李曉錦，張東寧，汪倚彤，殷佩舞

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

近年來，世界發(fā)達(dá)國家不約而同地在離地20 000 m的平流層臨近空間內(nèi)開展各種飛行器的研究。主要參與研究的有歐洲空客公司、美國波音公司、日本軟銀集團(tuán)和美國Facebook公司等。臨近空間飛行器主要依靠陽光作為動力源，具備超長駐空時間。本文探討的高效率高功率密度永磁交流伺服電動機(jī)，主要用于臨近空間飛行器動力驅(qū)動單元。臨近空間飛行器動力驅(qū)動單元在白天利用光伏電池作為能源,夜晚采用蓄電池作為能源，對驅(qū)動單元質(zhì)量和效率等指標(biāo)要求比較高。

本文研究的高效率高功率密度永磁伺服電動機(jī)，為了兼顧高轉(zhuǎn)速輕載和低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩寬功率范圍效率，將定子磁路的磁通密度設(shè)計較低(約1.5 T)，定子繞組采用高槽滿率的矩形漆包線嵌線。同時應(yīng)用ANSYS/RMxprt軟件中優(yōu)化轉(zhuǎn)子永磁體極弧系數(shù)，以找到電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動小且轉(zhuǎn)子電磁部分質(zhì)量較低的平衡點(diǎn)[1]。應(yīng)用ANSYS/Maxwell軟件進(jìn)行電機(jī)效率Map圖仿真，從而獲得電機(jī)在各個工作點(diǎn)的效率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等信息。在電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，本文應(yīng)用ANSYS/Workbench軟件在電機(jī)結(jié)構(gòu)3D模型上按用戶要求建立約束，施加軸向拉力、輸出軸上模擬螺旋槳重力及電機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)應(yīng)力分布情況，調(diào)整結(jié)構(gòu)件質(zhì)量分布，以期用最小質(zhì)量完成支撐結(jié)構(gòu)件設(shè)計。

1 定轉(zhuǎn)子齒槽配合及極弧系數(shù)選擇

本文選擇了電機(jī)定子為集中繞組，轉(zhuǎn)子為表貼式永磁體的設(shè)計方案。定子各相繞組之間互感較低，而且可以做到相互絕緣隔離。與內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)相比，表貼式永磁體轉(zhuǎn)子質(zhì)量更低，并可以通過制作工藝保證可靠性。文獻(xiàn)[2]提供了以下齒槽配合：

S=p±1(當(dāng)每相槽數(shù)為奇數(shù)時)

S=p±2(當(dāng)每相槽數(shù)為偶數(shù)時)

式中：S為槽數(shù)；p為永磁體極數(shù)。

應(yīng)用這樣的齒槽配合，并結(jié)合永磁體極弧系數(shù)數(shù)值優(yōu)化，可以將電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降至額定轉(zhuǎn)矩的0.1%。

結(jié)合文獻(xiàn)[3]，電磁方案選擇22極24槽的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計方案，該方案電機(jī)繞組系數(shù)為0.949,基波齒槽轉(zhuǎn)矩周期數(shù)Nc為264，兼顧了電機(jī)繞組系數(shù)高及齒槽電樞脈動低的優(yōu)勢。

電機(jī)繞組槽滿率受限于下線操作員工自身的工藝水平，一般不會超過75%。操作員工掌握的工藝水平不同也影響了線圈的端部長度。采用如圖1所示的矩形線圈，可以將槽滿率提高到82%，線圈端部整齊無重疊；繞組平均線電阻由0.065 Ω下降至0.055 Ω，同時可以保證槽內(nèi)線圈與定子鐵心在熱傳導(dǎo)方向上沒有重疊，每匝線圈到定子鐵心上的熱阻均勻一致，有效降低了定子電樞中的溫度梯度。矩形漆包線構(gòu)成的定子鐵心如圖2所示。

圖1 四連繞矩形線圈

圖2 帶繞組定子鐵心

將極弧系數(shù)選取為變量，可以在ANSYS/RMxprt中進(jìn)行優(yōu)化，找到齒槽轉(zhuǎn)矩脈動較低和電磁轉(zhuǎn)矩較高的取值范圍。

最終建立的電磁模型如圖3所示。我們將極弧系數(shù)選取為0.886，定子磁路齒部磁密和軛部磁密控制在1.5 T左右，如圖4所示。圖5為電機(jī)負(fù)載時的鐵心損耗曲線。

圖3 電機(jī)電磁模型

圖4 最大線電流時的定子磁密分布

圖5 最大線電流時的鐵心損耗

2 電機(jī)效率Map圖繪制

ANSYS/Maxwell V17以后版本中，允許在后處理模塊中增加UDO和效率Map圖相關(guān)插件。

1)麥克斯韋 2D/工具箱/電氣設(shè)計工具-R16.2/效率圖顯示;

2)麥克斯韋 2D/工具箱/電氣設(shè)計工具-R16.2/電氣設(shè)計工具。

首先，要在Results中進(jìn)行UDO設(shè)置，如表1所示。需注意,第五項斜槽系數(shù)必須填成-1，即計入最后一個計算周期的數(shù)據(jù)。

表1 UDO設(shè)置

然后，在Results中調(diào)出數(shù)據(jù)表，可以選取自已需要的數(shù)據(jù)查看，如表2所示。

表2 UDO仿真數(shù)據(jù)

效率Map圖設(shè)置仿真基本參數(shù)設(shè)置如表3所示，主要選擇最大電流和最高電壓，選擇電動機(jī)模式。控制策略為最大轉(zhuǎn)矩電流比模式(MTPA)。

表3 基本參數(shù)設(shè)置

效率Map仿真周期設(shè)置如表4所示。

表4 仿真參數(shù)設(shè)置

同時需要設(shè)置最后兩個電角度周期的平均值、每個電角度周期采樣點(diǎn)、橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)速值采樣點(diǎn)及縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩值采樣點(diǎn)。設(shè)置最大轉(zhuǎn)速、Map圖轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩點(diǎn)數(shù)。最大轉(zhuǎn)速點(diǎn)設(shè)置略高于電機(jī)實(shí)際上工作轉(zhuǎn)速的120%以上，電機(jī)最高電壓也略高于工作電壓，否則系統(tǒng)容易死機(jī)。

最后得到效率Map圖仿真結(jié)果如圖6所示，可以點(diǎn)擊顯示各個工作點(diǎn)的效率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等信息。

從圖6可以看到，電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 709 r/min、轉(zhuǎn)矩為25.3 N·m這一工作點(diǎn)上，仿真得到的電機(jī)效率為95.4%，由樣機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)計算得到電機(jī)系統(tǒng)效率為93%。電機(jī)在轉(zhuǎn)速為600 r/min、轉(zhuǎn)矩為23 N·m這一工作點(diǎn)仿真，得到的電機(jī)效率為90%，樣機(jī)實(shí)測電機(jī)系統(tǒng)效率為88.0%，與仿真結(jié)果基本吻合，且滿足用戶要求。當(dāng)調(diào)整電機(jī)齒槽寬度、電樞匝數(shù)及給定電流值等值時，可以將電機(jī)運(yùn)行的高效率區(qū)調(diào)整到需要的位置。

圖6 效率Map圖

3 電機(jī)結(jié)構(gòu)件優(yōu)化

針對電機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行三維建模，并利用ANSYS/Workbench平臺，對電機(jī)進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元分析。

舉例如下：前端蓋的材料設(shè)置為鋁合金。約束為殼體外6個安裝軸向緊固的螺釘通孔。電機(jī)前端蓋的兩種結(jié)構(gòu)方案分別如圖7所示。

(a)方案1

對兩種方案的電機(jī)前端蓋施加同樣的轉(zhuǎn)矩、軸向拉力及遠(yuǎn)端徑向拉力，如圖8、圖9所示。

圖9 在前端蓋上施加軸向力及遠(yuǎn)端力示意圖

采用方案1結(jié)構(gòu)的前端蓋承受的最大應(yīng)力和平均應(yīng)力分別為169 MPa、4.249 5 MPa，如圖10(a)所示。最大變形量和平均變形量分別為0.88 mm、7.13×10-2mm。采用方案2結(jié)構(gòu)的前端蓋最大應(yīng)力和平均應(yīng)力分別為80 MPa、2.4831 MPa，如圖10(b)所示。最大變形量和平均變形量分別為0.43 mm、3.847 2×10-2mm。

(a)方案1

不難看出,在相同的負(fù)載條件和相近的材料質(zhì)量情況下，采用方案2結(jié)構(gòu)設(shè)計的前端蓋承受的最大應(yīng)力和最大變形量較方案1下降了50%左右。

最終生產(chǎn)加工得到的樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1.7 kg，成功支撐了轉(zhuǎn)矩為50 N·m、軸向拉力為300 N及轉(zhuǎn)軸中部彎矩為40 N·m，并順利通過了性能測試及環(huán)境適應(yīng)性測試。由此，本文通過優(yōu)化電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)件，在全面滿足用戶要求條件下，獲得了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

4 結(jié) 語

本文研究并總結(jié)了一種高效率高功率密度永磁交流伺服電動機(jī)主要設(shè)計思路，根據(jù)設(shè)計要求，選擇合理的齒槽配合，應(yīng)用ANSYS/Maxwell軟件優(yōu)化極弧系數(shù)，同時利用效率Map圖仿真反復(fù)疊代優(yōu)化結(jié)果，最終得到滿足寬功率范圍內(nèi)高效率要求的相關(guān)電磁參數(shù)，通過改進(jìn)線圈工藝得到較低的繞組電阻和線圈質(zhì)量。通過ANSYS/Workbench有限元平臺優(yōu)化輔助結(jié)構(gòu)件設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)滿足強(qiáng)度要求的輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

經(jīng)過研制樣機(jī)與測試，電機(jī)電磁參數(shù)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)與仿真結(jié)果基本一致。