電動飛機非晶合金電機的輕量化設(shè)計

陳 萍，齊婷婷，左 寧

(1.遼寧通用航空研究院，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)民用航空學(xué)院，沈陽 110136)

0 引 言

隨著化石能源短缺和生態(tài)污染問題日益嚴重，采用新的能源方式替代傳統(tǒng)燃油動力以減少大氣污染顯得十分必要。電能可實現(xiàn)零燃油、零排放，是應(yīng)對能源環(huán)境挑戰(zhàn)的首選[1]。電動飛機以電能為主要動力源，作為電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵，輕量化的電機可以有效提升電動飛機推重比以及飛行性能，同時能夠節(jié)能減材，降低成本，具有一系列社會經(jīng)濟效益，因此開展電機輕量化材料與技術(shù)的應(yīng)用型研究至關(guān)重要。

目前，電機輕量化設(shè)計的研究分為兩個方向。其一，非晶、納米晶合金是新一代輕質(zhì)高效、性能優(yōu)異的磁性材料，廣泛應(yīng)用于變壓器、電機鐵心，可促進電氣產(chǎn)品向輕量化方向發(fā)展[2]。文獻[3]研究了非晶合金材料在高空飛行器中的應(yīng)用，驗證了非晶合金材料可明顯提升高速電機性能。文獻[4]對比了非晶、納米晶合金與硅鋼片定子鐵心的損耗特性，最終非晶合金定子鐵心損耗最低。文獻[5-7]分析了非晶合金電機的電磁、溫升等性能，研究表明，與硅鋼片材料相比，非晶合金材料質(zhì)量輕，損耗低，磁場響應(yīng)能力強，在電機輕量化設(shè)計中有巨大的發(fā)展?jié)摿?。其二，對電機結(jié)構(gòu)或電磁參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計也可以實現(xiàn)電機的減重。文獻[8]利用電磁-熱耦合的方法對輪轂電機進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終電機轉(zhuǎn)子和定子分別減重3.4%和11.4%。文獻[9]采用拓撲優(yōu)化的方法對輪轂電機殼體進行輕量化設(shè)計，最終質(zhì)量降低5.5%，機械性能得到改善。文獻[10]對全電飛機驅(qū)動電機進行了結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，最終電機整體減重9.3%。

以上兩種輕量化設(shè)計方法都取得了可觀成就，但應(yīng)用新材料容易帶來電磁特性的改變。因此，本文應(yīng)用非晶合金材料的同時，針對材料特點，編寫適用于非晶合金電機的電磁設(shè)計程序。其次，結(jié)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，設(shè)計一臺60 kW電動飛機用非晶合金電機。最后，與硅鋼片電機性能進行對比，分析本文輕量化設(shè)計方法給電機帶來的性能優(yōu)勢以及減重效果。

1 非晶合金電機電磁計算數(shù)學(xué)模型

非晶合金材料采用急冷技術(shù)將熔融的液態(tài)金屬形成非晶合金凝聚態(tài)，這種特殊結(jié)構(gòu)使材料具有高飽和磁感、高電阻率、可變磁導(dǎo)率等優(yōu)異性能。本文選擇非晶合金材料為Metglas2605SA1(國內(nèi)牌號為1K101)。圖1給出了非晶合金材料和硅鋼片材料的磁化曲線以及不同頻率下的損耗曲線。表1給出了兩種材料的特性數(shù)據(jù)。

表1 非晶合金材料與硅鋼片材料特性數(shù)據(jù)

圖1 非晶合金材料和硅鋼片材料特性曲線

對比可知，非晶合金材料密度低、厚度薄、矯頑力低，損耗明顯低于硅鋼片材料，降低鐵心損耗的優(yōu)勢顯著。

針對非晶合金材料特點，利用等效磁路法解析非晶合金電機電磁計算數(shù)學(xué)模型。依據(jù)現(xiàn)代永磁電機設(shè)計理論，永磁電機的等效磁路是將永磁體等效成磁通源或磁動勢源。本文非晶合金電機采用表貼式磁路結(jié)構(gòu)，永磁體徑向充磁，提供每極磁通截面積如式(1)所示：

Am=bmhm

(1)

式中：bm為永磁體寬度；hm為永磁體厚度。

根據(jù)永磁體工作點，計算各部分磁通：

(2)

式中：ФmN為主磁通；ФσN為漏磁通；ФδN為氣隙磁通；bmN，hmN為永磁體工作點；Br為計算剩磁密度；λσ為漏磁導(dǎo)標(biāo)幺值。

根據(jù)非晶合金材料磁化特性，計算非晶合金定子鐵心齒部、軛部磁密：

(3)

式中：Bt1d為定子齒部磁密；Bj1d為定子軛部磁密；Bδd為氣隙磁密；t1為定子齒距；Lef為電樞計算長度；bt1為定子齒寬；Kfe為非晶合金材料疊片系數(shù)，取0.93；L1為定子鐵心長度；hj1為定子軛部計算高度。

非晶合金永磁電機鐵心損耗計算：

pfe=(K1Pt1dVt1+K2pj1dVj1)

(4)

式中：K1、K2為鐵耗修正系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗確定；pt1d、pj1d分別為定子齒部、軛部單位鐵耗，根據(jù)Bt1 d、Bj1d查非晶合金材料損耗特性曲線；Vt1、Vj1為定子鐵心齒部、軛部體積，計算如下：

(5)

式中：Q1為定子槽數(shù)；ht1為定子齒部計算長度；D1為定子外徑。

非晶合金定子鐵心質(zhì)量計算公式:

mfe=ρfeKfe(Vt1+Vj1)×10-6

(6)

式中：ρfe為非晶合金材料密度，ρfe=7 180 kg/m3。

2 非晶合金電機電磁設(shè)計程序的編寫及驗證

電機設(shè)計涉及多物理場因素影響，電磁計算過程公式復(fù)雜，工作量大，需要反復(fù)修改電機結(jié)構(gòu)尺寸，直至電機性能滿足設(shè)計要求。為使非晶合金電機設(shè)計過程更方便、簡潔，提高設(shè)計效率，本文利用MATLAB軟件編寫了帶有可視化輸入界面的非晶合金電機電磁設(shè)計程序。輸入界面由APP Designer設(shè)計模塊創(chuàng)建，分別為額定數(shù)據(jù)與技術(shù)要求、定子參數(shù)以及轉(zhuǎn)子參數(shù)輸入界面，如圖2所示。該界面使電機參數(shù)輸入更清晰、直觀，操作方便，可更好地實現(xiàn)人機交互功能。

圖2 非晶合金電機電磁設(shè)計程序輸入界面

利用一臺已有的7.5 kW非晶合金樣機，對本文電磁設(shè)計程序進行驗證。將該樣機試驗數(shù)據(jù)與電磁設(shè)計程序計算結(jié)果進行對比，如表2所示。結(jié)果顯示，非晶合金電機電磁設(shè)計程序計算準(zhǔn)確性良好。

表2 7.5 kW非晶合金樣機試驗數(shù)據(jù)與電磁計算結(jié)果對比

3 電動飛機主驅(qū)動電機輕量化設(shè)計

電動飛機飛行工況復(fù)雜，其驅(qū)動電機的主要技術(shù)需求在于能夠滿足功率以及輸出轉(zhuǎn)矩的高要求。同時，有效減輕電動飛機主驅(qū)動電機質(zhì)量，提升電動飛機推重比，也是本文電機設(shè)計的關(guān)鍵。因此，本文將非晶合金材料應(yīng)用于電機定子鐵心，并根據(jù)電機正常工作時轉(zhuǎn)子負載情況，對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化，在確保電機工作性能不受影響的同時，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面對電動飛機主驅(qū)動電機進行輕量化設(shè)計。

3.1 電磁設(shè)計

某型電動飛機主驅(qū)動電機設(shè)計要求如表3所示。

表3 電動飛機主驅(qū)動電機設(shè)計要求

利用本文非晶合金電機電磁設(shè)計程序?qū)﹄妱语w機主驅(qū)動電機進行電磁設(shè)計，確定電動飛機主驅(qū)動電機設(shè)計方案如表4所示。

表4 電動飛機主驅(qū)動電機設(shè)計方案

3.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是指在一定約束和負載條件下，尋找最大剛度下的最佳材料分配方案。在電機實際工作中，轉(zhuǎn)子承受均勻分布的電磁轉(zhuǎn)矩、負載阻力矩以及旋轉(zhuǎn)離心力。除此之外，還有定子通過氣隙傳遞以及永磁體直接作用的熱應(yīng)力。利用ANSYS軟件對轉(zhuǎn)子進行拓撲優(yōu)化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果

參考拓撲優(yōu)化結(jié)果，本文選擇永磁體下方作為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)減重位置。因此，在永磁體下方的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上進行開孔設(shè)計，孔徑為12 mm，孔型選擇對磁場影響較小的圓形孔。為了保證非晶合金電機符合設(shè)計強度要求，分析開孔后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度分析結(jié)果

硅鋼片材料的抗剪強度為190 MPa，抗拉強度為430 MPa。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子開孔后所受最大等效應(yīng)力為0.012 MPa，在硅鋼片材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，符合強度設(shè)計要求。最終，電動飛機非晶合金電機整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 60 kW電動飛機非晶合金電機

4 電動飛機非晶合金電機性能分析

為了考察非晶合金材料給電機性能帶來的變化，本文利用有限元軟件對非晶合金電機和硅鋼片電機在空載、負載運行下的瞬態(tài)磁場進行求解，比較兩種電機在相同尺寸和供電電源條件下的輸出特性，以充分證明兩種電機在高效節(jié)能方面的差異。

4.1 空載磁場

在電機電磁設(shè)計時，一般選取鐵心材料飽和磁感的70%～80%作為電機的最高工作磁密，避免電機工作時鐵心材料出現(xiàn)過高飽和磁感現(xiàn)象，影響電機工作性能。如圖6所示為兩種電機在空載運行下的磁場分布。

圖6 空載磁場分布

由仿真結(jié)果可知，兩種電機定子齒部磁密最高，為1.39 T左右，未出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，說明電機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4.2 電磁轉(zhuǎn)矩

在對電機進行輕量化設(shè)計時，也要保證電機正常工作效率、轉(zhuǎn)矩等性能不受影響。利用Maxwell軟件求解非晶合金電機和硅鋼片電機負載運行時的工作特性，如圖7所示為兩種材料電機的輸出轉(zhuǎn)矩曲線。

圖7 負載輸出轉(zhuǎn)矩

從圖中可以看出，非晶合金電機負載轉(zhuǎn)矩為284.86 N·m，硅鋼片電機負載轉(zhuǎn)矩為311.79 N·m，兩種電機輸出特性差異不大。由于非晶合金材料飽和磁感應(yīng)強度較低，因此輸出轉(zhuǎn)矩略有降低。

4.3 鐵心損耗

與硅鋼片材料相比，非晶合金材料的顯著優(yōu)勢在于降低鐵心損耗，提高電機性能。在負載條件下，分析非晶合金定子鐵心和硅鋼片定子鐵心的損耗特性，如圖8所示。

圖8 負載鐵心損耗

結(jié)果顯示，硅鋼片電機定子鐵心損耗為399.73 W，非晶合金電機鐵心損耗為44.53 W，僅為硅鋼片電機的1/10，由此驗證了非晶合金材料能夠顯著降低鐵心損耗。

4.4 電機性能

在電機結(jié)構(gòu)、尺寸和供電電源相同的條件下，僅改變定子鐵心材料，對比分析兩種材料電機在額定工況下的工作性能，如表5所示。

表5 非晶合金電機和硅鋼片電機性能對比

4.5 輕量化設(shè)計結(jié)果

定子鐵心采用低密度的非晶合金材料，根據(jù)轉(zhuǎn)子拓撲優(yōu)化結(jié)果，對轉(zhuǎn)子進行開孔設(shè)計，電動飛機主驅(qū)動電機定子和轉(zhuǎn)子鐵心均有良好的減重效果。表6為電動飛機非晶合金電機的輕量化設(shè)計結(jié)果。

表6 電動飛機非晶合金電機輕量化設(shè)計結(jié)果

5 結(jié) 語

本文將非晶合金材料應(yīng)用于電動飛機主驅(qū)動電機的輕量化設(shè)計中，結(jié)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用該輕量化設(shè)計方法設(shè)計了一臺電動飛機用非晶合金電機，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

1)針對非晶合金材料特性，編寫了適用于非晶合金電機的電磁設(shè)計程序，通過已有樣機數(shù)據(jù)驗證了該程序具有良好的準(zhǔn)確性，電機設(shè)計效率明顯提高。

2)電動飛機主驅(qū)動電機定子鐵心采用低密度的非晶合金材料，轉(zhuǎn)子通過拓撲優(yōu)化設(shè)計，在符合性能和強度設(shè)計要求的同時，電機整體減重7.95%。

3)對比兩種材料電機的性能，得出在同等輸出特性的前提下，非晶合金材料在電機輕量化設(shè)計和降低鐵心損耗上更具優(yōu)勢。