高比功率中頻異步電機定轉子關鍵技術研究

董 菲，劉 雯，王 毅，丁 閃，安 翼

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引 言

航天伺服系統(tǒng)用中頻電機是一種銅條鼠籠式三相異步電機[1]，其轉速高達9000 r/min，功率級別為4 kW。由于電動液壓伺服機構用中頻電機比功率要求高，同時受空間結構體積的限制較嚴，壽命時間長，絕緣可靠性高，且高密度發(fā)射批產(chǎn)要求研制和生產(chǎn)周期短，因此需要對中頻異步電機定轉子關鍵技術進行研究，對電機進行進一步優(yōu)化改進。

1 高比功率中頻異步電機定轉子關鍵技術

1.1 高比功率電磁設計關鍵技術

比功率即功率與重量之比，電機的重量與電機主要尺寸成正比，而電機主要尺寸與電機扭矩成正比。在相同功率下，為減小尺寸，提高電機轉速最為有效。采用傳統(tǒng)的工頻50 Hz供電，電機最高同步速只能達到3000 r/min，因此，在給定的尺寸、重量要求下，電機轉速的選擇成為需要重點解決的問題。

根據(jù)航天短時工作特點，從電磁參數(shù)選擇方面，為盡量減小電磁尺寸，可以選取較高的電流密度、熱負荷和磁密以及銅轉子等，同時電機也面臨發(fā)熱大、磁場飽和等難題。如何保證既定短時工作內的電機發(fā)熱滿足要求，需結合準確的溫度場分析進而不斷優(yōu)化電磁設計。同時需采用適合高速、中頻低損耗的導磁材料和耐高溫的絕緣材料等。

1.2 轉子設計關鍵技術

考慮電機高速運行特點，需對轉子結構進行設計，為提高高速旋轉可靠性，可采用鼠籠式結構，即將銅條插入轉子槽內，再在兩端換上短路環(huán)的結構。為保證電機平穩(wěn)高速旋轉，需對轉子進行動平衡試驗，且平衡品級應取G1級或更高級別。由于電機轉速高，發(fā)熱量大，為提高電機耐熱性，可選用耐高溫軸承及軸承潤滑脂。考慮轉子零組件生產(chǎn)流程，并結合產(chǎn)品工作特點，為縮短周期，提高工藝性，可以對轉子鐵芯沖片材料及疊裝成型方式進行改進。

1.3 定子高可靠絕緣設計關鍵技術

高功率中頻電機，電流密度較大，雖短時工作，但定子繞組發(fā)熱不可忽視，且是定子發(fā)熱最高部位。溫度是降低定子絕緣可靠性的主要因素，絕緣材料的極限工作溫度就是電機運行時繞組絕緣允許最高溫度。因此設計定子時槽絕緣、層絕緣可選用H級絕緣材料，繞組可選用C級漆包線，絕緣漆可選用H級有機硅浸漬漆。

2 具體實施方案

中頻電機為鼠籠式三相中頻異步電動機，由中頻電源供電，當其定子三相繞組接通三相交流電源時，繞組中就有三相對稱電流流通，在電機的氣隙內將產(chǎn)生一個轉速為n1=60f/p的旋轉磁場。由于轉子上的導條與旋轉磁場之間有相對運動（異步電動機的轉速總是小于旋轉磁場的），在轉子導體中產(chǎn)生感應電勢，并有電流流過，載流導體在磁場中要受到電磁力的作用。定子旋轉磁場與轉子導體相互作用產(chǎn)生電磁轉矩帶動轉子旋轉，通過連接軸拖動負載（油泵）輸出機械功率。中頻電機三維外觀如圖1所示。

圖1 中頻電動機三維外觀Fig.1 Three-dimensional Chart of Medium Frequency Motor

2.1 電磁設計

在電磁設計時，根據(jù)電機運行工況特點，采用ANSOFT軟件建立電機仿真計算模型[2]，進行方案設計。針對中頻異步電機運行的兩個工況點：200 V，3.2 N，≥8700 r/min和200 V，4.3 N，≥8700 r/min，從“路”的理念出發(fā)，設計電機磁路，首先進行快速的電磁設計計算，然后采取溫度場分析，實現(xiàn)了產(chǎn)品的優(yōu)化設計和精確設計，并具有恰當?shù)脑O計裕度。

2.2 溫度場分析

根據(jù)電磁計算結果中繞組銅耗、鐵耗、摩擦損耗等參數(shù)，對中頻電機雜散損耗和表面散熱進行估計。建立電機三維模型后導入到ANSYS Workbench中，進行材料設置、網(wǎng)格剖分、載荷計算和施加，起始溫度設置等必要的前期處理，利用 ANSYS軟件中熱分析計算模塊對模擬實際環(huán)境下中頻電機工作狀態(tài)進行發(fā)熱估算。

2.3 結構強度分析

中頻電機結構強度分析主要對軸強度進行分析。

中頻電機轉軸的材料為 40CrNiMoA，調質處理32～38 HRC（大于320 HB），最小抗拉強度σb=1080 MPa，最小屈服強度σs=930 MPa。

力如下：

2.4 定子結構改進

中頻電機在定子結構上進行改進，改變定子鐵芯疊裝成型方式，并選用導磁更好的沖片材料[3]代替原沖片材料，提高電機工藝性及產(chǎn)品性能。以前定子鐵芯是先加工出沖片，再由單片沖片通過純手工鉚釘鉚接成型，改進后可通過采用專用工裝/模具實現(xiàn)“沖片沖制-疊壓-鉚扣自鉚接”疊鉚一體化成型。一臺電機的定子鐵芯一般由上百片硅鋼片組成的，鐵芯沖片的生產(chǎn)用量大，同時，對鐵芯的質量要求也很高。鐵芯疊裝質量的好壞直接關系到產(chǎn)品的性能。

2.5 轉子結構改進

對轉子結構進行改進，即改變轉子鐵芯疊裝成型方式，將之前的純手工鉚釘鉚接成型改進為通過機械疊壓-鉚接一體成型，并選用導磁更好的沖片材料代替原沖片材料。與之前相比，簡化工藝流程，實現(xiàn)工藝方法改進，提高過程控制質量，避免過程多余物和沖片翹起等問題。提高了精度和效率，降低了成本，并使轉子高速轉動的可靠性得到進一步的提高。

2.6 絕緣可靠性改進

為提高電機絕緣系統(tǒng)的耐高溫性能，確保絕緣材料和浸漬漆的質量和工藝性，采用新型成熟的聚酰亞胺絕緣材料和技術[4,5]。現(xiàn)有中頻電機定子所用絕緣材料都選自20世紀80年代，實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)絕緣漆布脆性大，柔韌性低，折疊加工易斷裂破損，成品率低；絕緣壓板硬度較低，裁剪后易分層，裝配難度較高，過程中易折斷，成品合格率不高，多產(chǎn)生玻璃粉塵，危害人體健康，浸漬漆運輸和購買困難。隨著非金屬絕緣材料工藝、技術進步，出現(xiàn)多種絕緣性、加工性、使用性更好的同類產(chǎn)品，可作為老絕緣材料的替代產(chǎn)品，進一步提高了電機的絕緣可靠性及工藝性，降低使用、運輸及購買難度。為確保電機的高可靠絕緣性，采用真空壓力浸漆與普通浸漆相配合的方式，且對漆的質量，以及浸漆真空度、壓力均有嚴格要求[6]。

3 仿真及實測結果

3.1 技術指標要求

高比功率中頻異步電機技術指標要求如表1所示。

表1 電機技術指標要求Tab.1 The Request of Technique Index

3.2 電機電磁分析及實測結果

利用ANSYS Rmxprt電磁場分析軟件進行復核、復算[7]。磁路分析結果分別如圖2、圖3所示。

圖2 轉速與力矩關系Fig.2 Relative Diagram of Speed and Torque

圖3 轉速與電流關系Fig.3 Relative Diagram of Speed and Current

電機電磁計算及實測結果如表2所示。

表2 電機電磁計算及實測結果Tab.2 The Results of Electromagnetic Design and Measure

由計算結果可知電機轉速，高于9000 r/min，為普通異步電機轉速的3～4倍。電機輸出功率4 kW，質量為4 kg，比功率達1 kW/kg，遠高于其他同類電機。

3.3 溫度場有限元計算及實測結果

模擬實際工作環(huán)境條件，進行電機溫度場計算。與電機配套伺服系統(tǒng)熱真空試驗測試結果進行對比如表3所示[8]，理論設計結果如圖4所示，其中熱流密度為 20～20.6 kW/m2。

表3 有限元計算與實測結果Tab.3 The Results of Finite Element Analysis

電機處于大氣環(huán)境下，設定初始溫度和環(huán)境溫度為22 ℃，熱載荷為電機各部分損耗，工作過程中存在自然對流散熱。

電機在200 V電壓，負載分別為3.2 N·m（5 min），4.3 N·m（5 min）下工作，溫度場計算結果如圖4所示。

圖4 電機溫度場分布Fig.4 Temperature Field Distribution of Motor

電機溫升曲線如圖5所示。

由圖5可知，在模擬中頻電機實際工作情況下，工作時間 600 s時，電機靠近繞組處定子鐵芯溫度164 ℃，與實測值基本吻合。電機絕緣材料及浸漬漆均選用H級以上耐高溫材料，耐溫高于180 ℃。可見，電機熱設計完全滿足使用要求。

3.4 強度有限元分析

在 ANSYS Workbench環(huán)境下，設定轉速為8700 r/min，對轉子花鍵施加 1.5倍外負載，即6.45 N·m扭矩，對軸承安裝面施加圓柱形約束，電機軸受力情況如圖6所示。

圖6 軸強度有限元分析Fig.6 Stator Core

從圖6可見，6.45 N·m轉矩作用下，軸最大受力部位也為花鍵軸臺階端環(huán)處，feaσ=95.629 MPa，剩余安全系數(shù)為：

3.5 定子鐵芯結構改進前后對比

之前沖片加工后裝配成鐵芯工序多，周轉環(huán)節(jié)多；且疊壓過程環(huán)節(jié)多，質量控制存在風險，整個沖片成型過程存在工藝復雜，生產(chǎn)周期長、質量一致性不好等缺點，采用手工操作模式，沖片加工后裝配成鐵芯工序多，主要工序有9道，成型周期較長、成本高。一臺電機定轉子生產(chǎn)周期約為30天，不能適應批產(chǎn)要求。過程環(huán)節(jié)多，質量控制存在風險。

實現(xiàn)中頻電機定子、轉子鐵芯疊壓一體化技術后，簡化了工藝流程，避免了原工藝中疊壓、涂膠、焊接等復雜的工藝過程，減少6道加工工序。生產(chǎn)周期顯著縮短，實現(xiàn)了一臺中頻電機定子、轉子鐵芯生產(chǎn)時間不到10 min。完成了中頻電機定轉子疊壓鉚接一體化模具設計和制造，尺寸精確。可靠性高，無變形，無多余物等。

純手工鉚釘鉚接成型的定子鐵芯如圖7a所示，全自動疊鉚一體化成型的定子鐵芯如圖7b所示。轉子鐵芯改進工藝與定子鐵芯基本相同。

圖7 定子鐵芯Fig.7 Stator Core

3.6 可靠性試驗情況

目前，已有2臺產(chǎn)品隨伺服系統(tǒng)通過了可靠性增長試驗考核，約4臺產(chǎn)品通過了熱力學、低氣壓、壽命等考核。配套于伺服系統(tǒng)成功參加了各種大型地面試驗和飛行試驗考核。

4 結 論

本文對航天伺服系統(tǒng)用高比功率電機定轉子進行了關鍵技術研究，研究過程中，綜合應用電磁場、溫度場、結構場等有限元分析技術，證明電機仿真結果和實測值非常吻合，實現(xiàn)了產(chǎn)品的優(yōu)化設計和精確設計。采用了耐高溫絕緣材料、新浸漆技術、全自動疊鉚一體化等新產(chǎn)品和新技術，解決電機空間限制下高比功率需求，提高電機的可制造性，保證電機的高可靠絕緣性，提高產(chǎn)品合格率、成品率及質量，降低成本。