一種進(jìn)冷卻液屏蔽結(jié)構(gòu)感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)

尚 濤,唐 超

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

0 引言

隨著航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)載設(shè)備的功率密度也大幅度提升，機(jī)載設(shè)備的冷卻設(shè)計(jì)已經(jīng)成為制約飛機(jī)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(yuǎn)高于風(fēng)冷，越來(lái)越多的機(jī)載設(shè)備選擇使用冷卻液進(jìn)行冷卻，而電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，其在冷卻液介質(zhì)中的運(yùn)行性能及可靠性尤為重要。

感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、維護(hù)成本低、可靠性高等特點(diǎn)，除此之外，其可直接應(yīng)用機(jī)上交流電，省略了驅(qū)動(dòng)器進(jìn)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(jī)載液冷系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)上得到大量應(yīng)用。

飛機(jī)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(diǎn)，因此電機(jī)的定子絕緣防護(hù)尤為重要。常用的絕緣防護(hù)方式是在定轉(zhuǎn)子之間增加金屬護(hù)套或非金屬護(hù)套，金屬護(hù)套導(dǎo)熱性好、壁厚較薄，但其存在渦流損耗，會(huì)降低電機(jī)效率；非金屬護(hù)套壁厚較厚、電機(jī)氣隙較大，但無(wú)渦流損耗。電機(jī)內(nèi)部冷卻循環(huán)路徑設(shè)計(jì)可改善電機(jī)運(yùn)行溫度，提高電機(jī)運(yùn)行可靠性。本文設(shè)計(jì)了一款2.5 kW的感應(yīng)電機(jī)，通過(guò)Ansys Maxwell有限元分析軟件建立不同隔離護(hù)套的電磁仿真模型，對(duì)其性能進(jìn)行分析、優(yōu)化，對(duì)內(nèi)部冷卻循環(huán)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真，測(cè)試實(shí)物電機(jī)性能，驗(yàn)證仿真符合性。

1 電機(jī)主要參數(shù)的選擇[1-2]

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

本文所設(shè)計(jì)的感應(yīng)電機(jī)的主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 2.5kW電機(jī)性能指標(biāo)

在電機(jī)設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)式(1)確定電機(jī)主要尺寸：電樞直徑Da和電樞鐵芯長(zhǎng)度lt。電機(jī)的其他尺寸(包括磁路尺寸、結(jié)構(gòu)尺寸)、重量和經(jīng)濟(jì)性等都與其有密切的關(guān)系。

(1)

式中：P—計(jì)算電磁功率，VA；KNm—?dú)庀恫ㄐ蜗禂?shù)，氣隙磁場(chǎng)為正弦波時(shí)等于1.11；A—電負(fù)荷，A/m；Bδ—?dú)庀洞琶埽琓；n—電機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；lt—電樞長(zhǎng)度，m；Da—電樞外徑，m；Kw—繞組系數(shù)。

由式(1)可知，在電機(jī)體積(直徑Da和長(zhǎng)度lt)給定的情況下，電動(dòng)機(jī)的功率P與電機(jī)電負(fù)荷A、磁負(fù)荷Bδ及電機(jī)轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系，因此要提高電機(jī)的功率密度，必須盡可能提高電機(jī)電負(fù)荷A、磁負(fù)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(jī)重量，需盡可能提高電機(jī)電負(fù)荷A及磁負(fù)荷Bδ，而電負(fù)荷的提升會(huì)增加電機(jī)繞組發(fā)熱，磁負(fù)荷的提高可能使定子沖片達(dá)到材料磁飽和。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)為內(nèi)部進(jìn)冷卻液電機(jī)，冷卻液可對(duì)電機(jī)起到一定的冷卻作用，所以主要從提高電機(jī)熱負(fù)荷方面提高電機(jī)功率密度；為了確保電機(jī)具有較高的效率，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和工藝性，電機(jī)沖片應(yīng)有良好的導(dǎo)磁能力和較小的鐵損，同時(shí)兼具價(jià)格和加工方面的優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)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(kāi)口槽及開(kāi)口槽。本方案電機(jī)為小容量的低壓異步電動(dòng)機(jī)，選擇半閉口槽形，可提高電機(jī)的效率和功率因數(shù)。

電機(jī)的極對(duì)數(shù)p和槽數(shù)Z是電機(jī)的基本參數(shù)。感應(yīng)的極對(duì)數(shù)跟電源輸入頻率和同步轉(zhuǎn)速有關(guān)，該電機(jī)電源頻率為400 Hz，額定轉(zhuǎn)速(11200±400)rpm。因此電機(jī)的極對(duì)數(shù)為2對(duì)極。籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)在選取轉(zhuǎn)子槽數(shù)時(shí)，必須與定子槽數(shù)有恰當(dāng)?shù)呐浜希@就是通常的槽配合。如果配合不當(dāng)，會(huì)使電機(jī)性能惡化，例如有可能導(dǎo)致附加損耗、附加轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)與噪聲增加，從而導(dǎo)致效率降低、溫升增高、起動(dòng)性能變壞、嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法起動(dòng)。

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

表2 電機(jī)主要參數(shù)

2 電機(jī)的仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 鈦合金護(hù)套仿真

感應(yīng)電機(jī)的電磁氣隙對(duì)性能至關(guān)重要，本電機(jī)中電磁氣隙分為護(hù)套厚度以及運(yùn)轉(zhuǎn)氣隙，為了保證電機(jī)運(yùn)行安全，本電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)氣隙設(shè)為0.3 mm，鈦合金護(hù)套厚度為0.2 mm，仿真結(jié)果見(jiàn)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(hù)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(dòng)電流波形

圖4 護(hù)套渦流損耗

2.2 PEEK護(hù)套仿真

從加工性、可靠性等方面考慮，PEEK非金屬護(hù)套的厚度設(shè)置為0.5 mm，運(yùn)轉(zhuǎn)氣隙0.3 mm，仿真結(jié)果見(jiàn)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(hù)套對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)兩種護(hù)套性能進(jìn)行仿真，其結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩

圖6 轉(zhuǎn)速曲線

圖7 啟動(dòng)電流波形

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

表3 兩種護(hù)套仿真性能對(duì)比

3 熱分析

電機(jī)工作環(huán)境溫度為-55～+70 ℃，電機(jī)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(jī)為長(zhǎng)時(shí)工作制。為減少電機(jī)重量，設(shè)計(jì)時(shí)需提高電機(jī)熱負(fù)荷，但過(guò)高的熱負(fù)荷可能使電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中溫度過(guò)高，從而燒毀電機(jī)，因此，需對(duì)電機(jī)冷卻路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱仿真，保證電機(jī)使用安全。

3.1 軸承進(jìn)液路徑設(shè)計(jì)

本電機(jī)配套于增壓泵，根據(jù)增壓泵會(huì)產(chǎn)生壓力差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一條通路，使得在電機(jī)運(yùn)行時(shí)能夠?qū)⒗鋮s液從電機(jī)前端軸承送到電機(jī)尾端軸承，保證軸承的潤(rùn)滑，軸承設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 軸承設(shè)計(jì)

3.2 軸進(jìn)液路徑設(shè)計(jì)

為保證冷卻液在電機(jī)內(nèi)部正常循環(huán)，應(yīng)建立循環(huán)通路，其中電機(jī)軸前端屬于低壓區(qū)。通過(guò)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(guò)來(lái)的冷卻液通過(guò)軸內(nèi)部孔流回泵體，電機(jī)軸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

圖9 軸設(shè)計(jì)

3.3 主要熱源的確定

電機(jī)中主要熱源有定、轉(zhuǎn)子鐵耗，繞組銅耗及護(hù)套渦流損耗,各損耗通過(guò)電磁仿真求取,見(jiàn)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(duì)流、輻射。給定溫度是指給點(diǎn)、邊、面、體上指定一個(gè)溫度，對(duì)于電機(jī)的熱分析，由于各部分的溫度都是變化的，只需指

表4 電機(jī)損耗參數(shù)

定一個(gè)初始溫度，不用單獨(dú)指定各部件的溫度。對(duì)流指的是各部件與周圍環(huán)境的熱交換系數(shù)，在電機(jī)溫度場(chǎng)分析過(guò)程中，對(duì)流換熱包括：機(jī)殼與周圍空氣的自然對(duì)流換熱，隔離護(hù)套與冷卻液的對(duì)流換熱，轉(zhuǎn)子與冷卻液的對(duì)流換熱，前后端蓋與周圍空氣的對(duì)流換熱。考慮最嚴(yán)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(duì)熱源確定后，建立模型(圖10)并添加熱源激勵(lì)，給定冷卻液的流動(dòng)速率為0.5 L/min，仿真結(jié)果見(jiàn)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(jī)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(jī)選擇絕緣材料的絕緣等級(jí)為H級(jí)，耐溫為180 ℃，可以保證電機(jī)能夠滿足在此高溫下的可靠工作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖12 電機(jī)實(shí)物圖

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

通過(guò)測(cè)功機(jī)給電機(jī)施加負(fù)載，測(cè)試研制的3臺(tái)電機(jī)性能，其結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出，實(shí)物與仿真較為貼合，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

表5 電機(jī)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文對(duì)屏蔽式感應(yīng)電機(jī)電磁參數(shù)選取進(jìn)行分析，并對(duì)采用鈦合金護(hù)套及PEEK聚醚醚酮護(hù)套的電磁性能進(jìn)行有限元仿真，通過(guò)優(yōu)化電機(jī)電磁氣隙得出鈦合金護(hù)套方案優(yōu)于PEEK聚醚醚酮護(hù)套方案。通過(guò)對(duì)電機(jī)冷卻路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)熱仿真溫度進(jìn)行校核，保證了電機(jī)運(yùn)行安全。研制的實(shí)物電機(jī)性能測(cè)試與仿真值較好的吻合，驗(yàn)證了仿真的正確性，為設(shè)計(jì)同類屏蔽式感應(yīng)電機(jī)提供了參考。