一種進冷卻液屏蔽結(jié)構(gòu)感應(yīng)電機的設(shè)計

尚 濤,唐 超

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機載設(shè)備的功率密度也大幅度提升，機載設(shè)備的冷卻設(shè)計已經(jīng)成為制約飛機輕量化的關(guān)鍵瓶頸，目前常用的散熱方式主要為風(fēng)冷和液冷，與傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱相比，冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的幾十倍，散熱效能遠高于風(fēng)冷，越來越多的機載設(shè)備選擇使用冷卻液進行冷卻，而電機作為驅(qū)動執(zhí)行部件，其在冷卻液介質(zhì)中的運行性能及可靠性尤為重要。

感應(yīng)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、維護成本低、可靠性高等特點，除此之外，其可直接應(yīng)用機上交流電，省略了驅(qū)動器進行供電轉(zhuǎn)換，取電方便。因此在轉(zhuǎn)速變化精度要求不高的機載液冷系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)上得到大量應(yīng)用。

飛機常用65#冷卻液作為冷卻介質(zhì)，該冷卻液是水和乙二醇的混合液，具有散熱性好、導(dǎo)電性、腐蝕性等特點，因此電機的定子絕緣防護尤為重要。常用的絕緣防護方式是在定轉(zhuǎn)子之間增加金屬護套或非金屬護套，金屬護套導(dǎo)熱性好、壁厚較薄，但其存在渦流損耗，會降低電機效率；非金屬護套壁厚較厚、電機氣隙較大，但無渦流損耗。電機內(nèi)部冷卻循環(huán)路徑設(shè)計可改善電機運行溫度，提高電機運行可靠性。本文設(shè)計了一款2.5 kW的感應(yīng)電機，通過Ansys Maxwell有限元分析軟件建立不同隔離護套的電磁仿真模型，對其性能進行分析、優(yōu)化，對內(nèi)部冷卻循環(huán)路徑進行設(shè)計，對電機進行熱仿真，測試實物電機性能，驗證仿真符合性。

1 電機主要參數(shù)的選擇[1-2]

電機主要尺寸參數(shù)的確定是后續(xù)仿真及優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。

本文所設(shè)計的感應(yīng)電機的主要指標(biāo)見表1。

表1 2.5kW電機性能指標(biāo)

在電機設(shè)計中，通常根據(jù)式(1)確定電機主要尺寸：電樞直徑Da和電樞鐵芯長度lt。電機的其他尺寸(包括磁路尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸)、重量和經(jīng)濟性等都與其有密切的關(guān)系。

(1)

式中：P—計算電磁功率，VA；KNm—氣隙波形系數(shù)，氣隙磁場為正弦波時等于1.11；A—電負荷，A/m；Bδ—氣隙磁密，T；n—電機轉(zhuǎn)速，rpm；lt—電樞長度，m；Da—電樞外徑，m；Kw—繞組系數(shù)。

由式(1)可知，在電機體積(直徑Da和長度lt)給定的情況下，電動機的功率P與電機電負荷A、磁負荷Bδ及電機轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系，因此要提高電機的功率密度，必須盡可能提高電機電負荷A、磁負荷Bδ及轉(zhuǎn)速n。

在輸出功率、轉(zhuǎn)速確定的情況下，要盡量減小電機重量，需盡可能提高電機電負荷A及磁負荷Bδ，而電負荷的提升會增加電機繞組發(fā)熱，磁負荷的提高可能使定子沖片達到材料磁飽和。本文設(shè)計的電機為內(nèi)部進冷卻液電機，冷卻液可對電機起到一定的冷卻作用，所以主要從提高電機熱負荷方面提高電機功率密度；為了確保電機具有較高的效率，同時兼顧經(jīng)濟性和工藝性，電機沖片應(yīng)有良好的導(dǎo)磁能力和較小的鐵損，同時兼具價格和加工方面的優(yōu)勢。本方案采用20WTG1500，該沖片為冷軋硅鋼片，處于磁密B=1.0 T，頻率f=400 Hz的交變磁場中的鐵損為12 W/kg。

定子鐵芯的槽形通常有三種：半閉口槽、半開口槽及開口槽。本方案電機為小容量的低壓異步電動機，選擇半閉口槽形，可提高電機的效率和功率因數(shù)。

電機的極對數(shù)p和槽數(shù)Z是電機的基本參數(shù)。感應(yīng)的極對數(shù)跟電源輸入頻率和同步轉(zhuǎn)速有關(guān)，該電機電源頻率為400 Hz，額定轉(zhuǎn)速(11200±400)rpm。因此電機的極對數(shù)為2對極?；\型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機在選取轉(zhuǎn)子槽數(shù)時，必須與定子槽數(shù)有恰當(dāng)?shù)呐浜?，這就是通常的槽配合。如果配合不當(dāng)，會使電機性能惡化，例如有可能導(dǎo)致附加損耗、附加轉(zhuǎn)矩、振動與噪聲增加，從而導(dǎo)致效率降低、溫升增高、起動性能變壞、嚴重時甚至無法起動。

由于電機內(nèi)部需進65#冷卻液進行冷卻，而冷卻液具有導(dǎo)電性、腐蝕性等特點，因此需用護套將定子進行隔離，使冷卻液只在轉(zhuǎn)子部分進行流動。選用的護套材料應(yīng)具有強度高、耐腐蝕性好、溫度適應(yīng)性好等特點，現(xiàn)電機內(nèi)部常用的護套有鈦合金金屬護套以及PEEK聚醚醚酮非金屬護套。電機的主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 電機主要參數(shù)

2 電機的仿真及試驗驗證

2.1 鈦合金護套仿真

感應(yīng)電機的電磁氣隙對性能至關(guān)重要，本電機中電磁氣隙分為護套厚度以及運轉(zhuǎn)氣隙，為了保證電機運行安全，本電機運轉(zhuǎn)氣隙設(shè)為0.3 mm，鈦合金護套厚度為0.2 mm，仿真結(jié)果見圖1-圖4，可以看出，各仿真參數(shù)均滿足性能指標(biāo)要求，鈦合金護套處存在196.1 W的渦流損耗。

圖1 電磁轉(zhuǎn)矩

圖2 轉(zhuǎn)速曲線

圖3 啟動電流波形

圖4 護套渦流損耗

2.2 PEEK護套仿真

從加工性、可靠性等方面考慮，PEEK非金屬護套的厚度設(shè)置為0.5 mm，運轉(zhuǎn)氣隙0.3 mm，仿真結(jié)果見圖5-圖7，各仿真參數(shù)均滿足性能指標(biāo)要求。

2.3 兩種護套對比分析

通過對兩種護套性能進行仿真，其結(jié)果對比見表3。

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩

圖6 轉(zhuǎn)速曲線

圖7 啟動電流波形

從表3可以看出，兩款護套的轉(zhuǎn)速、瞬時啟動電流等差異較小，受氣隙尺寸的影響，使用PEEK護套仿真功耗較大，且鈦合金護套散熱效果、耐腐蝕性、加工性等優(yōu)于PEEK護套，經(jīng)綜合對比，本電機選擇鈦合金護套對定子進行絕緣防護。

表3 兩種護套仿真性能對比

3 熱分析

電機工作環(huán)境溫度為-55～+70 ℃，電機的轉(zhuǎn)子部分浸在65#冷卻液中，冷卻液介質(zhì)溫度為-40～+70 ℃，電機為長時工作制。為減少電機重量，設(shè)計時需提高電機熱負荷，但過高的熱負荷可能使電機在運行過程中溫度過高，從而燒毀電機，因此，需對電機冷卻路徑進行設(shè)計，對電機進行熱仿真，保證電機使用安全。

3.1 軸承進液路徑設(shè)計

本電機配套于增壓泵，根據(jù)增壓泵會產(chǎn)生壓力差的特點，設(shè)計一條通路，使得在電機運行時能夠?qū)⒗鋮s液從電機前端軸承送到電機尾端軸承，保證軸承的潤滑，軸承設(shè)計如圖8所示。

圖8 軸承設(shè)計

3.2 軸進液路徑設(shè)計

為保證冷卻液在電機內(nèi)部正常循環(huán)，應(yīng)建立循環(huán)通路，其中電機軸前端屬于低壓區(qū)。通過兩體軸的方式溝通軸內(nèi)部，不僅可以減重，還能使從石墨軸承處過來的冷卻液通過軸內(nèi)部孔流回泵體，電機軸結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 軸設(shè)計

3.3 主要熱源的確定

電機中主要熱源有定、轉(zhuǎn)子鐵耗，繞組銅耗及護套渦流損耗,各損耗通過電磁仿真求取,見表4。

3.4 熱仿真分析邊界條件的確定

熱分析中的邊界條件包括溫度、對流、輻射。給定溫度是指給點、邊、面、體上指定一個溫度，對于電機的熱分析，由于各部分的溫度都是變化的，只需指

表4 電機損耗參數(shù)

定一個初始溫度，不用單獨指定各部件的溫度。對流指的是各部件與周圍環(huán)境的熱交換系數(shù)，在電機溫度場分析過程中，對流換熱包括：機殼與周圍空氣的自然對流換熱，隔離護套與冷卻液的對流換熱，轉(zhuǎn)子與冷卻液的對流換熱，前后端蓋與周圍空氣的對流換熱?？紤]最嚴酷的散熱工況，假定周圍環(huán)境溫度為70 ℃，冷卻液溫度為70 ℃。

3.5 瞬態(tài)熱分析

對熱源確定后，建立模型(圖10)并添加熱源激勵，給定冷卻液的流動速率為0.5 L/min，仿真結(jié)果見圖11。

圖10 熱仿真模型圖 圖11 穩(wěn)態(tài)溫度

從圖11可以看出，電機的溫度分布中，最高溫度產(chǎn)生在繞組部位為134.1 ℃，因此，電機選擇絕緣材料的絕緣等級為H級，耐溫為180 ℃，可以保證電機能夠滿足在此高溫下的可靠工作。

4 試驗驗證

圖12 電機實物圖

根據(jù)前文仿真結(jié)果，設(shè)計并研制了一款2.5 kW，400 Hz/115VAC的屏蔽式感應(yīng)電機，實物如圖12所示。

通過測功機給電機施加負載，測試研制的3臺電機性能，其結(jié)果見表5?？梢钥闯觯瑢嵨锱c仿真較為貼合，驗證了設(shè)計的準(zhǔn)確性。

表5 電機測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文對屏蔽式感應(yīng)電機電磁參數(shù)選取進行分析，并對采用鈦合金護套及PEEK聚醚醚酮護套的電磁性能進行有限元仿真，通過優(yōu)化電機電磁氣隙得出鈦合金護套方案優(yōu)于PEEK聚醚醚酮護套方案。通過對電機冷卻路徑進行設(shè)計，對電機熱仿真溫度進行校核，保證了電機運行安全。研制的實物電機性能測試與仿真值較好的吻合，驗證了仿真的正確性，為設(shè)計同類屏蔽式感應(yīng)電機提供了參考。