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，且高密度發射批產要求研制和生產周期短，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。

根據航天短時工作特點，從電磁參數選擇方面，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，同時電機也面臨發熱大、磁場飽和等難題。如何保證既定短時工作內的電機發熱滿足要求，需結合準確的溫度場分析進而不斷優化電磁設計。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的結構。為保證電機平穩高速旋轉，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流程，并結合產品工作特點，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，但定子繞組發熱不可忽視，且是定子發熱最高部位。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，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，實現了產品的優化設計和精確設計，并具有恰當的設計裕度。

2.2 溫度場分析

根據電磁計算結果中繞組銅耗、鐵耗、摩擦損耗等參數，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境下中頻電機工作狀態進行發熱估算。

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“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，實際生產中發現絕緣漆布脆性大，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，出現多種絕緣性、加工性、使用性更好的同類產品，可作為老絕緣材料的替代產品，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

模擬實際工作環境條件，進行電機溫度場計算。與電機配套伺服系統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

電機處于大氣環境下，設定初始溫度和環境溫度為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處，feaσ=95.629 MPa，剩余安全系數為：

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，周轉環節多；且疊壓過程環節多，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周期約為30天，不能適應批產要求。過程環節多，質量控制存在風險。

實現中頻電機定子、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。生產周期顯著縮短，實現了一臺中頻電機定子、轉子鐵芯生產時間不到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臺產品隨伺服系統通過了可靠性增長試驗考核，約4臺產品通過了熱力學、低氣壓、壽命等考核。配套于伺服系統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，實現了產品的優化設計和精確設計。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，提高產品合格率、成品率及質量，降低成本。