大功率高轉矩密度吊艙永磁推進電機設計

歐金生，向全所，沈賢鋒，陳名杰

大功率高轉矩密度吊艙永磁推進電機設計

歐金生，向全所，沈賢鋒，陳名杰

（湖南湘電動力有限公司，湖南湘潭 411101）

大功率高轉矩密度吊艙永磁推進電機因功率大、轉矩密度高，其電磁參數、結構強度、繞組溫升等制約電機性能水平。本文根據一臺8MW吊艙永磁推進電機設計實例，給出了電機參數選取原則，對電機進行電磁場、應力場、溫度場多物理場仿真計算，對電機氣隙磁密、空載反電勢、渦流損耗、轉子沖片強度和永磁體、定子繞組與鐵心溫升分布等計算結果進行了分析，結果表明電機具有較好的運行性能。

吊艙推進電機 電磁設計 多物理場仿真 損耗分析

0 引言

吊艙推進裝置被廣泛應用于船舶電力推進系統，具有布置方便、傳動效率高、結構緊湊、振動小、噪聲低等優(yōu)點。當前，正在使用和處于研究當中的推進電機主要有直流電機、感應電機、永磁電機及高溫超導電機等。

永磁推進電機具有結構簡單、可靠性高、效率高、轉矩密度大等特點，是吊艙推進電機的首選。隨著船舶動力的需要，吊艙推進電機需向大功率、高轉矩密度方向發(fā)展。對于大功率高轉矩密度永磁電機而言，電機的損耗與溫升過高、永磁體失磁、轉子結構強度不足等帶來的風險，會降低電機運行的可靠性。電機的極槽配合，諧波含量等影響電機的振動噪聲水平，設計時需重點關注。文獻[1]對大功率高速永磁電機進行了電磁設計和損耗分析，分析了電機極對數、定子繞組形式、轉子結構和永磁體等對電機損耗的影響。文獻[2]對大功率永磁電機的技術優(yōu)勢和技術難點進行了深入研究，指出了永磁電機存在失磁風險等問題。

由于大功率高轉矩密度吊艙永磁推進電機運行工況復雜，電磁場、溫度場和應力場變化頻繁，各個物理場之間相互影響。并且目前的電機設計分析多采用單一物理場分析，很少結合背景進行多物理場仿真分析。本文通過對一臺8MW的永磁推進電機進行設計研究，運用有限元分析軟件進行多物理場仿真分析，驗證所設計電機的合理性，對于大功率永磁電機的設計提供了一定的參考價值。

1 電磁參數設計

1.1 主要尺寸選取

電機的主要尺寸包括定子內外徑D和D、鐵心的有效長度l。與一般電機一致，大功率吊艙永磁電機的主要尺寸滿足常數關系式[3]：

相比一般永磁電機，大功率高轉矩密度吊艙永磁推進電機功率大、轉矩密度高、散熱條件相對較好，可選取相對較高的電磁負荷。

對于低速電機而言，較小的主要尺寸比l/可增加電機的單位體積轉矩密度。但吊艙推進電機定子外徑也受吊艙外殼尺寸的約束。因此，吊艙推進電機應在滿足吊艙外殼尺寸要求的前提下，采用較小的l/，以提升電機的轉矩密度，降低電機重量。

1.2 極數、極槽配合選取

從減小電機尺寸與重量的角度出發(fā)，電機的極數應盡量高，但極數增大到一定數值后并不會繼續(xù)減小軛部尺寸。另外，因繞組絕緣需占尺寸，過多的槽數會減小整體槽內的有效面積。此外，電機極數的公約數需盡量多，這樣有利于并聯支路數的靈活選擇。綜合以上因素，選取電機極數為20，槽數為120。

1.3 轉子結構和磁極設計

根據吊艙推進器的總體結構及冷卻條件，內轉子結構便于安裝和冷卻。因此，本文設計實例選用內轉子結構。磁極結構按照永磁體的安裝形式不同可分為表貼式和內置式。表貼式永磁電機結構較為簡單，永磁體的利用率較高，磁鏈諧波分量較少，更容易形成正弦波磁動勢。內置式永磁電機可以充分利用轉子磁路不對稱所產生的磁阻轉矩，提高電機的轉矩密度，但是漏磁系數和制造成本比表貼式轉子高。

本文設計實例主要考慮電機氣隙磁密波形的正弦性和減小電機電感以得到更高的功率因數，同時考慮永磁磁極的裝配工藝性。因此，采用一種安裝結構為內置式，磁路結構類似表貼式的偏心磁極結構形式，如圖1所示。該結構方便永磁體的固定與裝配。偏心削極磁極可以獲得較好的正弦氣隙磁密。為了減小主電感和電樞反應的影響，永磁體與氣隙間的鐵心應等寬，且在強度允許的前提下盡量薄。

（1-永磁體，2-磁極鐵心）

1.4 定子鐵心設計

定子鐵心采用低損耗高導磁的扇形硅鋼片疊裝而成。為降低軸電流產生條件，沖片整圓由8片扇形片組成，每張扇形片的槽數為15，每層采用1/3交錯疊壓。定子槽型為開口槽。為了緊固定子鐵心并降低結構件所占尺寸，在定子沖片上開有圓孔，在圓孔處安裝拉桿使定子鐵心緊固成一個整體。為減小圓孔對定子磁路的影響，拉桿安裝孔凸出鐵心外圓，如圖2所示。

圖2 定子沖片圖

根據以上設計原則，對一臺8MW吊艙永磁推進電機進行電磁設計，主要參數如表1所示。

表1 電機的主要電磁參數

2 電磁場分析計算

2.1 電磁場仿真

采用有限元分析軟件Maxwell建立電機電磁場二維仿真模型。根據電機的對稱性，本次電磁場仿真選取電機整圓的1/10為模型，在兩邊施加主從邊界條件，如圖3所示。

圖3 有限元仿真模型

仿真分析的主要結果如圖4~8所示。從圖4和圖5可以看出，電機磁場分布合理。

圖4 電機磁通密度云圖

圖5 電機磁力線分布圖

圖6 氣隙磁密曲線圖

電機氣隙磁密曲線如圖6所示，其正弦性較好。對氣隙磁密進行傅里葉分解，得到氣隙磁密的基波和各次諧波分布情況，如圖7所示。高次諧波主要為11和13次，因齒槽效應產生。

圖8為電機在空載狀態(tài)下的反電勢波形，其三相反電勢正弦性較好。較好的正弦性有利于降低電機雜散損耗，提高電機性能。

圖7 傅里葉分解圖

圖8 空載反電勢

2.2 電機損耗分析

電機運行損耗主要包括銅耗、鐵耗、機械損耗和渦流損耗等[4]。其中渦流損耗的計算相對復雜。大功率高轉矩密度吊艙永磁電機因結構緊湊、電磁負荷高等特點，需重點關注永磁體和定子結構件內部的渦流損耗。

永磁體的渦流損耗可分為永磁體齒槽渦流損耗和永磁體PWM諧波渦流損耗。永磁體齒槽渦流損耗指電機在正弦電流驅動下正常旋轉時，由齒槽諧波所導致的永磁體渦損耗。而永磁體PWM諧波渦流損耗由變頻器開關頻率及倍頻的電壓諧波所導致。

采用有限元分析軟件Maxwell計算的永磁體渦流電流及損耗分布，渦流電流及損耗主要分布在永磁體上邊緣，如圖9所示。

圖9 永磁體渦流電流及損耗分布圖

定子結構件渦流損耗主要考慮距離主磁場較近的結構件。本電機定子鐵心拉桿處在主磁場附近，需重點分析計算。

拉桿材料的導磁率也影響其內部渦流損耗。為了對比拉桿導磁率對渦流損耗的影響，按邊界對比了拉桿相對導磁率為1和相對導磁率為無窮大的情況，如圖10所示。當拉桿相對磁導率由1變?yōu)闊o窮大時，穩(wěn)定后拉桿的渦流損耗由1.28kW增加到1.31kW。雖然采用導磁率較大的材料增加了電機的渦流損耗，但對本電機整體而言，增加渦流損耗占比很小。因此，本電機從降低成本的角度采用導磁的碳素鋼作為拉桿材料。

圖10 電機拉桿損耗對比圖

3 結構強度分析計算

本文設計實例電機轉速雖然不高，但轉子尺寸較大，表面線速度并不低。因此，電機的結構強度特別是轉子磁極需重點關注與計算。利用有限元軟件對電機結構強度進行校核已成為一種可行的方式[5]。本次利用有限元軟件workbench對電機結構進行強度分析。

根據本電機對稱性，采用1/20的轉子磁極模型進行計算分析，將鐵心中間一段進行建模。具體如圖11所示。

（1-永磁體、2-磁極鐵心、3-壓條）

3.1 轉子沖片強度

計算轉子沖片強度時，轉子隔板與壓條之間采用綁定接觸，沖片、磁鋼及壓條之間采用摩擦接觸。設定轉速為142r/min，計算結果如圖12和圖13所示，電機額定轉速運行時沖片最大拉應力為56.6MPa，位于沖片圓角位置；最大位移為0.022mm，位于沖片外邊緣。本電機選取的沖片抗拉強度為215MPa，沖片強度滿足材料可靠運行要求。

3.2 永磁體強度

永磁體計算結果如圖14和圖15所示，額定轉速最大拉應力為7.6 MPa，位于永磁體外邊緣；永磁體最大位移約為0.022 mm，出現在永磁體中間位置。本電機選取的永磁體為釹鐵硼材料，抗拉強度為80 MPa，永磁體強度滿足材料可靠運行要求。

圖12 轉子沖片應力云圖

圖13轉子鐵心位移云圖

圖15 永磁體位移云圖

4 溫度場分析計算

大功率高轉矩密度吊艙永磁推進電機功率較大且結構緊湊，溫升對其穩(wěn)定運行具有重要意義，有必要對電機溫度場進行分析。電機通風冷卻方式為徑向通風冷卻，如圖16所示。冷卻風由兩端進入分為兩條支路。支路一經由定子繞組端部、氣隙、定子徑向通風道；支路二經由轉子軸向通風道、轉子徑向通風孔、定子徑向通風道；兩條支路在定子背部匯合從出口流出電機。

圖16 電機通風結構示意圖

基于流體動力學軟件FLUENT對電機進行流場及溫度場分析。為提高計算效率，考慮電機周期性結構，對電機模型進行簡化及處理，在軸向方向取1/2對稱模型，在圓周方向取1/10模型。模型采用多面體網格劃分，網格模型圖如圖17所示。

圖17 網格模型

繞組、定子鐵心及磁鋼損耗按電磁方案進行熱源設置；設計風量為8m3/s，單邊4m3/s，進風溫度為45℃。

圖18 定子繞組溫度分布云圖

圖19 定子鐵心溫度分布云圖

圖18-圖20分別為額定工況繞組、定子鐵心、磁鋼分布。繞組最高溫度為136.1℃，出現在中段；定子鐵心最高溫度為121.5℃，出現在鐵心齒部；磁鋼最高溫度為52.4℃，出現在中段。這是由于進風口在端部，端部冷卻效果較好。各部件具體溫度結果匯總如表2所示，在額定工況下繞組最高溫度136.1℃，溫升為91.1K。按F級絕緣要求最高溫度不超過155℃，溫升不大于105K，溫升滿足要求。

圖20 永磁體溫度分布云圖

表2 電機溫度分布（單位：℃）

5 結論

為確保大功率高轉矩密度吊艙永磁推進電機運行性能及設計準確性，其電磁場、結構強度和溫度場均需精確計算。采用多物理場有限元仿真計算是該類電機設計的重要手段。

本文以一臺8MW吊艙永磁推進電機為例，對其電磁設計參數的優(yōu)選進行了論述，確定了其主要電磁參數。在此基礎上，進行多物理場仿真計算，結果表明電機的性能較好，能夠穩(wěn)定可靠運行。本文為該類電機的設計提供了一些有意義的參考。

[1] 歐金生, 沈賢鋒, 于文昊等.大功率高速永磁電機的電磁設計與損耗分析[J].電機與控制應用, 2020（6）: 46-51.

[2] 李華祥, 張志和, 劉鵬等.大功率永磁直驅技術優(yōu)勢及技術難點的深入研究[J].鐵道機車車輛, 2020（4）: 50-53.

[3] 陳世坤.電機設計[M].第2版.北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.

[4] 劉平超, 安志華, 宮海龍, 等.新型通風槽鋼作用下定子穩(wěn)態(tài)溫度場分布研究[J].大電機技術, 2018（5）: 15-19.

[5] 王國龍, 李娜, 趙代夫.基于有限元的電機法蘭結構強度分析[J].電機與控制應用2020（2）: 72-75.

Design of Permanent Magnet Motor of High Power and High Torque Density Integrated in Pod Propulsor

Ou Jinsheng, Xiang Quansuo, Shen Xianfeng, Chen Mingjie

(Xiangtan Electric Power Co, Ltd, Xiangtan 411101,Hunan, China)

TM35

A

1003-4862（2021）06-0077-05

2021-04-07

歐金生（1983-），男，碩士，高級工程師。研究方向：新型電機及控制。E-mail: oujinsheng83@126.com。