航空中频自起动永磁同步电机的设计与试验

电动机作为利用电磁感应原理，实现电能与机械能之间能量转换的电磁机械装置，广泛应用于各类航空机载设备中。目前，飞机燃油系统中油泵和环控系统中压气机的驱动电机大多采用普通交流异步电动机，相比于普通交流异步电动机，自起动永磁同步电机具有以下优点:（1）体积小、重量（质量）轻、结构简单、功率密度高、有自起动能力；（2）在25%～120%负载范围内都具有较高的效率和功率因数，减小了相应的线路损耗和定子铜耗，轻载时节能效果更加明显；（3）正常工作时转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升降低；（4）减少了飞机电网中无功电流的流通，降低了机载供电电源的容量；（5）电机转速只与供电频率有关，不存在交流异步电动机中转差率的问题，尤为适合定速传动的场合。

鉴于自起动永磁同步电机的显著优势，众多文献对其进行了研究。例如，参考文献[1]～[4]分别从不均匀气隙结构、分数槽绕组、绕线转子以及盘型磁钢结构方面对自起动永磁电机的设计方法进行了研究；参考文献[5]对自起动永磁电机最小转矩的确定方法进行了研究；参考文献[6]～[8]从初始状态、导条材料以及起动冲击电流和转矩的场路耦合分析方面对电机起动性能进行了研究；参考文献[9]对自起动永磁同步电机不同转子磁路结构进行了对比研究；参考文献[10]从综合考虑起动转矩与牵入转矩时转子电阻优化设计方法方面进行了分析。然而上述研究基本都集中在工频50Hz供电条件下自起动永磁同步电动机的设计方法、起动性能计算和磁极形状优化等方面，对航空领域115V/400Hz中频供电条件下该种电机的设计分析鲜有报道。

为此，本文提出了航空中频自起动永磁同步电机方案，分析了115V/400Hz这一特殊供电条件下该种电机定子、转子和永磁体等方面的设计特点，设计了一台10kW、6 极、8000r/min航空自起动永磁同步电机方案，并进行了电磁场有限元建模分析。最后研制了一台样机，并搭建试验台对其进行了试验研究。

1 设计方案

1.1 电机初始性能要求

电机的主要性能参数初始要求见表1。

1.2 定子设计

自起动永磁同步电动机定子冲片设计可参考普通交流异步电动机定子冲片设计方法。考虑到转子永磁体安装的方便，该电机设计中采用定子斜槽方式，而不采用交流异步电动机通常选用的转子斜槽方式。

表1 电机主要性能参数Table 1 The main parameters of motor参数额定电压/V额定频率/Hz额定转速/（r/min）极对数额定功率/kW额定电流/A数值200 400 8000 3 10≤46参数额定转矩/（N·m）额定效率/%功率因数起动电流/A起动转矩/（N·m）重量/kg数值11.9≥84.5≥0.79＜200≥9≤13

根据接口要求，电机定子冲片外径确定为148mm，定子槽数为54槽，采用平行齿结构。电枢绕组采用双层叠绕组，每极每相槽数q=3，线圈跨距y=8。设计出的电机定子冲片如图1所示。

图1 定子冲片Fig.1 Punching plate of stator

1.3 转子设计

在定子冲片尺寸确定的基础上，气隙长度选为0.3mm，对转子冲片进行设计。在定、转子槽配合方面，自起动永磁同步电机选取原则与交流异步电动机存在一定差别。通常该种电动机的转子槽数在定、转子槽配合选用原则容许的范围内被选为电机极数的整数倍。综合考虑转子电阻以及槽数对电动机起动性能的影响，本方案中电机转子槽数选为36槽，即每一极对应的转子槽数为6槽。

在转子槽形设计方面，考虑到转子空间限制且棒材导条加工和嵌放的便利，转子槽形设计为矩形。

为了适应不同场合对电动机性能的要求，转子电阻大小的设计需要折中考虑:转子电阻取值较大时，电动机在低起动电流下即可产生较高的起动转矩，然而如果转子电阻设计的过大，会使电机难以牵入同步；反之，如果转子电阻取值较小，电动机的牵入同步能力也较强，但缺点是起动电流会比较大。综合考虑电机起动电流限制要求和起动性能的需要，转子导条和端环的材料均选取为黄铜。

综上，设计出的采用内置V 形转子磁路结构的电机转子冲片如图2所示。

图2 转子冲片Fig.2 Punching plate of rotor

1.4 永磁体设计

航空电机通常具有可靠性高、功率密度高等特点，因此从永磁材料温度稳定性和化学稳定性方面考虑，航空电机一般选用磁性能好且温度系数低的钐钴永磁材料。

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