水下的热力学与电磁学博弈：双重水循环航空屏蔽电机损耗机理与效率优化研究

摘 要：针对航空泵用屏蔽电机在冲击、振动等特殊工况下的运行需求，以及传统屏蔽电机因金属屏蔽套涡流损耗和水摩损耗导致的效率低、结构复杂等问题，本文提出一种基于内外双重水循环结构的航空泵用屏蔽电机方案。通过理论分析与有限元仿真相结合的方法，系统研究了长径比、气隙长度等关键结构参数对水摩损耗与屏蔽套损耗的影响规律，对比分析了304不锈钢、哈氏合金、碳纤维及聚醚醚酮（PEEK）等不同屏蔽套材料的性能差异，并采用流固耦合方法分析了电机在多温度工况下的应力分布特性。针对该电机400 Hz中频供电和低电压等级的起动特性进行了变负载起动仿真分析。经多物理场耦合仿真与样机试验验证，合理选择长径比为2.1、有效气隙长度以及0.2 mm厚PEEK屏蔽套的方案，能够有效降低电机总损耗，使效率满足设计指标。负载工况下样机输出转矩与仿真结果误差为1.7%，空负载转速最大误差为0.66%，电机抽水流量达210 m³/h，各项性能指标均满足设计要求。本研究成果为航空泵用屏蔽电机的优化设计提供了理论依据与实践参考。

关键词：航空泵用屏蔽电机；双重水循环；水摩损耗；屏蔽套损耗；聚醚醚酮；流固耦合

 

一、航空泵用屏蔽电机的研究背景与意义

在现代航空航天系统中，电机作为航空电气系统动力的核心组成部分，其性能和可靠性直接关系到飞行器的运行安全与作战效能。由于航空领域应用的特殊性，电机需要承受冲击、振动等极端工况，常规电机的机械密封结构难以保证航空飞行器在爬升、加速等特殊工作环境下长期安全可靠运行。为了实现液体的无泄漏传输并提升电机的环境适应性，屏蔽电机技术应运而生。

屏蔽电机的核心特征在于定子与转子之间设置有屏蔽套，使转子腔与定子腔实现物理隔离，从而使电机具有无泄漏、冷却效果好以及安全可靠性高等显著优点，被广泛应用于国防、化工和航天等重要领域。然而，屏蔽电机在带来密封优势的同时，也引入了特有的损耗问题。传统屏蔽电机的屏蔽套多采用不锈钢和合金类材料，当电机正常工作时，气隙磁场在屏蔽套中产生相对运动，从而感生涡流，形成显著的涡流损耗。这一损耗占电机总损耗的5%～15%，致使屏蔽电机的效率相较于常规感应电机明显偏低。此外，由于转子在水中运行，液体介质与转子表面之间的摩擦产生水摩损耗，占电机机械损耗的50%～90%，同样是不容忽视的损耗来源。

近年来，随着航空装备对重量、体积和能效要求的不断提高，如何在保证密封可靠性的前提下有效降低屏蔽电机损耗、提升效率，已成为该领域的研究热点和关键技术难题。本文正是在这一背景下，针对航空泵用屏蔽电机的特殊运行需求，开展基于内外双重水循环结构的电机设计与性能优化研究。

围绕屏蔽电机的损耗机理与性能优化，国内外学者已开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。

在电磁分析与建模方面，华中科技大学凌在汛等人以二维多层电磁场理论为基础，对等效电路电磁场进行解析求解，推导了转子与屏蔽套间的耦合互感，建立了实心转子屏蔽感应电机的实用等效电路模型，为该类电机的电磁设计提供了理论工具。合肥工业大学倪有源等采用三维瞬态有限元法分析了屏蔽电机的电磁特性，在考虑铁心饱和与趋肤效应影响的基础上，研究了电机内部磁场和涡流的分布规律，并计算了屏蔽套的涡流损耗。

在屏蔽套材料研究方面，沈阳工业大学安跃军等人利用有限元分析法研究了屏蔽套电阻率对电机温升的影响，结果表明有限元分析法比经验公式法具有更高的计算精度。高莲莲等对比分析了不同屏蔽套材料对屏蔽式感应电机性能的影响，重点关注了钛合金和碳纤维两种材料下转子应力的变化规律，并在极限工况下分析了厚度和过盈量组合对应力的影响。在高速永磁电机领域，有学者建立了转子应力解析模型，对几种不同材料的护套和永磁体应力分布进行了对比，获得了应力与电机转速、转子尺寸和温升的函数关系。

在水摩损耗研究方面，王灵沼在理论分析和大量试验的基础上，系统总结了影响水摩损耗的主要因素，提出了水摩损耗修正系数和计算方法。后续研究者基于摩擦学和传热学理论，对不同转速、不同表面粗糙度下的转子水摩损耗进行了更为精确的解析计算和有限元验证。还有学者探究了屏蔽电机在大雷诺数湍流状态下的流阻特性，研究了电机内部液体流速与转轴、雷诺数之间的关系，得出了摩擦损耗系数的经验方程。

在试验研究方面，程诚等设计了一台额定功率7.5 kW、额定转速15 000 r/min的高速屏蔽电机，通过搭建湿式空载试验系统进行了不同转速下的干式与湿式空载对比试验。试验结果表明，定子屏蔽套涡流损耗和转子水摩损耗对高速屏蔽电机效率的影响极大，即便电磁设计较优的电机在加入屏蔽套后效率仍下降约20%～30%；电机损耗预估公式的准确性高度依赖于经验系数的选取，在高速工况下需要进行适当修正。

以上研究工作为屏蔽电机的设计与优化奠定了重要的理论基础，但在以下方面仍有待深入：一是针对400 Hz中频供电条件下航空泵用屏蔽电机的系统研究尚不充分；二是内外双重水循环结构的设计理念与工程实践有待完善；三是非金属屏蔽套材料在航空电机中的应用研究较为欠缺。本文在上述研究基础上，以7 kW航空泵用屏蔽电机为对象，开展系统的电磁设计、损耗分析与性能优化研究。

二、航空泵用屏蔽电机的设计目标

2.1 电机结构与设计指标

本文所设计的航空泵用屏蔽电机置于飞行器下方，通过特殊连接装置与液压系统对接，工作时整体置于外界液体环境中。该结构布局决定了电机在满足动力输出要求的同时，还必须具备良好的密封性能和抗冲击能力。

在结构设计方面，电机采用内外双重水循环方案：在定子与转子之间设置屏蔽套，使电机内部与外界实现水循环通路。电机工作时带动外部液体从后端盖进入，经由轴承和屏蔽套腔体后从前端盖流出，形成完整的冷却与润滑循环。屏蔽套腔内充满液体，在电机运行过程中既可起到润滑滑动部件的作用，又能带走电机内部产生的热量，实现高效的冷却散热。

与传统屏蔽电机相比，本文方案在以下方面具有显著优势：首先，摒弃了传统屏蔽电机中常用的橡胶调压囊和复杂的止推轴承结构，采用结构更为简洁的石墨轴承，大大降低了电机的制造复杂度和装配难度；其次，屏蔽套采用非金属材料PEEK，避免了金属屏蔽套中固有的涡流损耗问题，有助于提升电机的整体效率；第三，内外双重水循环方式使得冷却液能够在电机内部自然流动，无需额外的导液管路，简化了系统结构，提高了运行可靠性。

根据航空液压系统的实际需求，本文所设计航空泵用屏蔽电机的主要设计指标如下：输出功率为7 kW，额定电压为200 V（三相），额定转速为5 700±100 r/min，供电频率为400 Hz，效率η≥75%，功率因数≥0.75，起动转矩倍数≥0.8。

上述指标中，400 Hz中频供电和200 V低电压等级的组合对该电机的起动性能构成了特殊挑战。中频供电使得电机漏抗增大，而低电压使得起动转矩进一步降低，因此需要在电磁参数设计中予以充分考虑。泵用负载的特性决定了起动转矩倍数需不小于0.8，这对电机的槽形设计、绕组参数选择和气隙长度优化均提出了较高的要求。

2.2 电机主要尺寸参数的确定

由于所设计的航空泵用屏蔽电机整体采用定转子结构与传统三相感应电机差异不大，因此可参考传统感应电机的电磁设计方法进行主要尺寸的初步确定。定子铁心内径和铁心有效长度是电机电磁设计中最核心的两个尺寸参数，它们决定了电机的体积、重量和基本性能特征。

与传统感应电机相比，屏蔽式潜水电机在设计上有若干显著差异。首先，屏蔽式潜水电机通常较为细长，长径比一般大于常规电机，这既是为了适应水下安装的空间要求，也有利于降低水摩损耗。其次，屏蔽套的存在使得定转子之间的机械气隙远大于常规电机，较大的气隙导致气隙磁密取值一般较低，以控制励磁电流在合理范围内。由于气隙增大后磁阻增加，定子齿磁密和转子齿磁密的取值需要适当提高，这使得励磁电流值相对较大，功率因数相对偏低。同时，电机转子浸没在水中运行，散热条件极为优越，因此定子电密和转子电密的取值可以较常规电机更高，这在一定程度上补偿了因气隙增大而带来的励磁电流增加问题。

在确定主要尺寸的过程中，需要综合考虑电磁性能、损耗特性和起动性能等多方面因素。定子内径和铁心长度的选取不仅影响电机的体积和重量，还通过影响水摩损耗和屏蔽套损耗间接决定了电机的效率和温升水平。因此，后续章节将针对影响损耗的关键参数——长径比和气隙长度——开展详细的参数化分析，以确定最优的结构方案。

 

三、航空泵用屏蔽电机主要功率损耗分析

应用于水下的航空泵用屏蔽电机与传统电机相比结构特殊，由于内部屏蔽套和内外水循环结构的存在，水摩损耗和屏蔽套损耗在总损耗中占据很大的比例，是影响电机效率的关键因素。因此，本节针对转子水摩损耗和屏蔽套损耗进行深入的理论分析与机理研究，为后续的结构参数优化提供依据。

3.1 转子水摩损耗的分析

水摩损耗是屏蔽式潜水电机特有的损耗形式，其产生机理源于转子在液体介质中旋转时，转子外表面与液体之间的摩擦作用。根据流体力学原理，液体的流动状态可用雷诺数来表征，摩擦系数K的值随流体运动形态的雷诺数以及泵腔宽度B与转子外径Di之比的变化而变化。

对于圆柱形转子在环形间隙中旋转的情况，水摩损耗可表示为转子几何参数、转速和液体物性参数的函数。理论分析表明，航空泵用屏蔽电机的水摩损耗与电机转速的平方、铁心长度以及转子外径的多次方成正比关系。在具体数值上，水摩损耗占电机机械损耗的50%～90%，是屏蔽电机效率损失的主要来源之一。

从参数影响的角度分析，水摩损耗对转子直径和铁心长度的变化最为敏感。减小转子外径可以有效降低转子表面的线速度，从而减小与液体间的摩擦阻力；缩短铁心长度则直接减小了摩擦面积。然而，这两个参数的调整会影响电机的电磁性能，需要在满足功率输出要求的前提下寻找最优平衡点。此外，液体的温度和粘度也会影响水摩损耗的大小，温度升高时液体粘度降低，水摩损耗相应减小。

值得注意的是，水摩损耗的计算公式中涉及的经验系数对计算精度影响较大。对于大雷诺数湍流状态下的流动，已有学者提出了摩擦损耗系数的经验方程，但该结果在适用范围上具有一定局限性。因此，在实际工程设计中，通常需要结合有限元仿真和试验验证来获得更准确的水摩损耗数值。

3.2 屏蔽套损耗的形成机理

屏蔽套损耗是屏蔽电机区别于常规电机的又一重要损耗来源。航空泵用屏蔽电机定子与转子之间设有屏蔽套，当电机正常运行时，定子绕组产生的旋转磁场以同步转速切割屏蔽套，在屏蔽套中感应出电动势，进而产生涡流。与定转子铁心中的铁耗不同，虽然屏蔽套厚度非常薄（通常仅为0.2～0.7 mm），但由于其直接处于气隙磁场中，感应电动势较强，且屏蔽套材料的电导率通常较高，因此涡流损耗往往相当可观。

从物理本质上讲，屏蔽套涡流损耗的大小取决于以下几个关键因素：一是气隙磁密的大小，磁密越高则感应电动势越强，涡流损耗越大；二是屏蔽套材料的电导率，电导率越高则涡流回路中的电流越大，损耗越显著；三是屏蔽套的厚度，厚度增加相当于减小了涡流回路的等效电阻，导致涡流增大；四是电机转速和极对数，它们决定了磁场切割屏蔽套的相对速度。

定量分析表明，屏蔽套损耗与电机定子铁心长度的三次方、气隙磁密的平方以及转速的平方成正比。这意味着，在设计屏蔽电机时，铁心长度和气隙磁密的选择对屏蔽套损耗有着极为敏感的影响。同时，屏蔽套材料的选取直接决定了损耗的数量级——采用金属材料（如304不锈钢、哈氏合金）时涡流损耗可能高达数百甚至上千瓦，而采用非金属绝缘材料（如聚醚醚酮PEEK）时涡流损耗可降至零。

因此，在屏蔽电机设计过程中，必须根据不同电机的结构和性能要求，综合权衡屏蔽套的机械强度、耐腐蚀性、加工工艺性和电导率等各方面因素，选择最适合的屏蔽套材料和尺寸，尽可能降低屏蔽套损耗，提升电机整体效率。

四、航空泵用屏蔽电机性能影响分析

4.1 水摩损耗的参数影响分析

4.1.1 不同长径比对电机各项损耗和性能的影响

长径比（铁心长度与定子内径之比）是屏蔽电机设计中最为关键的几何参数之一。在研究长径比的影响时，需保证电机转子有效体积不变，在此约束条件下调整匝数和相关电机参数，使电机输出功率和转速等条件保持一致，以确保分析结果的可比性。

有限元仿真结果表明，随着电机长径比的增加，铁耗和转子导条损耗基本保持不变，这是因为铁心体积和导条截面积在有效体积不变的条件下变化较小。然而，长径比的增大意味着电枢直径的减小和铁心长度的增加，这直接导致了转子表面积的变化，进而对水摩损耗产生显著影响——水摩损耗随长径比的增加呈逐渐降低的趋势，且降幅越来越平缓。与此同时，铁心长度的增加使得转子导条长度增加，转子电阻随之增大，铜耗因此呈增加趋势。

从总损耗的角度来看，水摩损耗的变化幅度远大于电机其他部分损耗的变化幅度，因此电机总损耗随着长径比的增加呈逐渐降低的趋势。这一结果表明，适当增大长径比是降低屏蔽电机总损耗、提升效率的有效手段。

在性能指标方面，效率随长径比的增加呈现上升趋势，且上升幅度逐渐趋缓。这主要是由于水摩损耗和总损耗的降低直接带来了效率的提升。功率因数则呈现先增加后减小的变化规律：长径比增加初期，定子内径减小导致铁心长度增加，使得电机端部漏抗下降、励磁电抗增大，功率因数随之升高；在长径比约为2.1时功率因数达到最大值；若长径比进一步增加，定子内径减小对槽漏抗的影响超过铁心长度增加对励磁电抗的影响，功率因数开始降低。

从起动性能来看，长径比的增加导致起动转矩倍数逐渐降低，当长径比超过2.4时，起动转矩倍数已低于0.8的设计下限要求。这是因为铁心长度的增加使转子导条长度增大，电机的漏抗随之增大，从而降低了起动转矩。综合考虑效率、功率因数和起动特性等多方面因素，结合设计指标要求，最终确定电机的最优长径比为2.1。

4.1.2 不同气隙长度对电机损耗和性能的影响

气隙长度是电机设计中另一个至关重要的参数，对电机性能有着多方面的影响。对于航空泵用屏蔽电机而言，由于定转子之间屏蔽套的存在，分析水摩损耗时所涉及的气隙长度主要指有效气隙，即转子铁心外径与屏蔽套内壁之间的间隙。

仿真分析表明，随着有效气隙长度的增加，导条损耗和铁耗基本保持不变。水摩损耗随有效气隙的增加而逐渐降低，这一现象的物理机理在于：气隙增大使得转子摩擦液体的雷诺数降低，摩擦系数随之减小；同时有效气隙的增大使液体与转子表面之间的摩擦阻力减小，两者共同作用导致水摩损耗降低。

然而，气隙的增加也带来了不利影响。气隙增大意味着磁路中的磁阻增大，维持相同气隙磁密所需的励磁电流增大，从而导致定子电流增加，定子铜耗呈现明显的上升趋势。在气隙从较小值开始增大的初期，水摩损耗降低的速度远大于其他损耗增加的速度，电机总损耗明显降低。随着气隙进一步增大，水摩损耗的降幅逐渐趋缓，而定子铜耗的增幅持续存在，二者对总损耗的影响趋于平衡，电机整体损耗逐渐稳定。

在性能指标上，有效气隙长度的增大使得电机磁阻增大，励磁电流上升，功率因数随之下降，且影响较为显著。气隙的增大同时使得水摩损耗和总损耗降低，电机效率呈现提高趋势，但增长幅度逐渐变缓。起动转矩倍数则随气隙的增大而增大，这与长径比的影响规律恰好相反：气隙较小时，电机的谐波磁场和漏抗较大，导致起动转矩受限；气隙增大后，励磁电流增大，起动转矩随之增大。

综合以上分析，气隙长度的选择需要在降低水摩损耗与控制励磁电流和功率因数之间取得平衡。对于本文所设计的航空泵用屏蔽电机，结合屏蔽套厚度的确定，综合考虑各项性能指标，选取了最优的有效气隙长度方案。

4.2 屏蔽套性能研究

4.2.1 屏蔽套材料和尺寸对损耗的影响

对于屏蔽式电机而言，由于定转子之间屏蔽套的存在，定子与转子之间不仅存在磁路的耦合，还存在感应涡流的联系。屏蔽套涡流损耗的大小直接影响到电机的性能优劣，因此屏蔽套的材料选择和尺寸确定是屏蔽电机设计中的关键环节。

为了降低屏蔽套损耗，一般应选用非磁性高电阻率材料来制作屏蔽套。在此条件下，屏蔽套的损耗仅包含涡流损耗，而不存在磁滞损耗。同时，屏蔽套的厚度应尽可能薄，以增大涡流回路的等效电阻，减小涡流损耗，提高电机效率。

目前常用的屏蔽套材料主要包括304不锈钢、哈氏合金（如C276）、碳纤维复合材料和聚醚醚酮（PEEK）等几类。304不锈钢和哈氏合金属于金属材料，具有机械强度高、加工工艺成熟等优点，但电导率较高，涡流损耗显著。碳纤维复合材料属于导电性较弱的高性能纤维增强材料，其涡流损耗远低于金属材料，但仍存在一定程度的感应电流。聚醚醚酮（PEEK）属于高性能热塑性聚合物，具有完全绝缘的特性，理论上不存在涡流损耗。

在保证其他参数不变的条件下，以屏蔽套厚度为变量（0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm），对上述四种材料进行有限元仿真对比分析。结果表明，随着屏蔽套厚度的增加，其等效电阻减小，感生电流增大，涡流损耗数值呈近似线性增加的趋势。电导率较大的材料损耗增加趋势更为显著——304不锈钢和哈氏合金的涡流损耗最大值分别达到1 163 W和781 W，碳纤维损耗最大值仅为29.7 W，而PEEK材料由于绝缘特性，其内部涡流损耗数值始终为零。

与此同时，屏蔽套厚度的增加使得电机机械气隙增大，磁路中磁阻增大，定子相电流随之增加，进而导致铜耗上升。总损耗随着各部分损耗的增加而增加，电机效率则随屏蔽套厚度的增加而降低。且电导率越大的材料，屏蔽套厚度变化对效率的影响越为显著。

在功率因数方面，屏蔽套厚度增加相当于增大了机械气隙长度，励磁电流增大，导致定子相电流增加，功率因数随之降低。值得注意的是，在相同屏蔽套厚度条件下，电导率越大的材料，其功率因数反而越高。这是因为金属屏蔽套内部产生的涡流消耗了大量有功功率（这部分有功并未实际出力），同时涡流效应和集肤效应的存在影响了气隙磁场的分布，等效气隙长度有所降低，从而使得功率因数较绝缘材料方案略高。

4.2.2 屏蔽套对电机性能的综合影响

综合上述分析，屏蔽套的材料选择和尺寸确定需要从损耗特性、机械强度、耐腐蚀性、加工工艺性和成本等多个维度进行系统权衡。

从损耗角度看，PEEK材料具有无可比拟的优势——零涡流损耗，在保持电机高效率方面表现最优。碳纤维材料次之，涡流损耗极低。金属类材料（304不锈钢和哈氏合金）的涡流损耗量级远高于非金属材料，但在功率因数方面略有优势。从机械强度角度看，金属材料无疑具有最高的承载能力，但PEEK材料经过碳纤维或玻璃纤维增强后，其拉伸强度可大幅提升，已能满足多种工况的强度要求。

结合本文航空泵用屏蔽电机的特殊工况——电机置于飞行器下方外部液体环境中，工作介质为水而非腐蚀性化学品，对屏蔽套的耐腐蚀性要求适中——选定PEEK材料作为屏蔽套的首选方案。考虑到实际加工公差和装配工艺等因素，屏蔽套厚度确定为0.2 mm。这一方案既能有效降低屏蔽套涡流损耗至零、提升电机整体效率，又能减小有效气隙长度、改善功率因数，同时在机械强度和加工工艺上满足工程应用的需求。

五、电机起动特性与多物理场特性分析

5.1 电机起动性能分析

本电机为航空泵用电机，供电频率为400 Hz，电压等级为200 V，属于中频低压应用场景。感应电机的起动转矩随频率和漏抗的升高而降低，且与电源电压的平方成正比。相较于常规工频电机，本设计电机频率更高、电压等级更低，起动转矩的获得更为困难，因此对其在不同工况下的起动特性进行系统分析至关重要。

根据泵类负载的变负载起动特性，以电机所带的真实负载为参考，将负载特性曲线转化为函数输入至有限元分析软件中，通过时步有限元法计算得到电机在变负载情况下的起动特性。

仿真结果表明，电机在起动时刻转矩存在一定波动，约在150 ms时达到最大转矩，之后转矩逐渐稳定。起动转矩为14.58 N·m，最大转矩为31.4 N·m，起动转矩倍数为1.24，满足不小于0.8的设计指标要求。电机转速平稳上升，未出现较大范围的波动和转速回落现象，约在150 ms时即可达到额定转速。随着电机加速过程，绕组相电流逐渐减小并趋于稳定，电流波形正弦性好、曲线平滑，未观察到明显的毛刺和波形紊乱现象，表明电机在起动过程中电磁转矩和转速的过渡过程平稳可控。

5.2 流固耦合的应力分析

本文介绍的航空泵用屏蔽电机屏蔽套固定于定子侧，不随电机转子旋转，因此无需考虑转子旋转过程中屏蔽套内部的离心应力分布问题。然而，由于电机内部充满冷却水，转子旋转过程中会带动液体流动，对固定不动的屏蔽套内壁产生一定的流体冲击载荷。这种冲击并非局限于单一的径向方向，而是一个涉及流体动力学与固体力学的综合多物理场问题。

为准确评估屏蔽套在不同工作温度下的受力状态，本节从多物理场耦合的角度出发，将流体场与应力场联合求解，采用有限体积法（FVM）计算流体域的压力与速度分布，再利用有限元法（FEM）将流体压力载荷映射至固体域，进行应力与形变分析。

分析结果表明，电机转子所受应力随着工作温度的升高而增大，在极限温度100 ℃时最高应力为437 MPa，并未超出硅钢片材料所能承受的极限强度，说明转子铁心在该工况下具有足够的机械安全裕度。屏蔽套方面，由于材料热膨胀系数的存在，屏蔽套所受各项应力分量随温度的变化而变化。电机旋转过程中，内部液体不仅对屏蔽套产生径向冲击，还具有沿轴向向前流动的特性，导致屏蔽套前后段所受应力存在差异。在应力分量的比较上，屏蔽套的径向应力总是大于切向应力，这与电机实际工作时的流体流动特性相符，仿真结果具有物理合理性。

六、电机方案试验验证

为验证本文所设计航空泵用屏蔽电机方案的合理性与工程可行性，按照优化确定的设计参数加工制造了一台7 kW样机，并开展了系统的试验验证工作。

样机的屏蔽套安装于电机定子组件内侧，采用PEEK材质，厚度为0.2 mm。考虑到电机浸液后无法使用常规测功机直接测试输出性能，试验分两个阶段进行。第一阶段为空负载测试：将电机固定于测试平台上，通过测功机模拟电机的空载和负载工况，测量电机在不同转速和转矩条件下的电气参数与机械输出特性。第二阶段为浸水负载测试：将电机浸入水箱中，在实际水下环境中测试航空泵用屏蔽电机带泵运行的水流量和输出性能。

试验过程中，电机在额定负载状态下转速为5 710 r/min，线电压为200 V，各项运行参数稳定。

对比试验数据与仿真计算结果可知，各项性能指标基本一致。在负载工况下，样机实测输出转矩为11.7 N·m，与仿真结果相比误差仅为1.7%，验证了电磁设计的准确性。转速实测值与仿真值存在微小偏差，主要原因在于电机采用了水润滑石墨轴承，与仿真模型中参照的脂润滑轴承相比，水润滑条件下的摩擦损耗略有差异，导致转速的细微差别。空负载转速最大误差为0.66%，处于工程可接受范围之内。电机带泵浸水测试流量达到210 m³/h，满足航空液压系统对输送能力的设计指标要求。

 

七、结论与展望

7.1 主要结论

本文针对航空领域中频供电条件下潜水式屏蔽电机的特殊工况，提出了一种基于内外双重水循环的航空中频屏蔽式潜水电机方案。围绕该类电机在损耗特性和起动性能方面的特殊要求，采用理论分析、有限元仿真和试验验证相结合的方法，对不同影响因素进行了系统的分析与优化选择，得到以下主要结论：

（1）提出了一种内外双重水循环结构的屏蔽电机设计方案。该方案通过电机轴尾部螺纹实现液体循环，避免了常规机械密封在冲击、振动工况下存在的安全隐患，可在特殊工况下保证电机的可靠运行。同时，采用石墨轴承和一体化端盖结构，大幅简化了电机结构，提高了系统集成度。

（2）阐明了航空泵用屏蔽电机的损耗机理及其与结构参数之间的内在关联。水摩损耗和屏蔽套损耗对屏蔽电机性能影响最为显著，且二者均与电机的结构尺寸密切相关。此类电机的设计应优先考虑水摩损耗对性能的影响，通过合理选择长径比（最优值为2.1）和气隙长度来降低水摩损耗，在此基础上再进行屏蔽套材料和尺寸的优选。屏蔽套采用PEEK非金属材质，厚度保持在0.2～0.5 mm之间为最优区间，既能有效减小气隙长度、消除涡流损耗，又可保证加工工艺的可行性。

（3）通过样机试验验证了所设计方案的合理性与可行性。试验结果表明，样机输出转矩与仿真结果误差仅为1.7%，空负载转速最大误差为0.66%，电机抽水流量达到210 m³/h，各项性能指标均满足设计指标要求，为此类航空泵用屏蔽电机的工程设计与优化积累了重要的经验与参考依据。

 

7.2 未来发展趋势

随着航空航天装备对电气化、智能化和高功率密度需求的不断提升，屏蔽电机技术将向以下几个方向发展：

一是更高功率密度的集成化设计。通过优化电磁拓扑结构、采用新型高磁能积永磁材料或混合励磁方案，在相同体积和重量约束下实现更高的输出功率，以适应航空装备对轻量化的严苛要求。

二是新型屏蔽套材料的开发与应用。碳纤维增强PEEK复合材料在兼顾绝缘性能和机械强度方面展现出良好前景，未来可进一步研究其长期服役性能、疲劳特性和加工工艺，推动非金属屏蔽套在更大功率等级电机中的应用。

三是多物理场耦合仿真技术的深化应用。电磁场—温度场—流体场—应力场的全耦合分析有助于更精确地预测电机在复杂工况下的性能表现，为电机的可靠性设计和寿命评估提供技术支撑。

四是智能化状态监测与故障诊断技术的融合。通过内置传感器实时监测电机内部的温度、振动和电流等参数，结合人工智能算法实现故障的早期预警和剩余寿命预测，提升航空泵用屏蔽电机在极端工况下的运行安全性和维护便捷性。

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