扁线绕组在临近空间低速大扭矩电机中的应用

施杨华，鞠宇宁，杨 明，杨焕钊，钱 儿

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

临近空间(Near Space)通常是指距地面高度为12 km～100 km的空域，这个高度是现有飞机等航空飞行器可控飞行的最高高度，是卫星等航天器维持近地轨道飞行的最低高度。其主要包括平流层(12 km～52 km)、中间层(52 km～86 km)、热层(86 km以上)，如图1所示。随着航空航天技术的飞速发展，临近空间区域在军事民用领域所具有的巨大潜力和战略意义日益凸显，目前的研究热点集中于临近空间飞行器。

图1 大气垂直分层示意图

临近空间空域具有以下特点[3]：空气密度低；环境温度变化大，从地面升至平流层空域的外部环境温度变化为-83 ℃～15 ℃；临近空间空域具有速度相对稳定的风，风速一般为20～30 m/s。表1列出了几个典型海拔高度下的空气属性。

表1 不同海拔高度下的空气属性

临近空间区域大气密度十分稀薄，以燃油燃烧后推动空气运动为动力的传统发动机系统难以满足临近空间飞行器推进系统的需求。目前推进系统的最佳解决方案是电推进系统方案，以电动机作为螺旋桨驱动装置，由蓄电池或太阳能电池提供电源。考虑到飞行器所携带能源有限，为满足长时间续航需求，飞行器电推进系统对电动机提出了高效率、高功率密度、高可靠性的性能需求。永磁无刷直流电机(BLDCM)具有效率高、功率密度高、可靠性好等一系列优点，已成为临近空间飞行器电推进系统用驱动电机的最佳选择[1-2]。

现阶段飞行器多用低速大转矩BLDCM作为驱动电机，电机设计时需要重点考虑抑制电机绕组铜耗和改善电机散热。本文主要研究扁线绕组电动机在临近空间飞行器动力系统中的应用。为避免电机因为高铜耗和散热条件差而导致局部高温，采用扁线绕组替代传统圆线绕组，以达到抑制电机铜耗、降低发热量、提高漆包线与定子槽热传递接触面的目的，并借助Maxwell电磁仿真软件、FloEFD流体仿真软件对电机电磁场、温度场进行分析验证。

1 扁线绕组

扁线绕组的发展由来已久，最初是用于工业领域大功率发电机组，后来延伸到电动汽车领域。目前比较热门的扁线绕组(又称发卡绕组或Hair-Pin绕组)，已被国内外电动汽车驱动电机普遍采用[4]。相比传统的圆散线绕组，扁线绕组具有以下特点[5-7]：

(1)扁线绕组的嵌线方式为成型后直接从定子端面插入到定子槽内，不受定子槽口尺寸的影响；

(2)扁线绕组的形状有利于绕组在槽内规则堆叠，理论纯铜槽满率能够达到80%，远高于圆线纯铜槽满率的50%，从而实现电机高效轻量化；

(3)扁线绕组从结构上避免了端部绕组的重叠干涉和接触应力，因此端部可以进一步缩短，有利于降低端部电阻、提高端部绕组刚度；

(4)扁线绕组装配工艺复杂,对设备要求高，产线化难度较高，但随着其在新能源电动车领域的迅速普及，产业化趋势明显，工艺技术日渐成熟。

扁线绕组工艺：绝缘纸成型—插装绝缘纸—发卡成型—发卡伸出端拨漆—插发卡线—压装发卡线—焊接端扭转成型—激光焊接—焊点涂绝缘漆—绝缘漆固化处理—引出线位处理。

图2 扁线绕组

综合以上分析，采用扁线绕组后，

(1)可以设计更小的槽口，有利于改善电机齿槽转矩、转矩脉动和振动噪声；

(2)可以设计高槽满率的槽型，有利于降低电阻和铜耗，从而提高电机效率、减少电机发热；更高的槽满率允许绕组内通过更大的电流，从而提高电机的功率密度；此外，可以提高漆包线与定子槽的热传递接触面，并且槽满率的提高使槽内绝缘减少，绕组和定子铁心之间热传导效率大幅提高，有利于绕组散热。

(3)可以缩短端部绕组长度，有利于缩短电机端部空间和减小端部电阻。

结合临近空间飞行器的飞行环境，低速大转矩电机采用扁线绕组能够改善以下问题：

(1)续航：低损耗、高效率能够减轻能源系统负担，有利于电推进系统长续航的需求；

(2)散热：高槽满率和更短的端部减少了绕组发热，扁线结构提高了绕组与定子槽热传递接触面，提高传热效率；

(3)尺寸精度：从地面升至平流层空域的温差能够达到100 ℃，在大温差作用下材料自身存在“热胀冷缩”现象，即热变形。变形量与尺寸和材料本身的热胀系数有关，尺寸越大，温度变化引起的热变形越大，这严重影响了结构的尺寸精度。考虑到电机装配过程中的配合工差主要集中在径向尺寸上，比如端盖与机壳之间、端盖与轴承之间、轴承与转轴之间，驱动电机的长径比(定子铁心有效长度/定子铁心外径)不能过小，即外径不能过大。采用扁线绕组后，电机径向尺寸大幅减小，即使增大电机长径比也能够满足电机的输出扭矩要求。

2 电磁方案

本文对一台16 kW的低速大转矩BLDCM进行设计和分析。由于临近空间中气压和空气密度在不同高度的变化(表1所示)，根据螺旋桨工作特性，分析2个临界工况，电机基本性能指标和主要设计参数如表2所示。结合电机的性能指标，分别设计出采用扁线绕组和圆线绕组的两种电磁方案，以下简称扁线方案和圆线方案，如图3和图4所示。

表2 性能指标和设计参数

图3 扁线方案(1/16周期模型)

图4 圆线方案(1/2周期模型)

扁线方案采取了优化磁极形状和磁钢分段错位相结合的方式对齿槽转矩和转矩脉动进行优化，磁钢采用V形分段排布，整体斜极角度为3.75°，磁钢排布如图5所示。

图5 磁钢分段示意图

为了更好地对比两电磁方案之间的差异，本文对两方案进行了全工况范围下的性能分析和计算，分析结果以效率map图的形式呈现，如图6所示。

图6 效率map图

对比两方案的效率map图可知，在相同的供电条件下，扁线方案具有更大的输出扭矩、更宽的恒扭矩输出范围以及更大的高效面积区，对比结果如表3所示。

表3 效率map图对比结果

临近空间飞行器飞行高度范围广，随着飞行高度的变化，电机的运行工况会发生较大变化，因此电机须满足宽工况、高效率要求。对比以上两方案，扁线方案更能够满足使用要求，下面详细分析扁线方案在多个模拟工况下的电磁和散热性能。3种不同工况下，扁线方案磁密分布云图如图7所示，转矩波形如图8所示。

通过磁密云图和转矩结果可以看出，电机铁心最大磁密集中在齿部。随着过载转矩的增加，齿部磁密变化不明显。为提高铁心利用率，缩小铁心体积，电机铁心最大磁密设计在1.8 T左右。电流和转矩之间近似呈线性关系，铁心未达到饱和，满足设计要求。

3 温度场分析

考虑到临近空间飞行器的飞行环境，电机的冷却方式仅能够采用风冷。高空空气稀薄，空气的对流效率和传热效率远不如地面，因此需要对电机的温度场进行校核。

为了校核电机冷却结构的冷却效果，电机运行工况选择额定工况和长时间过载工况，大气环境均采用空气更稀薄的20 km高空(大气属性见表1)，风速取20 m/s。本文电机损耗由电磁分析软件计算得出，借助流体分析软件对电机温度场进行分析，分析结果如图9所示。

根据图9，两种工况下，电机的最高温度均位于绕组端部，但未超过电机材料所允许的最高使用温度。电机关键部位的温度如表4所示。

4 结 语

本文综合考虑临近空间飞行器推进系统用低速大扭矩电机的使用需求和扁线绕组的特性优势，将两者结合，以此降低电机质量、降低电机宽工况时的铜耗、改善绕组散热，从而确保电机在临近空间特殊的大气环境下长期稳定工作。

从分析结果可以看出，在临近空间宽工况工作状态下采用扁线绕组的电机具有较大的效率优势，在临近空间环境、转矩过载的工况下，电机内部最高温度不超过电机材料所允许的最高使用温度。以上结果表明，扁线绕组在临近空间飞行器推进系统用低速大扭矩电机上具有较大的应用前景，其除了能够显著改善电机的发热和散热，还具有缩小电机体积、减小电机质量、提高电机效率等应用价值。