扁線繞組在臨近空間低速大扭矩電機中的應用

施楊華，鞠宇寧，楊 明，楊煥釗，錢 兒

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

臨近空間(Near Space)通常是指距地面高度為12 km～100 km的空域，這個高度是現有飛機等航空飛行器可控飛行的最高高度，是衛星等航天器維持近地軌道飛行的最低高度。其主要包括平流層(12 km～52 km)、中間層(52 km～86 km)、熱層(86 km以上)，如圖1所示。隨著航空航天技術的飛速發展，臨近空間區域在軍事民用領域所具有的巨大潛力和戰略意義日益凸顯，目前的研究熱點集中于臨近空間飛行器。

圖1 大氣垂直分層示意圖

臨近空間空域具有以下特點[3]：空氣密度低；環境溫度變化大，從地面升至平流層空域的外部環境溫度變化為-83 ℃～15 ℃；臨近空間空域具有速度相對穩定的風，風速一般為20～30 m/s。表1列出了幾個典型海拔高度下的空氣屬性。

表1 不同海拔高度下的空氣屬性

臨近空間區域大氣密度十分稀薄，以燃油燃燒后推動空氣運動為動力的傳統發動機系統難以滿足臨近空間飛行器推進系統的需求。目前推進系統的最佳解決方案是電推進系統方案，以電動機作為螺旋槳驅動裝置，由蓄電池或太陽能電池提供電源。考慮到飛行器所攜帶能源有限，為滿足長時間續航需求，飛行器電推進系統對電動機提出了高效率、高功率密度、高可靠性的性能需求。永磁無刷直流電機(BLDCM)具有效率高、功率密度高、可靠性好等一系列優點，已成為臨近空間飛行器電推進系統用驅動電機的最佳選擇[1-2]。

現階段飛行器多用低速大轉矩BLDCM作為驅動電機，電機設計時需要重點考慮抑制電機繞組銅耗和改善電機散熱。本文主要研究扁線繞組電動機在臨近空間飛行器動力系統中的應用。為避免電機因為高銅耗和散熱條件差而導致局部高溫，采用扁線繞組替代傳統圓線繞組，以達到抑制電機銅耗、降低發熱量、提高漆包線與定子槽熱傳遞接觸面的目的，并借助Maxwell電磁仿真軟件、FloEFD流體仿真軟件對電機電磁場、溫度場進行分析驗證。

1 扁線繞組

扁線繞組的發展由來已久，最初是用于工業領域大功率發電機組，后來延伸到電動汽車領域。目前比較熱門的扁線繞組(又稱發卡繞組或Hair-Pin繞組)，已被國內外電動汽車驅動電機普遍采用[4]。相比傳統的圓散線繞組，扁線繞組具有以下特點[5-7]：

(1)扁線繞組的嵌線方式為成型后直接從定子端面插入到定子槽內，不受定子槽口尺寸的影響；

(2)扁線繞組的形狀有利于繞組在槽內規則堆疊，理論純銅槽滿率能夠達到80%，遠高于圓線純銅槽滿率的50%，從而實現電機高效輕量化；

(3)扁線繞組從結構上避免了端部繞組的重疊干涉和接觸應力，因此端部可以進一步縮短，有利于降低端部電阻、提高端部繞組剛度；

(4)扁線繞組裝配工藝復雜,對設備要求高，產線化難度較高，但隨著其在新能源電動車領域的迅速普及，產業化趨勢明顯，工藝技術日漸成熟。

扁線繞組工藝：絕緣紙成型—插裝絕緣紙—發卡成型—發卡伸出端撥漆—插發卡線—壓裝發卡線—焊接端扭轉成型—激光焊接—焊點涂絕緣漆—絕緣漆固化處理—引出線位處理。

圖2 扁線繞組

綜合以上分析，采用扁線繞組后，

(1)可以設計更小的槽口，有利于改善電機齒槽轉矩、轉矩脈動和振動噪聲；

(2)可以設計高槽滿率的槽型，有利于降低電阻和銅耗，從而提高電機效率、減少電機發熱；更高的槽滿率允許繞組內通過更大的電流，從而提高電機的功率密度；此外，可以提高漆包線與定子槽的熱傳遞接觸面，并且槽滿率的提高使槽內絕緣減少，繞組和定子鐵心之間熱傳導效率大幅提高，有利于繞組散熱。

(3)可以縮短端部繞組長度，有利于縮短電機端部空間和減小端部電阻。

結合臨近空間飛行器的飛行環境，低速大轉矩電機采用扁線繞組能夠改善以下問題：

(1)續航：低損耗、高效率能夠減輕能源系統負擔，有利于電推進系統長續航的需求；

(2)散熱：高槽滿率和更短的端部減少了繞組發熱，扁線結構提高了繞組與定子槽熱傳遞接觸面，提高傳熱效率；

(3)尺寸精度：從地面升至平流層空域的溫差能夠達到100 ℃，在大溫差作用下材料自身存在“熱脹冷縮”現象，即熱變形。變形量與尺寸和材料本身的熱脹系數有關，尺寸越大，溫度變化引起的熱變形越大，這嚴重影響了結構的尺寸精度。考慮到電機裝配過程中的配合工差主要集中在徑向尺寸上，比如端蓋與機殼之間、端蓋與軸承之間、軸承與轉軸之間，驅動電機的長徑比(定子鐵心有效長度/定子鐵心外徑)不能過小，即外徑不能過大。采用扁線繞組后，電機徑向尺寸大幅減小，即使增大電機長徑比也能夠滿足電機的輸出扭矩要求。

2 電磁方案

本文對一臺16 kW的低速大轉矩BLDCM進行設計和分析。由于臨近空間中氣壓和空氣密度在不同高度的變化(表1所示)，根據螺旋槳工作特性，分析2個臨界工況，電機基本性能指標和主要設計參數如表2所示。結合電機的性能指標，分別設計出采用扁線繞組和圓線繞組的兩種電磁方案，以下簡稱扁線方案和圓線方案，如圖3和圖4所示。

表2 性能指標和設計參數

圖3 扁線方案(1/16周期模型)

圖4 圓線方案(1/2周期模型)

扁線方案采取了優化磁極形狀和磁鋼分段錯位相結合的方式對齒槽轉矩和轉矩脈動進行優化，磁鋼采用V形分段排布，整體斜極角度為3.75°，磁鋼排布如圖5所示。

圖5 磁鋼分段示意圖

為了更好地對比兩電磁方案之間的差異，本文對兩方案進行了全工況范圍下的性能分析和計算，分析結果以效率map圖的形式呈現，如圖6所示。

圖6 效率map圖

對比兩方案的效率map圖可知，在相同的供電條件下，扁線方案具有更大的輸出扭矩、更寬的恒扭矩輸出范圍以及更大的高效面積區，對比結果如表3所示。

表3 效率map圖對比結果

臨近空間飛行器飛行高度范圍廣，隨著飛行高度的變化，電機的運行工況會發生較大變化，因此電機須滿足寬工況、高效率要求。對比以上兩方案，扁線方案更能夠滿足使用要求，下面詳細分析扁線方案在多個模擬工況下的電磁和散熱性能。3種不同工況下，扁線方案磁密分布云圖如圖7所示，轉矩波形如圖8所示。

通過磁密云圖和轉矩結果可以看出，電機鐵心最大磁密集中在齒部。隨著過載轉矩的增加，齒部磁密變化不明顯。為提高鐵心利用率，縮小鐵心體積，電機鐵心最大磁密設計在1.8 T左右。電流和轉矩之間近似呈線性關系，鐵心未達到飽和，滿足設計要求。

3 溫度場分析

考慮到臨近空間飛行器的飛行環境，電機的冷卻方式僅能夠采用風冷。高空空氣稀薄，空氣的對流效率和傳熱效率遠不如地面，因此需要對電機的溫度場進行校核。

為了校核電機冷卻結構的冷卻效果，電機運行工況選擇額定工況和長時間過載工況，大氣環境均采用空氣更稀薄的20 km高空(大氣屬性見表1)，風速取20 m/s。本文電機損耗由電磁分析軟件計算得出，借助流體分析軟件對電機溫度場進行分析，分析結果如圖9所示。

根據圖9，兩種工況下，電機的最高溫度均位于繞組端部，但未超過電機材料所允許的最高使用溫度。電機關鍵部位的溫度如表4所示。

4 結 語

本文綜合考慮臨近空間飛行器推進系統用低速大扭矩電機的使用需求和扁線繞組的特性優勢，將兩者結合，以此降低電機質量、降低電機寬工況時的銅耗、改善繞組散熱，從而確保電機在臨近空間特殊的大氣環境下長期穩定工作。

從分析結果可以看出，在臨近空間寬工況工作狀態下采用扁線繞組的電機具有較大的效率優勢，在臨近空間環境、轉矩過載的工況下，電機內部最高溫度不超過電機材料所允許的最高使用溫度。以上結果表明，扁線繞組在臨近空間飛行器推進系統用低速大扭矩電機上具有較大的應用前景，其除了能夠顯著改善電機的發熱和散熱，還具有縮小電機體積、減小電機質量、提高電機效率等應用價值。