基于不同繞組類型的航空永磁電機電磁損耗與熱特性研究

關鍵詞：航空電推進系統(tǒng)； 永磁電機； 損耗； 熱特性； 溫度場建模

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.10.011

飛機電氣化是推動綠色航空發(fā)展的重要途徑，而電推進飛機是飛機電氣化發(fā)展的高級階段[1-2]，傳統(tǒng)航空動力由電推進系統(tǒng)所取代，從原理上打破了航空發(fā)動機熱效率瓶頸[3-5]，同時，電推進系統(tǒng)能夠適應更靈活的氣動布局，從而能夠大幅提高飛機氣動效率，提升推進效能[6]。

電機是電推進系統(tǒng)的動力核心，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換，為風扇、螺旋槳等推進裝置提供軸功率。高效率、高轉(zhuǎn)矩密度和高可靠是航空電推進系統(tǒng)電機的內(nèi)在要求，永磁電機、異步電機和超導電機是航空電推進系統(tǒng)電機的主要類型，獲得了廣泛的關注[7]，特別是航空永磁電機，采用高性能永磁體勵磁，在轉(zhuǎn)矩密度和效率上具有天然優(yōu)勢，已在多個電推進飛機型號中獲得了成功應用。

提高電磁負荷是進一步提升永磁電機轉(zhuǎn)矩密度的有效方法，而高磁密和高電負荷使永磁電機面臨電磁損耗大的問題。特別是為了提高輕量化水平，航空電機轉(zhuǎn)速和工作頻率也逐步提高，傳統(tǒng)電機繞組中的交流損耗日益明顯。當前，中小功率電推進系統(tǒng)電機繞組形式多為圓線和扁線，NASA X-57 分布式電推進飛機11kW高升力螺旋槳驅(qū)動電機[8]和60kW巡航螺旋槳驅(qū)動電機[9]均采用了圓線繞組，南京航空航天大學研制的飛機電推進系統(tǒng)100kW 雙繞組永磁電機采用了扁線繞組[10]。兆瓦級電推進系統(tǒng)電機繞組交流損耗問題突出，多采用利茲線繞組，如伊利諾伊大學研制的1MW永磁推進電機[11]、威斯康星大學提出的1MW永磁推進電機[12]和諾丁漢大學研制的4MW電推進系統(tǒng)永磁發(fā)電機[13]。此外，馬凱特大學提出的250kW永磁推進電機采用了基于空心導體的繞組形式[14]。

利茲線繞組采用多股絕緣單線絞合而成，能夠降低高頻電流導致的交流損耗，但其多層絕緣對傳熱不利，并且純銅槽滿率低，直流損耗大。相比較而言，矩形繞組或扁線繞組能夠提高電機槽滿率，增大有效銅截面，繞組端部短，從而有利于降低繞組直流損耗；同時由于繞組之間接觸面積大，導熱性能好，有利于繞組散熱。然而，高轉(zhuǎn)速高頻工況下，扁線繞組面臨集膚和鄰近效應而導致的交流損耗大的問題。

國內(nèi)外專家學者對利茲線損耗的解析模型進行了大量研究。澳大利亞悉尼大學朱建國教授團隊[15]和西安交通大學張那明副教授團隊[16]基于傳統(tǒng)的繞組損耗計算原理分析了利茲線繞組的交流損耗，武漢大學鄧其軍教授團隊[17]和Stadler[18]等推導了利茲線不同頻率下的交流損耗，Sullivan 等[19]還考慮了絞繞股數(shù)和絞繞角度對交流損耗的影響，Ro?kopf[20] 和Shingo[21]等采用有限元分析的方法，建立了利茲線的交流損耗仿真模型。扁線繞組損耗計算方法包括解析法和有限元法[22]。Dowell 等[23]采用Dowell 一維模型分析了扁線繞組交流損耗，Zhang Wanjun 等[24]考慮了定子槽口磁場畸變，采用基于磁矢位方程的二維子域法，具有更高的計算精度。哈爾濱工業(yè)大學程遠教授團隊[25]采用靜態(tài)有限元-解析方法，根據(jù)簡易有限元模型中槽內(nèi)磁密分布，計算出扁線繞組的交流損耗，在提升計算精度的同時減少了計算時間。

上述文獻研究了永磁電機繞組交流損耗特性，但高頻工況下永磁電機不同繞組的損耗機理與傳熱特性不同，針對高電磁負荷永磁電機繞組熱特性的對比研究較少。本文面向航空電推進應用背景，研究基于利茲線和扁線繞組的永磁電機交流損耗特性，建立油冷條件下的永磁電機溫度場仿真模型，開展繞組熱特性研究，為航空電推進永磁電機繞組優(yōu)化設計提供技術支撐。

1永磁電機結(jié)構(gòu)

圖1給出了電推進系統(tǒng)永磁電機結(jié)構(gòu)圖。采用Halbach 陣列永磁轉(zhuǎn)子，減小轉(zhuǎn)子軛厚，進一步提高轉(zhuǎn)矩密度。表1 總結(jié)了永磁電機基本參數(shù)，轉(zhuǎn)子24 極的結(jié)構(gòu)一方面能夠減少鐵芯用量；另一方面提高了頻率，在4800r/min轉(zhuǎn)速下，電頻率達到960Hz。電樞繞組為144 槽分布繞組結(jié)構(gòu)和60°相帶整距繞組，可采用利茲線或扁線繞組形式，繞組規(guī)格尺寸見表2，其中利茲線單根線徑0.2mm，由100根絞繞而成。冷卻方式采用定子循油，以直接冷卻繞組，轉(zhuǎn)子采用通風冷卻。圖1顯示了繞組下方的定子軸向油路。

2 電磁與損耗特性分析

2.1 電磁特性分析

空載情況下永磁電機鐵芯磁密分布情況如圖2所示，可知定子軛部和定子齒部均已達到了較高的飽和狀態(tài)，充分發(fā)揮了電機鐵磁材料磁性能以提升功率密度。值得注意的是，定子槽較深，槽內(nèi)漏磁會引起繞組渦流損耗，特別是增加扁線繞組損耗。圖3給出了空載氣隙磁密，氣隙磁密最大值達到1.1T。

該永磁電機繞組每極每相的槽數(shù)為1，反電勢諧波較為明顯，如圖4 和圖5 所示，以3 次、5 次諧波為主。反電勢諧波同樣引起電機轉(zhuǎn)矩脈動，如圖6所示。

2.2 基于扁線繞組的永磁電機損耗特性

永磁電機電磁損耗包括定子繞組銅損、定子鐵損和永磁體渦流損耗等。定子繞組銅損P可以表示為

損耗計算情況見表4。對比表3 可知，由于電機極對數(shù)多，工作頻率高，雖然利茲線絞繞方式減小了有效銅截面，直流損耗有所增加，但在高頻工況下仍然有效降低了交流銅損，使得總損耗相對較小。

在功率恒定條件下，隨著轉(zhuǎn)速上升，相電流下降，利茲線銅損下降，如圖10所示；而在相電流恒定條件下，隨著轉(zhuǎn)速改變，利茲線損耗幾乎不變，相比較而言，扁線繞組損耗增加。

3熱特性分析

熱分析需要保證電機的所有部件工作在其耐溫范圍內(nèi)，以保證電機能安全穩(wěn)定運行，避免環(huán)境溫度對電機耐溫薄弱環(huán)節(jié)繞組和磁鋼造成影響。該電機定子損耗相對較高，因此采用定子循油冷卻，定子槽內(nèi)部設有軸向冷卻通道，冷卻滑油通過軸向流道帶走熱量，冷卻油直接與繞組接觸，散熱效果好。轉(zhuǎn)子損耗較小，采用風冷冷卻，通過氣隙風道帶走熱量。

根據(jù)對稱性，建立永磁電機1/48 溫度場有限元仿真模型，定義電機內(nèi)各種材料參數(shù)，施加電機損耗作為熱源，計算定子油冷條件下的溫度分布規(guī)律。

電機內(nèi)各部件材料與結(jié)構(gòu)各異，準確定義其熱特性參數(shù)是溫度場建模與分析的基礎。電機槽內(nèi)有兩根導體，為了簡化分析，分別對單根導體進行建模。扁線繞組中導體內(nèi)部為純銅，等效傳熱系數(shù)表現(xiàn)為各向同性，導熱性能較好；利茲線由于內(nèi)部絕緣與有效導電面積的影響，等效傳熱系數(shù)較小。熱模型各組件熱特性見表5。

熱源通過生熱密度進行加載，各組件的生熱密度為

式中，P為各部件的損耗，V 為各部件的體積。據(jù)此計算出不同繞組類型下電機各組件的生熱密度，作為溫度場仿真的載荷。

在額定工況下，環(huán)境溫度80℃時的仿真結(jié)果如圖11～圖13 所示。由圖11～圖13 可以看到，繞組形式對電機的溫度分布規(guī)律影響很大，定子部分的溫度變化明顯，轉(zhuǎn)子部分由于氣隙的熱阻較大，溫度變化不大。由于交流損耗緣故，盡管扁線繞組損耗大于利茲線繞組損耗，但由于扁線繞組導熱性能更好，其溫度較低。

圖14 給出了變轉(zhuǎn)速條件，恒輸出電流條件的繞組溫度對比情況。由圖14 可知，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電機損耗增加，扁線繞組和利茲線繞組溫度逐漸增加，扁線繞組散熱性能較好，溫度低于利茲線。隨著轉(zhuǎn)速進一步上升，扁線繞組交流損耗逐漸增大，其溫度增長相比于利茲線繞組也逐步加快，直至高于利茲線繞組溫度。電機額定轉(zhuǎn)速為4800r/min 時，恒輸出電流條件下高轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生高額鐵損，電機熱點出現(xiàn)在鐵芯上，繞組溫度受鐵芯溫度影響較大，超過了溫度限額，并且導致扁線繞組和利茲線繞組溫度差額較小。在不考慮鐵芯損耗的理想情況下，高速條件下扁線繞組與利茲線繞組溫度差額較大。

4 結(jié)束語

本文研究了航空電推進永磁電機扁線和利茲線繞組損耗特性，對比分析了基于不同繞組類型的永磁電機熱特性與溫度分布規(guī)律，研究表明：

（1）電機高頻運行下，扁線繞組交流損耗大，損耗隨轉(zhuǎn)速升高而增大。盡管利茲線繞組有效銅截面小，直流損耗大，但在1kHz左右工作頻率下，其交流損耗很小，使繞組損耗相比扁線繞組小。

（2）由于扁線繞組導熱性能較好，盡管其損耗相比利茲線繞組高43%，但在定子循油冷卻條件下，繞組最高溫度相比利茲線繞組低近12℃。

（3）隨著轉(zhuǎn)速進一步升高，扁線繞組交流損耗明顯增加，溫度增長較快，直至高于利茲線繞組溫度。