基于不同绕组类型的航空永磁电机电磁损耗与热特性研究

关键词：航空电推进系统； 永磁电机； 损耗； 热特性； 温度场建模

中图分类号：TM351 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.10.011

飞机电气化是推动绿色航空发展的重要途径，而电推进飞机是飞机电气化发展的高级阶段[1-2]，传统航空动力由电推进系统所取代，从原理上打破了航空发动机热效率瓶颈[3-5]，同时，电推进系统能够适应更灵活的气动布局，从而能够大幅提高飞机气动效率，提升推进效能[6]。

电机是电推进系统的动力核心，实现机电能量转换，为风扇、螺旋桨等推进装置提供轴功率。高效率、高转矩密度和高可靠是航空电推进系统电机的内在要求，永磁电机、异步电机和超导电机是航空电推进系统电机的主要类型，获得了广泛的关注[7]，特别是航空永磁电机，采用高性能永磁体励磁，在转矩密度和效率上具有天然优势，已在多个电推进飞机型号中获得了成功应用。

提高电磁负荷是进一步提升永磁电机转矩密度的有效方法，而高磁密和高电负荷使永磁电机面临电磁损耗大的问题。特别是为了提高轻量化水平，航空电机转速和工作频率也逐步提高，传统电机绕组中的交流损耗日益明显。当前，中小功率电推进系统电机绕组形式多为圆线和扁线，NASA X-57 分布式电推进飞机11kW高升力螺旋桨驱动电机[8]和60kW巡航螺旋桨驱动电机[9]均采用了圆线绕组，南京航空航天大学研制的飞机电推进系统100kW 双绕组永磁电机采用了扁线绕组[10]。兆瓦级电推进系统电机绕组交流损耗问题突出，多采用利兹线绕组，如伊利诺伊大学研制的1MW永磁推进电机[11]、威斯康星大学提出的1MW永磁推进电机[12]和诺丁汉大学研制的4MW电推进系统永磁发电机[13]。此外，马凯特大学提出的250kW永磁推进电机采用了基于空心导体的绕组形式[14]。

利兹线绕组采用多股绝缘单线绞合而成，能够降低高频电流导致的交流损耗，但其多层绝缘对传热不利，并且纯铜槽满率低，直流损耗大。相比较而言，矩形绕组或扁线绕组能够提高电机槽满率，增大有效铜截面，绕组端部短，从而有利于降低绕组直流损耗；同时由于绕组之间接触面积大，导热性能好，有利于绕组散热。然而，高转速高频工况下，扁线绕组面临集肤和邻近效应而导致的交流损耗大的问题。

国内外专家学者对利兹线损耗的解析模型进行了大量研究。澳大利亚悉尼大学朱建国教授团队[15]和西安交通大学张那明副教授团队[16]基于传统的绕组损耗计算原理分析了利兹线绕组的交流损耗，武汉大学邓其军教授团队[17]和Stadler[18]等推导了利兹线不同频率下的交流损耗，Sullivan 等[19]还考虑了绞绕股数和绞绕角度对交流损耗的影响，Roßkopf[20] 和Shingo[21]等采用有限元分析的方法，建立了利兹线的交流损耗仿真模型。扁线绕组损耗计算方法包括解析法和有限元法[22]。Dowell 等[23]采用Dowell 一维模型分析了扁线绕组交流损耗，Zhang Wanjun 等[24]考虑了定子槽口磁场畸变，采用基于磁矢位方程的二维子域法，具有更高的计算精度。哈尔滨工业大学程远教授团队[25]采用静态有限元-解析方法，根据简易有限元模型中槽内磁密分布，计算出扁线绕组的交流损耗，在提升计算精度的同时减少了计算时间。

上述文献研究了永磁电机绕组交流损耗特性，但高频工况下永磁电机不同绕组的损耗机理与传热特性不同，针对高电磁负荷永磁电机绕组热特性的对比研究较少。本文面向航空电推进应用背景，研究基于利兹线和扁线绕组的永磁电机交流损耗特性，建立油冷条件下的永磁电机温度场仿真模型，开展绕组热特性研究，为航空电推进永磁电机绕组优化设计提供技术支撑。

1永磁电机结构

图1给出了电推进系统永磁电机结构图。采用Halbach 阵列永磁转子，减小转子轭厚，进一步提高转矩密度。表1 总结了永磁电机基本参数，转子24 极的结构一方面能够减少铁芯用量；另一方面提高了频率，在4800r/min转速下，电频率达到960Hz。电枢绕组为144 槽分布绕组结构和60°相带整距绕组，可采用利兹线或扁线绕组形式，绕组规格尺寸见表2，其中利兹线单根线径0.2mm，由100根绞绕而成。冷却方式采用定子循油，以直接冷却绕组，转子采用通风冷却。图1显示了绕组下方的定子轴向油路。

2 电磁与损耗特性分析

2.1 电磁特性分析

空载情况下永磁电机铁芯磁密分布情况如图2所示，可知定子轭部和定子齿部均已达到了较高的饱和状态，充分发挥了电机铁磁材料磁性能以提升功率密度。值得注意的是，定子槽较深，槽内漏磁会引起绕组涡流损耗，特别是增加扁线绕组损耗。图3给出了空载气隙磁密，气隙磁密最大值达到1.1T。

该永磁电机绕组每极每相的槽数为1，反电势谐波较为明显，如图4 和图5 所示，以3 次、5 次谐波为主。反电势谐波同样引起电机转矩脉动，如图6所示。

2.2 基于扁线绕组的永磁电机损耗特性

永磁电机电磁损耗包括定子绕组铜损、定子铁损和永磁体涡流损耗等。定子绕组铜损P可以表示为

损耗计算情况见表4。对比表3 可知，由于电机极对数多，工作频率高，虽然利兹线绞绕方式减小了有效铜截面，直流损耗有所增加，但在高频工况下仍然有效降低了交流铜损，使得总损耗相对较小。

在功率恒定条件下，随着转速上升，相电流下降，利兹线铜损下降，如图10所示；而在相电流恒定条件下，随着转速改变，利兹线损耗几乎不变，相比较而言，扁线绕组损耗增加。

3热特性分析

热分析需要保证电机的所有部件工作在其耐温范围内，以保证电机能安全稳定运行，避免环境温度对电机耐温薄弱环节绕组和磁钢造成影响。该电机定子损耗相对较高，因此采用定子循油冷却，定子槽内部设有轴向冷却通道，冷却滑油通过轴向流道带走热量，冷却油直接与绕组接触，散热效果好。转子损耗较小，采用风冷冷却，通过气隙风道带走热量。

根据对称性，建立永磁电机1/48 温度场有限元仿真模型，定义电机内各种材料参数，施加电机损耗作为热源，计算定子油冷条件下的温度分布规律。

电机内各部件材料与结构各异，准确定义其热特性参数是温度场建模与分析的基础。电机槽内有两根导体，为了简化分析，分别对单根导体进行建模。扁线绕组中导体内部为纯铜，等效传热系数表现为各向同性，导热性能较好；利兹线由于内部绝缘与有效导电面积的影响，等效传热系数较小。热模型各组件热特性见表5。

热源通过生热密度进行加载，各组件的生热密度为

式中，P为各部件的损耗，V 为各部件的体积。据此计算出不同绕组类型下电机各组件的生热密度，作为温度场仿真的载荷。

在额定工况下，环境温度80℃时的仿真结果如图11～图13 所示。由图11～图13 可以看到，绕组形式对电机的温度分布规律影响很大，定子部分的温度变化明显，转子部分由于气隙的热阻较大，温度变化不大。由于交流损耗缘故，尽管扁线绕组损耗大于利兹线绕组损耗，但由于扁线绕组导热性能更好，其温度较低。

图14 给出了变转速条件，恒输出电流条件的绕组温度对比情况。由图14 可知，随着转速的上升，电机损耗增加，扁线绕组和利兹线绕组温度逐渐增加，扁线绕组散热性能较好，温度低于利兹线。随着转速进一步上升，扁线绕组交流损耗逐渐增大，其温度增长相比于利兹线绕组也逐步加快，直至高于利兹线绕组温度。电机额定转速为4800r/min 时，恒输出电流条件下高转速会产生高额铁损，电机热点出现在铁芯上，绕组温度受铁芯温度影响较大，超过了温度限额，并且导致扁线绕组和利兹线绕组温度差额较小。在不考虑铁芯损耗的理想情况下，高速条件下扁线绕组与利兹线绕组温度差额较大。

4 结束语

本文研究了航空电推进永磁电机扁线和利兹线绕组损耗特性，对比分析了基于不同绕组类型的永磁电机热特性与温度分布规律，研究表明：

（1）电机高频运行下，扁线绕组交流损耗大，损耗随转速升高而增大。尽管利兹线绕组有效铜截面小，直流损耗大，但在1kHz左右工作频率下，其交流损耗很小，使绕组损耗相比扁线绕组小。

（2）由于扁线绕组导热性能较好，尽管其损耗相比利兹线绕组高43%，但在定子循油冷却条件下，绕组最高温度相比利兹线绕组低近12℃。

（3）随着转速进一步升高，扁线绕组交流损耗明显增加，温度增长较快，直至高于利兹线绕组温度。