一种进冷却液屏蔽结构感应电机的设计

尚 涛,唐 超

(1.贵州航天林泉电机有限公司，贵州 贵阳 550081；2.国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州 贵阳 550081)

0 引言

随着航空产业的不断发展，机载设备的功率密度也大幅度提升，机载设备的冷却设计已经成为制约飞机轻量化的关键瓶颈，目前常用的散热方式主要为风冷和液冷，与传统的风冷散热相比，冷却液导热系数是空气的几十倍，散热效能远高于风冷，越来越多的机载设备选择使用冷却液进行冷却，而电机作为驱动执行部件，其在冷却液介质中的运行性能及可靠性尤为重要。

感应电机具有结构简单、制造方便、维护成本低、可靠性高等特点，除此之外，其可直接应用机上交流电，省略了驱动器进行供电转换，取电方便。因此在转速变化精度要求不高的机载液冷系统、环控系统上得到大量应用。

飞机常用65#冷却液作为冷却介质，该冷却液是水和乙二醇的混合液，具有散热性好、导电性、腐蚀性等特点，因此电机的定子绝缘防护尤为重要。常用的绝缘防护方式是在定转子之间增加金属护套或非金属护套，金属护套导热性好、壁厚较薄，但其存在涡流损耗，会降低电机效率；非金属护套壁厚较厚、电机气隙较大，但无涡流损耗。电机内部冷却循环路径设计可改善电机运行温度，提高电机运行可靠性。本文设计了一款2.5 kW的感应电机，通过Ansys Maxwell有限元分析软件建立不同隔离护套的电磁仿真模型，对其性能进行分析、优化，对内部冷却循环路径进行设计，对电机进行热仿真，测试实物电机性能，验证仿真符合性。

1 电机主要参数的选择[1-2]

电机主要尺寸参数的确定是后续仿真及优化设计的基础。

本文所设计的感应电机的主要指标见表1。

表1 2.5kW电机性能指标

在电机设计中，通常根据式(1)确定电机主要尺寸：电枢直径Da和电枢铁芯长度lt。电机的其他尺寸(包括磁路尺寸、结构尺寸)、重量和经济性等都与其有密切的关系。

(1)

式中：P—计算电磁功率，VA；KNm—气隙波形系数，气隙磁场为正弦波时等于1.11；A—电负荷，A/m；Bδ—气隙磁密，T；n—电机转速，rpm；lt—电枢长度，m；Da—电枢外径，m；Kw—绕组系数。

由式(1)可知，在电机体积(直径Da和长度lt)给定的情况下，电动机的功率P与电机电负荷A、磁负荷Bδ及电机转速n成正比关系，因此要提高电机的功率密度，必须尽可能提高电机电负荷A、磁负荷Bδ及转速n。

在输出功率、转速确定的情况下，要尽量减小电机重量，需尽可能提高电机电负荷A及磁负荷Bδ，而电负荷的提升会增加电机绕组发热，磁负荷的提高可能使定子冲片达到材料磁饱和。本文设计的电机为内部进冷却液电机，冷却液可对电机起到一定的冷却作用，所以主要从提高电机热负荷方面提高电机功率密度；为了确保电机具有较高的效率，同时兼顾经济性和工艺性，电机冲片应有良好的导磁能力和较小的铁损，同时兼具价格和加工方面的优势。本方案采用20WTG1500，该冲片为冷轧硅钢片，处于磁密B=1.0 T，频率f=400 Hz的交变磁场中的铁损为12 W/kg。

定子铁芯的槽形通常有三种：半闭口槽、半开口槽及开口槽。本方案电机为小容量的低压异步电动机，选择半闭口槽形，可提高电机的效率和功率因数。

电机的极对数p和槽数Z是电机的基本参数。感应的极对数跟电源输入频率和同步转速有关，该电机电源频率为400 Hz，额定转速(11200±400)rpm。因此电机的极对数为2对极。笼型转子感应电机在选取转子槽数时，必须与定子槽数有恰当的配合，这就是通常的槽配合。如果配合不当，会使电机性能恶化，例如有可能导致附加损耗、附加转矩、振动与噪声增加，从而导致效率降低、温升增高、起动性能变坏、严重时甚至无法起动。

由于电机内部需进65#冷却液进行冷却，而冷却液具有导电性、腐蚀性等特点，因此需用护套将定子进行隔离，使冷却液只在转子部分进行流动。选用的护套材料应具有强度高、耐腐蚀性好、温度适应性好等特点，现电机内部常用的护套有钛合金金属护套以及PEEK聚醚醚酮非金属护套。电机的主要设计参数见表2。

表2 电机主要参数

2 电机的仿真及试验验证

2.1 钛合金护套仿真

感应电机的电磁气隙对性能至关重要，本电机中电磁气隙分为护套厚度以及运转气隙，为了保证电机运行安全，本电机运转气隙设为0.3 mm，钛合金护套厚度为0.2 mm，仿真结果见图1-图4，可以看出，各仿真参数均满足性能指标要求，钛合金护套处存在196.1 W的涡流损耗。

图1 电磁转矩

图2 转速曲线

图3 启动电流波形

图4 护套涡流损耗

2.2 PEEK护套仿真

从加工性、可靠性等方面考虑，PEEK非金属护套的厚度设置为0.5 mm，运转气隙0.3 mm，仿真结果见图5-图7，各仿真参数均满足性能指标要求。

2.3 两种护套对比分析

通过对两种护套性能进行仿真，其结果对比见表3。

图5 电磁转矩

图6 转速曲线

图7 启动电流波形

从表3可以看出，两款护套的转速、瞬时启动电流等差异较小，受气隙尺寸的影响，使用PEEK护套仿真功耗较大，且钛合金护套散热效果、耐腐蚀性、加工性等优于PEEK护套，经综合对比，本电机选择钛合金护套对定子进行绝缘防护。

表3 两种护套仿真性能对比

3 热分析

电机工作环境温度为-55～+70 ℃，电机的转子部分浸在65#冷却液中，冷却液介质温度为-40～+70 ℃，电机为长时工作制。为减少电机重量，设计时需提高电机热负荷，但过高的热负荷可能使电机在运行过程中温度过高，从而烧毁电机，因此，需对电机冷却路径进行设计，对电机进行热仿真，保证电机使用安全。

3.1 轴承进液路径设计

本电机配套于增压泵，根据增压泵会产生压力差的特点，设计一条通路，使得在电机运行时能够将冷却液从电机前端轴承送到电机尾端轴承，保证轴承的润滑，轴承设计如图8所示。

图8 轴承设计

3.2 轴进液路径设计

为保证冷却液在电机内部正常循环，应建立循环通路，其中电机轴前端属于低压区。通过两体轴的方式沟通轴内部，不仅可以减重，还能使从石墨轴承处过来的冷却液通过轴内部孔流回泵体，电机轴结构见图9。

图9 轴设计

3.3 主要热源的确定

电机中主要热源有定、转子铁耗，绕组铜耗及护套涡流损耗,各损耗通过电磁仿真求取,见表4。

3.4 热仿真分析边界条件的确定

热分析中的边界条件包括温度、对流、辐射。给定温度是指给点、边、面、体上指定一个温度，对于电机的热分析，由于各部分的温度都是变化的，只需指

表4 电机损耗参数

定一个初始温度，不用单独指定各部件的温度。对流指的是各部件与周围环境的热交换系数，在电机温度场分析过程中，对流换热包括：机壳与周围空气的自然对流换热，隔离护套与冷却液的对流换热，转子与冷却液的对流换热，前后端盖与周围空气的对流换热。考虑最严酷的散热工况，假定周围环境温度为70 ℃，冷却液温度为70 ℃。

3.5 瞬态热分析

对热源确定后，建立模型(图10)并添加热源激励，给定冷却液的流动速率为0.5 L/min，仿真结果见图11。

图10 热仿真模型图 图11 稳态温度

从图11可以看出，电机的温度分布中，最高温度产生在绕组部位为134.1 ℃，因此，电机选择绝缘材料的绝缘等级为H级，耐温为180 ℃，可以保证电机能够满足在此高温下的可靠工作。

4 试验验证

图12 电机实物图

根据前文仿真结果，设计并研制了一款2.5 kW，400 Hz/115VAC的屏蔽式感应电机，实物如图12所示。

通过测功机给电机施加负载，测试研制的3台电机性能，其结果见表5。可以看出，实物与仿真较为贴合，验证了设计的准确性。

表5 电机测试结果

5 结论

本文对屏蔽式感应电机电磁参数选取进行分析，并对采用钛合金护套及PEEK聚醚醚酮护套的电磁性能进行有限元仿真，通过优化电机电磁气隙得出钛合金护套方案优于PEEK聚醚醚酮护套方案。通过对电机冷却路径进行设计，对电机热仿真温度进行校核，保证了电机运行安全。研制的实物电机性能测试与仿真值较好的吻合，验证了仿真的正确性，为设计同类屏蔽式感应电机提供了参考。