸出能力有所增強(qiáng)，且轉(zhuǎn)矩電流特性曲線的線性度幾乎未受到影響。在轉(zhuǎn)速 15 000 r/min、電樞電流300 A的工況下對(duì)定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)及無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的損耗及效率進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖7 定子無(wú)鐵心及無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性Fig.7 Output torque vs phase current of ironless stator and slotless AFPM machine

圖8 定子無(wú)鐵心及無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的損耗及效率Fig.8 Losses and efficiencies of ironless stator and slotless AFPM machine

在相同的300 A電樞電流下，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、具有不同定子導(dǎo)磁盤厚度的無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的直流銅損均占比最大，約為3.7 kW。定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的電樞繞組直接暴露在強(qiáng)交流磁場(chǎng)中，繞組中會(huì)出現(xiàn)渦流損耗，使用利茲線可以有效降低繞組渦流損耗，所以在分析中繞組渦流損耗忽略不計(jì)。對(duì)于無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，鐵心損耗和永磁體損耗隨著導(dǎo)磁盤厚度的增大而增大。

對(duì)于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，由于不存在定子鐵心，電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)回路磁阻大，對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體形成的主磁場(chǎng)影響小，即電樞反應(yīng)小。在頻率不高的正弦波電流的激勵(lì)下，若氣隙長(zhǎng)度較大，轉(zhuǎn)子永磁體損耗幾乎可以忽略。本文中的定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)氣隙長(zhǎng)度較小，且轉(zhuǎn)速很高，永磁體損耗很大，達(dá)到了1.72 kW，在實(shí)際應(yīng)用中需要采取轉(zhuǎn)子散熱措施。

而對(duì)于無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)等具有定子鐵心的電機(jī)，在正弦激勵(lì)下，電機(jī)的永磁體渦流損耗主要來(lái)自：定子繞組電流導(dǎo)致的空間諧波磁場(chǎng)及時(shí)間諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的永磁體渦流損耗；定子鐵心不均勻分布引起氣隙磁導(dǎo)的變化，氣隙磁導(dǎo)變化進(jìn)而引起氣隙磁場(chǎng)存在豐富諧波，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生渦流損耗。隨著定子導(dǎo)磁盤厚度的增大，永磁體損耗增大。

在相同的300 A電樞電流下，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)及具有不同定子導(dǎo)磁盤厚度的無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的效率相近，均在97.8%左右，對(duì)于無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)來(lái)說，定子導(dǎo)磁盤厚度為5 mm可以同時(shí)具有較高的輸出能力和效率。

如圖9所示，對(duì)于無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，增大定子鐵心厚度同樣對(duì)輸出能力影響較大。在定子鐵心厚度分別為10、12 mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電流呈現(xiàn)線性關(guān)系。由于繞組繞制方式的不同，考慮到空間限制，該無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)采用6匝繞組，經(jīng)過計(jì)算得到該無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)內(nèi)阻與上述定子無(wú)鐵心電機(jī)的雙層非重疊繞組內(nèi)阻接近。

圖9 無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性Fig.9 Output torque vs phase current of YASA AFPM machine

對(duì)采用不同定子鐵心厚度的無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)在15 000 r/min下的損耗和效率進(jìn)行分析，如圖10所示。由于該無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)內(nèi)阻與上述的定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)接近，在相同的300 A電樞電流下，2種電機(jī)的直流銅損接近，均不足4 kW。無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的永磁體損耗卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。雖然無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的輸出能力有所提升，但效率還是有所降低。除此之外，無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的鐵心損耗也較大。在定子鐵心厚度增大時(shí)，永磁體損耗和鐵心損耗的增加更為顯著。同時(shí)，永磁體損耗受電樞電流影響也較大。

圖10 無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的損耗及效率Fig.10 Losses and efficiencies of YASA AFPM machine

分別對(duì)定子鐵心厚度為10、12 mm的無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和電樞電流下的效率進(jìn)行分析與對(duì)比，如圖11所示，效率均分布在95%～98%。對(duì)于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩工況，=12 mm的無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)輸出能力更強(qiáng)，永磁體損耗和鐵心損耗不顯著，所以效率高于=10 mm的無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。而在其他的工況下，由于厚的定子鐵心會(huì)帶來(lái)很大的損耗，所以=10 mm對(duì)應(yīng)的電機(jī)具有更高的效率。

圖11 無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的效率Fig.11 Efficiencies of YASA AFPM machine

2.2 空載特性對(duì)比

針對(duì)電推進(jìn)應(yīng)用對(duì)電機(jī)的需求，對(duì)比分析定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、定子導(dǎo)磁盤厚度為5 mm的無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、定子鐵心厚度為10 mm的無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的電磁特性。3種電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸如表4所示。其中定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)采用非重疊繞組，所以定子繞組在內(nèi)外端部有一定的延伸。定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)相同，均有2層繞組，每層繞組中每相的每組線圈對(duì)應(yīng)繞制4圈，即4匝。無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)繞組直接繞制在定子鐵心上，考慮到軸向空間的限制，采用6匝繞組。

表4 250 kW軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)尺寸參數(shù)Table 4 Size parameters of 250 kW AFPM machines

3種軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的空載轉(zhuǎn)子磁密云圖如圖12所示，圖中,為磁密。由圖可見,無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁密分布相近，無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)具有較厚的定子鐵心，主磁場(chǎng)回路磁阻相對(duì)較小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子背軛磁密相對(duì)較大。

圖12 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁密云圖Fig.12 Flux density distribution of rotors in AFPM machines

對(duì)3種電機(jī)的空載反電勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，如圖13所示，具有定子導(dǎo)磁盤的無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)空載反電勢(shì)明顯高于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。而匝數(shù)更少的無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)鐵心用量更大、繞組因數(shù)更大，具有更高的空載反電勢(shì)。

圖13 15 000 r/min空載反電勢(shì)波形 (A相)Fig.13 No-load back-EMF waveforms at 15 000 r/min (Phase A)

2.3 負(fù)載特性對(duì)比

對(duì)3種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流特性進(jìn)行分析，如圖14所示，在相同電樞電流下，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的輸出能力相對(duì)較小，無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)較高，無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力略高于無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。在250 kW、15 000 r/min的額定工況下對(duì)3種電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。圖15所示為無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)和無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的定子鐵心磁密云圖，無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的整體磁密值相對(duì)較大。

圖14 不同電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流特性Fig.14 Output torque vs phase current of AFPM machines

圖15 額定工況下定子鐵心磁密云圖Fig.15 Flux density distribution of stators at rated working condition

如圖16所示，在額定工況下，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)所需電流不同，分別為318、276、264 A，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)所需電流較大，相應(yīng)地，其直流銅損也較大。無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)具有最大的鐵心損耗。電樞電流相同時(shí)，無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的永磁體損耗比定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)大，然而在額定工況下，2種電機(jī)所需電樞電流不同，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)具有更大的永磁體損耗。無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)也具有最大的永磁體損耗。在額定工況下，無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)效率最高，約為97.9%。無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)效率最低，約為96.9%。

圖16 額定工況電機(jī)電流、損耗及效率 (15 000 r/min, 250 kW)Fig.16 Currents, losses and efficiencies of machines at rated working condition (15 000 r/min, 250 kW)

在相同輸出功率下，無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)效率最高，所需定子電流也相對(duì)較小，對(duì)于電推進(jìn)系統(tǒng)是較優(yōu)的拓?fù)?，其額定電流密度約為28 A/mm。在實(shí)際應(yīng)用中，由于定子銅損較大，需要采用高效定子油冷系統(tǒng)。較大的永磁體損耗也使得電機(jī)需要采用高效的轉(zhuǎn)子冷卻措施。

分別在額定工況和考慮控制器容量限制的相同電樞電流工況下對(duì)3種電機(jī)的功率密度進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。在相同輸出功率下，由于定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)所需的電樞電流較大，即電流密度最大，故其功率密度也相對(duì)較大，以有效材料重量計(jì)算，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的功率密度分別為17.7、15.1、17.0 kW/kg。這是由于無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的導(dǎo)磁盤重量較大，且定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)使用了較高的電流密度。在電樞電流一致時(shí)，如相電流均為300 A時(shí)，定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的功率密度分別為16.8、16.5、19.4 kW/kg。無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的功率密度優(yōu)勢(shì)顯著，然而需要解決它轉(zhuǎn)子損耗較大的問題。定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)效率和功率密度均有優(yōu)勢(shì)，然而其單位電流下功率輸出能力相對(duì)較低。綜合分析電機(jī)的功率密度、效率、單位電流下功率輸出能力，可以得到本文提出的無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)適用于電推進(jìn)飛機(jī)。

表5 不同電機(jī)功率密度Table 5 Power density of different AFPM machines

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證分析方法和結(jié)果的合理性，在考慮成本和加工周期的前提下，研制了50 kW的采用Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子的定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)樣機(jī)，試驗(yàn)平臺(tái)如圖17所示。5 500 r/min的線空載反電勢(shì)如圖18所示，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。有限元分析和試驗(yàn)測(cè)試得到的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與相電流的關(guān)系如圖19所示，轉(zhuǎn)矩與電流之間存在高度線性關(guān)系，且有限元分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)吻合度較高。由于試驗(yàn)中串聯(lián)電感，電流增大后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能下降。

圖17 定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.17 Experimental setup for ironless stator AFPM machine

圖18 5 500 r/min線空載反電勢(shì)波形Fig.18 No-load phase-to-phase back-EMF waveforms at 5 500 r/min

圖19 轉(zhuǎn)矩-電流特性Fig.19 Output torque vs phase current

轉(zhuǎn)速為7 000 r/min時(shí)，測(cè)得效率和電流之間的關(guān)系如圖20所示。電流較小時(shí)，輸入功率較低，機(jī)械損耗占輸入功率的比例較大，導(dǎo)致試驗(yàn)效率低于仿真效率。

圖20 效率-電流關(guān)系Fig.20 Efficiencies vs phase current

4 結(jié) 論

針對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)高功率密度永磁電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，提出了一種無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。對(duì)定子無(wú)鐵心軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)、無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)3種軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對(duì)比，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，表明了分析計(jì)算模型及分析方法的正確性和可行性。得到以下結(jié)論：

1) 在相同槽極配合下，無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的繞組因數(shù)與傳統(tǒng)電機(jī)計(jì)算方法相同，計(jì)算得到其值為0.942，而采用了雙層非重疊集中繞組結(jié)構(gòu)的定子無(wú)鐵心電機(jī)和無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)繞組因數(shù)偏小，約為0.802。

2) 在空間限制內(nèi)，隨著無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)導(dǎo)磁盤厚度增大，其輸出能力、鐵心損耗和永磁體損耗均有所增加。在電流300 A、轉(zhuǎn)速15 000 r/min 工況下，電機(jī)效率隨電機(jī)導(dǎo)磁盤厚度的增大基本保持不變，約為97.8%。而無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)隨著定子鐵心厚度的增大，輸出能力也有所增強(qiáng)，但由于永磁體損耗會(huì)顯著增大，其效率有所降低。

3) 在額定輸出功率和轉(zhuǎn)速條件下，無(wú)槽軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)效率最高，約為97.9%，所需電流密度也相對(duì)較小，額定功率密度約為15.1 kW/kg，適用于電推進(jìn)飛機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于定子銅損較大，需要采用高效定子油冷系統(tǒng)。較大的永磁體損耗也使得電機(jī)需要采用高效的轉(zhuǎn)子冷卻措施。無(wú)軛分塊電樞軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的功率密度優(yōu)勢(shì)顯著，然而其轉(zhuǎn)子損耗較大的問題需要被解決。