環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與分析

茍婷婷， 孫丹丹， 王雙虎

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安　710089)

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環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與分析

茍婷婷， 孫丹丹， 王雙虎

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安710089)

開(kāi)展集成電機(jī)推進(jìn)器技術(shù)研究，對(duì)水下航行器性能的提高及相關(guān)領(lǐng)域研究的進(jìn)步具有非同尋常的意義。為了提高環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器性能，對(duì)環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。利用解析方法計(jì)算永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布，使用等效磁路法的相關(guān)結(jié)論獲取電機(jī)電磁參數(shù)，給出定轉(zhuǎn)子參數(shù)、電氣參數(shù)以及電機(jī)損耗的確定方法，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)利用電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析軟件MagNet進(jìn)行了磁場(chǎng)分析計(jì)算，給出電機(jī)空載磁場(chǎng)分布、額定運(yùn)行時(shí)反電勢(shì)波形、電機(jī)負(fù)載電壓波形及電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的結(jié)果滿(mǎn)足集成電機(jī)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)要求。

無(wú)人水下航行器；環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器；永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；電機(jī)設(shè)計(jì)；電磁場(chǎng)分析

0　引　言

無(wú)人水下航行器是一種主要以潛艇或水面艦艇為搭載、布放、支援平臺(tái)，能夠長(zhǎng)時(shí)間在水下自主遠(yuǎn)程航行的智能化裝置，主要用于反潛戰(zhàn)、海洋調(diào)查等軍事和民用領(lǐng)域[1]。未來(lái)無(wú)人水下航行器的發(fā)展趨勢(shì)是向大深度、遠(yuǎn)航程、智能化方向發(fā)展，解決無(wú)人水下航行器動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)動(dòng)力推進(jìn)裝置多為分體式結(jié)構(gòu)，體積、重量大，效率低，噪聲大。近年來(lái)，國(guó)外出現(xiàn)了一種新型動(dòng)力電機(jī)和推進(jìn)器結(jié)構(gòu)一體化的動(dòng)力推進(jìn)裝置——集成電機(jī)推進(jìn)器(Intergrated Motor Propulsor，簡(jiǎn)稱(chēng)IMP)。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、振動(dòng)噪聲低、冷卻條件好、無(wú)需動(dòng)密封、可模塊化設(shè)計(jì)和拆裝的優(yōu)點(diǎn)，在目前的水下航行器領(lǐng)域中已成為引人矚目的研究熱點(diǎn)。

目前，國(guó)外已出現(xiàn)成熟的商業(yè)化集成電機(jī)推進(jìn)器產(chǎn)品。德國(guó)VIOTH公司[2]推出兩種商用無(wú)槳轂式集成電機(jī)推進(jìn)器(Voith Inline Thruster，簡(jiǎn)稱(chēng)VIT和Voith Inline Propulsor，簡(jiǎn)稱(chēng)VIP)，額定功率有50 kW～1 500 kW共8個(gè)系列。英國(guó)Rolls-Royce公司[3]推出一種新型集成電機(jī)推進(jìn)器，推進(jìn)器采用永磁電機(jī)作為動(dòng)力源，有1 000 kW和1 600 kW兩種配置。國(guó)內(nèi)對(duì)集成電機(jī)推進(jìn)器的研究還停留在原理樣機(jī)研制階段，西北工業(yè)大學(xué)安斌等[4]完成集成電機(jī)推進(jìn)器原理樣機(jī)研制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用有位置傳感器的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，額定功率160 W，轉(zhuǎn)速750 轉(zhuǎn)/分，采用ANSYS軟件對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，給出其空載及負(fù)載性能。哈爾濱工程大學(xué)張強(qiáng)等[5]研究無(wú)刷直流電機(jī)在集成電機(jī)推進(jìn)器中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)方法，文中設(shè)計(jì)了兩種5.5 kW無(wú)刷直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別采用表面突出式和內(nèi)置切向式，并對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比分析。

本文介紹了環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并利用有限元方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)分析，分析電機(jī)性能。

1　環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

圖1　環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖

環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器主要由導(dǎo)管、無(wú)輪轂螺旋槳葉片、電樞、稀土磁鋼、前后滑動(dòng)軸承、軸承支架等部件組成，如圖1所示。環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器將電機(jī)的轉(zhuǎn)子與推進(jìn)器螺旋槳葉片集成于一體，電機(jī)的定子集成于推進(jìn)器的導(dǎo)管內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生推力，驅(qū)動(dòng)航行器航行。推進(jìn)器螺旋槳葉片采用無(wú)槳轂環(huán)驅(qū)形式，通過(guò)與前后導(dǎo)管固連的兩個(gè)滑動(dòng)軸承對(duì)其支撐，無(wú)后置導(dǎo)流葉片，可以充分利用螺旋槳槳轂部分所占空間，并且能防止葉片被外界雜質(zhì)損壞。

2　電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)預(yù)取電機(jī)電樞內(nèi)徑、電樞長(zhǎng)度、永磁體尺寸，利用解析方法計(jì)算永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布，使用等效磁路法的相關(guān)結(jié)論對(duì)電樞槽型尺寸、繞組參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算，獲取電機(jī)電磁參數(shù)，并分析電機(jī)性能，如果電機(jī)性能不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，則修改預(yù)取電機(jī)幾何參數(shù)，重新計(jì)算，直到設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的電機(jī)。

2.1永磁無(wú)刷直流電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的解析計(jì)算

圖2　內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，得到電機(jī)空載氣隙磁密分布是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)而言，已知電機(jī)電樞內(nèi)徑、電樞長(zhǎng)度、氣隙長(zhǎng)度、永磁體厚度、永磁體極弧系數(shù)、磁化方向及永磁體參數(shù)，利用解析方法計(jì)算氣隙及永磁體內(nèi)磁密分布。內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。本文在二維極坐標(biāo)系下建立內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)氣隙磁密計(jì)算的解析方法。

2.2定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)確定

2.4電機(jī)損耗計(jì)算方法

對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)，其銅損為pcop=2I2RCu。式中RCu為電機(jī)每相電阻。

2.5電機(jī)效率

3　電機(jī)性能分析

電磁場(chǎng)有限元分析是對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果校核的一個(gè)過(guò)程，采用有限元方法對(duì)電機(jī)性能及電磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)計(jì)方案合理性進(jìn)行判斷。MagNet軟件是專(zhuān)用的電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析軟件，本文利用MagNet軟件對(duì)設(shè)計(jì)的某型環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析。利用MagNet軟件進(jìn)行電機(jī)磁場(chǎng)分析的步驟分為：建模、設(shè)定材料、求解模型幾何剖分、激勵(lì)源及邊界條件的加載、求解類(lèi)型的選擇、求解和后處理。電機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　電機(jī)主要參數(shù)

3.1電機(jī)穩(wěn)態(tài)分析

圖3　電機(jī)剖分模型圖

圖4　電機(jī)磁力線(xiàn)分布及磁密分布云圖

圖5　電機(jī)一對(duì)極下氣隙磁密分布波形

建立永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有限元分析模型，電機(jī)有限元網(wǎng)格如圖3所示，通過(guò)MagNet軟件穩(wěn)態(tài)求解器對(duì)電機(jī)空載穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行分析，求得電機(jī)磁力線(xiàn)分布及磁密分布云圖如圖4所示。從電機(jī)磁力線(xiàn)分布圖中可以看出，電機(jī)各部分磁力線(xiàn)分布良好，漏磁較少；從電機(jī)磁密分布云圖中可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)子軛及電樞齒槽口部分略有飽和，但飽和程度較低，電樞齒部及電樞軛部沒(méi)有飽和。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了節(jié)省推進(jìn)器徑向空間并使螺旋槳葉片具有更大的直徑，有意減小轉(zhuǎn)子軛厚度，使轉(zhuǎn)子軛部分出現(xiàn)輕微飽和，雖然會(huì)增加永磁材料用量，但是可以有效提高螺旋槳對(duì)推進(jìn)器徑向空間的利用率，提高推進(jìn)器效率，并且轉(zhuǎn)子軛及槽口部分的飽和對(duì)電機(jī)性能的影響有限。通過(guò)對(duì)電機(jī)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的分布的分析可以看出電機(jī)磁路設(shè)計(jì)合理。

利用MagNet軟件中“Field Arc Graph”工具可以得到一對(duì)極下氣隙磁密分布波形如圖5所示，由圖可知，電機(jī)氣隙磁密分布呈梯形波分布，符合永磁無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的要求，利用復(fù)化Simpson數(shù)值積分方法求得對(duì)應(yīng)極弧平均的氣隙磁密平均值為0.62 T，每極磁通量為8.45×10-4Wb，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。

3.2電機(jī)瞬態(tài)分析

圖6　電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)A、B、C三相每支路反電勢(shì)波形

為了驗(yàn)證電機(jī)電氣部分參數(shù)(主要是繞組匝數(shù)及繞組排布規(guī)律)設(shè)計(jì)的合理性，本文使用MagNet軟件瞬態(tài)求解器對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)求解。首先根據(jù)電機(jī)繞組展開(kāi)圖及繞組參數(shù)生成電機(jī)線(xiàn)圈及每相繞組，并設(shè)置轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，計(jì)算得出電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下三相反電動(dòng)勢(shì)波形，如圖6所示。

圖7　負(fù)載A相電壓波形

圖8　負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形

根據(jù)三相反電勢(shì)波形圖確定導(dǎo)通次序，設(shè)置轉(zhuǎn)子負(fù)載，電機(jī)從0轉(zhuǎn)/分起動(dòng)，得到A相負(fù)載電壓波形如圖7所示，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。由圖可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩在24 N·m左右波動(dòng)，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。從圖中可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，這主要是由于仿真分析時(shí)沒(méi)有設(shè)置轉(zhuǎn)子斜槽，實(shí)際加工時(shí)，通常將電機(jī)電樞斜一個(gè)槽處理，可以有效消除電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了環(huán)驅(qū)式集成電機(jī)推進(jìn)器用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)電機(jī)的磁場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析校核。通過(guò)本文的研究與分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)方案磁場(chǎng)分布合理，氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度、反電勢(shì)波形、電磁轉(zhuǎn)矩等符合集成電機(jī)推進(jìn)器對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的要求,可以應(yīng)用于工程加工。

(2) 本文提出的使用解析方法計(jì)算電機(jī)氣隙磁密結(jié)合等效磁路法對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性，比傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法更適合用于電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3) 使用MagNet軟件對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行分析，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)具有很大的指導(dǎo)作用，可以校核電機(jī)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，節(jié)省時(shí)間和資源。

[1] 馬偉鋒, 胡震. AUV的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 火力與指揮控制, 2008, 33(6): 10-13.

[2] Voith Inline Thruster/Voith Inline Propeller[EB/OL]. [EB/OL]. 2013-02-10[2014- 11-20]. http://voith.com/en/products-services/power-transmission/voith-inline-thruster-voith-inline-propeller-11014.html.[3] BRUNVOLL. RIM DRIVEN THRUSTERS (RDT)[EB/OL].2005-6-5[2014-11-20]. http://www.brunvoll.no/product/the-complete-thruster-system/products-193.

[4] 安斌, 石秀華, 宋紹忠. 新型水下集成電機(jī)推進(jìn)器的特種電機(jī)研究[J]. 微特電機(jī), 2005, 33(1): 8-10.

[5] 張強(qiáng), 程鵬, 張敬南. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在集成電機(jī)推進(jìn)器中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)[J]. 微特電機(jī), 2010,38(3): 16-17.

Design and Analysis of a Permanent Magnet Brushless DC Motor for the Loop-driven Integrated Motor Propulsor

GOU Ting-ting，SUN Dan-dan，WANG Shuang-hu

(China Aviation Experiment Academy, Xi’an Shaanxi 710089, China)

Technical research on the integrated motor propulsor plays an extraordinary role in the improvement of underwater vehicle performance as well as the progress in related research fields. In order to improve the performance of the loop-driven integrated motor propulsor, this paper studies the structure and design methods of a permanent magnet brushless DC motor. Air-gap magnetic field distribution of the permanent magnet brushless DC motor is calculated in the analytic method. Related conclusions of the equivalent magnetic circuit method are used to obtain electromagnetic parameters of the motor. This paper gives the method for determining parameters of the stator and rotor, electrical parameters and motor loss. It uses magnet field finite element analysis software MagNet to carry out field analysis and calculation for the designed motor, and gives no-load magnetic field distribution of the motor, back EMF waveform in rated operation, motor load voltage waveform, and motor load torque waveform. It is verified that the design result can meet the design requirement of the integrated motor propulsor.

unmanned underwater vehicle; loop-driven integrated motor propulsor;permanent magnet brushless DC motor; motor design; magnetic field analysis

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.001

TM351

A

1000-3886(2016)02-0001-03

茍婷婷(1985-)，女，陜西咸陽(yáng)人，碩士生，工程師，研究方向：試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)改裝與方法研究；孫丹丹(1988-)，女，陜西澄城人，學(xué)士/大學(xué)本科，工程師，研究方向：試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)改裝與方法研究；王雙虎(1984-)，男，甘肅慶陽(yáng)人，學(xué)士，工程師，研究方向：試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)改裝與方法研究。

定稿日期: 2015-07-28