扁線繞組在臨近空間低速大扭矩電機中的應(yīng)用

施楊華，鞠宇寧，楊 明，楊煥釗，錢 兒

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

臨近空間(Near Space)通常是指距地面高度為12 km～100 km的空域，這個高度是現(xiàn)有飛機等航空飛行器可控飛行的最高高度，是衛(wèi)星等航天器維持近地軌道飛行的最低高度。其主要包括平流層(12 km～52 km)、中間層(52 km～86 km)、熱層(86 km以上)，如圖1所示。隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，臨近空間區(qū)域在軍事民用領(lǐng)域所具有的巨大潛力和戰(zhàn)略意義日益凸顯，目前的研究熱點集中于臨近空間飛行器。

圖1 大氣垂直分層示意圖

臨近空間空域具有以下特點[3]：空氣密度低；環(huán)境溫度變化大，從地面升至平流層空域的外部環(huán)境溫度變化為-83 ℃～15 ℃；臨近空間空域具有速度相對穩(wěn)定的風(fēng)，風(fēng)速一般為20～30 m/s。表1列出了幾個典型海拔高度下的空氣屬性。

表1 不同海拔高度下的空氣屬性

臨近空間區(qū)域大氣密度十分稀薄，以燃油燃燒后推動空氣運動為動力的傳統(tǒng)發(fā)動機系統(tǒng)難以滿足臨近空間飛行器推進系統(tǒng)的需求。目前推進系統(tǒng)的最佳解決方案是電推進系統(tǒng)方案，以電動機作為螺旋槳驅(qū)動裝置，由蓄電池或太陽能電池提供電源。考慮到飛行器所攜帶能源有限，為滿足長時間續(xù)航需求，飛行器電推進系統(tǒng)對電動機提出了高效率、高功率密度、高可靠性的性能需求。永磁無刷直流電機(BLDCM)具有效率高、功率密度高、可靠性好等一系列優(yōu)點，已成為臨近空間飛行器電推進系統(tǒng)用驅(qū)動電機的最佳選擇[1-2]。

現(xiàn)階段飛行器多用低速大轉(zhuǎn)矩BLDCM作為驅(qū)動電機，電機設(shè)計時需要重點考慮抑制電機繞組銅耗和改善電機散熱。本文主要研究扁線繞組電動機在臨近空間飛行器動力系統(tǒng)中的應(yīng)用。為避免電機因為高銅耗和散熱條件差而導(dǎo)致局部高溫，采用扁線繞組替代傳統(tǒng)圓線繞組，以達到抑制電機銅耗、降低發(fā)熱量、提高漆包線與定子槽熱傳遞接觸面的目的，并借助Maxwell電磁仿真軟件、FloEFD流體仿真軟件對電機電磁場、溫度場進行分析驗證。

1 扁線繞組

扁線繞組的發(fā)展由來已久，最初是用于工業(yè)領(lǐng)域大功率發(fā)電機組，后來延伸到電動汽車領(lǐng)域。目前比較熱門的扁線繞組(又稱發(fā)卡繞組或Hair-Pin繞組)，已被國內(nèi)外電動汽車驅(qū)動電機普遍采用[4]。相比傳統(tǒng)的圓散線繞組，扁線繞組具有以下特點[5-7]：

(1)扁線繞組的嵌線方式為成型后直接從定子端面插入到定子槽內(nèi)，不受定子槽口尺寸的影響；

(2)扁線繞組的形狀有利于繞組在槽內(nèi)規(guī)則堆疊，理論純銅槽滿率能夠達到80%，遠高于圓線純銅槽滿率的50%，從而實現(xiàn)電機高效輕量化；

(3)扁線繞組從結(jié)構(gòu)上避免了端部繞組的重疊干涉和接觸應(yīng)力，因此端部可以進一步縮短，有利于降低端部電阻、提高端部繞組剛度；

(4)扁線繞組裝配工藝復(fù)雜,對設(shè)備要求高，產(chǎn)線化難度較高，但隨著其在新能源電動車領(lǐng)域的迅速普及，產(chǎn)業(yè)化趨勢明顯，工藝技術(shù)日漸成熟。

扁線繞組工藝：絕緣紙成型—插裝絕緣紙—發(fā)卡成型—發(fā)卡伸出端撥漆—插發(fā)卡線—壓裝發(fā)卡線—焊接端扭轉(zhuǎn)成型—激光焊接—焊點涂絕緣漆—絕緣漆固化處理—引出線位處理。

圖2 扁線繞組

綜合以上分析，采用扁線繞組后，

(1)可以設(shè)計更小的槽口，有利于改善電機齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動和振動噪聲；

(2)可以設(shè)計高槽滿率的槽型，有利于降低電阻和銅耗，從而提高電機效率、減少電機發(fā)熱；更高的槽滿率允許繞組內(nèi)通過更大的電流，從而提高電機的功率密度；此外，可以提高漆包線與定子槽的熱傳遞接觸面，并且槽滿率的提高使槽內(nèi)絕緣減少，繞組和定子鐵心之間熱傳導(dǎo)效率大幅提高，有利于繞組散熱。

(3)可以縮短端部繞組長度，有利于縮短電機端部空間和減小端部電阻。

結(jié)合臨近空間飛行器的飛行環(huán)境，低速大轉(zhuǎn)矩電機采用扁線繞組能夠改善以下問題：

(1)續(xù)航：低損耗、高效率能夠減輕能源系統(tǒng)負擔(dān)，有利于電推進系統(tǒng)長續(xù)航的需求；

(2)散熱：高槽滿率和更短的端部減少了繞組發(fā)熱，扁線結(jié)構(gòu)提高了繞組與定子槽熱傳遞接觸面，提高傳熱效率；

(3)尺寸精度：從地面升至平流層空域的溫差能夠達到100 ℃，在大溫差作用下材料自身存在“熱脹冷縮”現(xiàn)象，即熱變形。變形量與尺寸和材料本身的熱脹系數(shù)有關(guān)，尺寸越大，溫度變化引起的熱變形越大，這嚴重影響了結(jié)構(gòu)的尺寸精度?？紤]到電機裝配過程中的配合工差主要集中在徑向尺寸上，比如端蓋與機殼之間、端蓋與軸承之間、軸承與轉(zhuǎn)軸之間，驅(qū)動電機的長徑比(定子鐵心有效長度/定子鐵心外徑)不能過小，即外徑不能過大。采用扁線繞組后，電機徑向尺寸大幅減小，即使增大電機長徑比也能夠滿足電機的輸出扭矩要求。

2 電磁方案

本文對一臺16 kW的低速大轉(zhuǎn)矩BLDCM進行設(shè)計和分析。由于臨近空間中氣壓和空氣密度在不同高度的變化(表1所示)，根據(jù)螺旋槳工作特性，分析2個臨界工況，電機基本性能指標和主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。結(jié)合電機的性能指標，分別設(shè)計出采用扁線繞組和圓線繞組的兩種電磁方案，以下簡稱扁線方案和圓線方案，如圖3和圖4所示。

表2 性能指標和設(shè)計參數(shù)

圖3 扁線方案(1/16周期模型)

圖4 圓線方案(1/2周期模型)

扁線方案采取了優(yōu)化磁極形狀和磁鋼分段錯位相結(jié)合的方式對齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動進行優(yōu)化，磁鋼采用V形分段排布，整體斜極角度為3.75°，磁鋼排布如圖5所示。

圖5 磁鋼分段示意圖

為了更好地對比兩電磁方案之間的差異，本文對兩方案進行了全工況范圍下的性能分析和計算，分析結(jié)果以效率map圖的形式呈現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 效率map圖

對比兩方案的效率map圖可知，在相同的供電條件下，扁線方案具有更大的輸出扭矩、更寬的恒扭矩輸出范圍以及更大的高效面積區(qū)，對比結(jié)果如表3所示。

表3 效率map圖對比結(jié)果

臨近空間飛行器飛行高度范圍廣，隨著飛行高度的變化，電機的運行工況會發(fā)生較大變化，因此電機須滿足寬工況、高效率要求。對比以上兩方案，扁線方案更能夠滿足使用要求，下面詳細分析扁線方案在多個模擬工況下的電磁和散熱性能。3種不同工況下，扁線方案磁密分布云圖如圖7所示，轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。

通過磁密云圖和轉(zhuǎn)矩結(jié)果可以看出，電機鐵心最大磁密集中在齒部。隨著過載轉(zhuǎn)矩的增加，齒部磁密變化不明顯。為提高鐵心利用率，縮小鐵心體積，電機鐵心最大磁密設(shè)計在1.8 T左右。電流和轉(zhuǎn)矩之間近似呈線性關(guān)系，鐵心未達到飽和，滿足設(shè)計要求。

3 溫度場分析

考慮到臨近空間飛行器的飛行環(huán)境，電機的冷卻方式僅能夠采用風(fēng)冷。高空空氣稀薄，空氣的對流效率和傳熱效率遠不如地面，因此需要對電機的溫度場進行校核。

為了校核電機冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻效果，電機運行工況選擇額定工況和長時間過載工況，大氣環(huán)境均采用空氣更稀薄的20 km高空(大氣屬性見表1)，風(fēng)速取20 m/s。本文電機損耗由電磁分析軟件計算得出，借助流體分析軟件對電機溫度場進行分析，分析結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)圖9，兩種工況下，電機的最高溫度均位于繞組端部，但未超過電機材料所允許的最高使用溫度。電機關(guān)鍵部位的溫度如表4所示。

4 結(jié) 語

本文綜合考慮臨近空間飛行器推進系統(tǒng)用低速大扭矩電機的使用需求和扁線繞組的特性優(yōu)勢，將兩者結(jié)合，以此降低電機質(zhì)量、降低電機寬工況時的銅耗、改善繞組散熱，從而確保電機在臨近空間特殊的大氣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

從分析結(jié)果可以看出，在臨近空間寬工況工作狀態(tài)下采用扁線繞組的電機具有較大的效率優(yōu)勢，在臨近空間環(huán)境、轉(zhuǎn)矩過載的工況下，電機內(nèi)部最高溫度不超過電機材料所允許的最高使用溫度。以上結(jié)果表明，扁線繞組在臨近空間飛行器推進系統(tǒng)用低速大扭矩電機上具有較大的應(yīng)用前景，其除了能夠顯著改善電機的發(fā)熱和散熱，還具有縮小電機體積、減小電機質(zhì)量、提高電機效率等應(yīng)用價值。