胡 巖，任雙華，韓 懷

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

深海推進(jìn)用充油式無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)

胡 巖，任雙華，韓 懷

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

設(shè)計(jì)了一種深海推進(jìn)用6 kW充油式永磁無(wú)刷直流電機(jī)。介紹了充油式永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了電機(jī)主要尺寸的計(jì)算方法，電磁負(fù)荷的選取，定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法，永磁體的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)深海潛水器的技術(shù)要求用等效磁路法初步確定永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本參數(shù)，再使用Ansoft Maxwell 2D建立了電機(jī)的二維有限元分析模型，分析電機(jī)在空載與額定負(fù)載情況下的性能。最后，分析了電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，給出了降低齒槽轉(zhuǎn)矩常用的幾種方法。

無(wú)刷直流電機(jī)；等效磁路法；有限元分析；齒槽轉(zhuǎn)矩

Abstract:A 6 kW oil-filled permanent magnet brushless DC motor is designed. In this paper,the structure characteristics of oil-filled BLDC motor is presented;the calculation method of motormain dimensions is caculated; the selection of electromagnetic load, the structure characteristics and design method of the stator and rotor;the design method of the permanent magnet is studied. The basic parameters of the BLDC motor are determined by the equivalent magnetic circuit method according to the technical requirements. Then the finite element analysis model of the motor is established in Ansoft Maxwell 2D. The performance of the motor under the no-load and rated load condition is analyzed. Finally, it analyzes the cogging torque of the motor and presents several methods of reducing it.

Keywords：brushless DC motor; equivalent circuit method; finite element analysis; cogging torque

電機(jī)推進(jìn)器作為深海潛水器的動(dòng)力核心部件，其所用電機(jī)性能的優(yōu)劣直接影響深海潛水器的運(yùn)行性能與續(xù)航能力。由于深海潛水器的特殊工作環(huán)境，在設(shè)計(jì)推進(jìn)電機(jī)時(shí)應(yīng)注意如下五方面的要求：①密封性。海水具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，因此電機(jī)必須有嚴(yán)格的密封措施，不僅有靜密封，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸伸出端也要有動(dòng)密封裝置。②耐壓性。海底幾km深度會(huì)產(chǎn)生幾十MPa的高壓，對(duì)電機(jī)形成嚴(yán)峻的考驗(yàn)。目前常用的措施是采用充油式壓力平衡器來(lái)消除電機(jī)內(nèi)外的壓力差。③耐腐蝕性。海水具有強(qiáng)腐蝕性，電機(jī)結(jié)構(gòu)上與海水相接觸的部分必須采用抗腐蝕材料，如鈦合金等。④功率密度高。推進(jìn)電機(jī)的功率密度高可以減小深海潛水器的重量與體積，有利于減小在水中航行的阻力，也有利于續(xù)航能力的提高。⑤控制性能好。深海潛水器在水底作業(yè)時(shí)需要完成前進(jìn)、后退、快速與慢速等推進(jìn)動(dòng)作，因此推進(jìn)電機(jī)必須具有極佳的控制性能。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)是隨著電力電子技術(shù)與永磁材料技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新型機(jī)電一體化電機(jī)[1]。由電子換向替代了機(jī)械換向，避免了有刷直流電機(jī)噪聲大、壽命短、有電火花與電磁干擾等缺點(diǎn)，同時(shí)又具有直流電機(jī)控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、低速性能好、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。電機(jī)結(jié)構(gòu)方面，無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)需機(jī)械換向器，電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，電樞繞組位于定子，便于散熱。上述優(yōu)點(diǎn)使得無(wú)刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用場(chǎng)合，也成為深海潛水器推進(jìn)電機(jī)的最佳選擇。

1 充油式無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

充油式無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)包括電機(jī)本體、行星減速器、動(dòng)密封裝置以及壓力平衡器。在壓力平衡器與電機(jī)、電機(jī)與行星減速器、行星減速器與動(dòng)密封裝置之間均需采用靜密封，電機(jī)轉(zhuǎn)軸伸出端采用動(dòng)密封。本次設(shè)計(jì)的充油式推進(jìn)電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 充油式推進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 無(wú)刷直流電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，選擇合適的材料，確定電機(jī)各部分的尺寸，并計(jì)算電機(jī)的工作性能，需要反復(fù)多次調(diào)整才能得到理想的設(shè)計(jì)方案。

2.1分?jǐn)?shù)槽電機(jī)槽極組合的選擇

與整數(shù)槽相比，無(wú)刷直流電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽，可減少槽絕緣占據(jù)的空間，有利于提高槽滿(mǎn)率，進(jìn)而提高電動(dòng)機(jī)性能；原件數(shù)目較少，可簡(jiǎn)化嵌線(xiàn)工藝和接線(xiàn)，有助于降低制造成本；可以增加繞組的短距和分布效應(yīng)，改善反電動(dòng)勢(shì)波形的正弦性，降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)性能；分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)有可能設(shè)計(jì)為線(xiàn)圈節(jié)距y=1的集中繞組[3]。

分?jǐn)?shù)槽電機(jī)槽極數(shù)的選擇有嚴(yán)格的限制。若電機(jī)的槽數(shù)為Z，極對(duì)數(shù)為p，包含t個(gè)單元電機(jī)。單元電機(jī)的槽數(shù)Z0必須為相數(shù)m的整數(shù)倍，由于Z0/p0為不可約分?jǐn)?shù)，因此p0不可為m的倍數(shù)。為了得到較高的繞組系數(shù)，Z與2p的值盡可能接近。因?yàn)閆=2p±1的槽極配合會(huì)產(chǎn)生不平衡徑向磁拉力，故不宜選用。

本文設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)定子槽數(shù)Z=12，磁極數(shù)2p=10，采用第一節(jié)距y=1的非重疊集中繞組。電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量星形圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)相量星形圖

2.2電機(jī)主要尺寸的確定

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的主要尺寸包括電樞直徑Da與電樞的軸向長(zhǎng)度la。電機(jī)的主要尺寸決定了電機(jī)的外形特點(diǎn)，對(duì)電機(jī)的工作特性與可靠性也有較大的影響[4]。主要尺寸可由如下公式來(lái)確定：

(1)

電機(jī)的長(zhǎng)徑比為λ=la/Da，上式可以改寫(xiě)為

(2)

電機(jī)的計(jì)算功率可用以下公式求得：

(3)

(4)

電磁負(fù)荷是指電機(jī)的電負(fù)荷A與磁負(fù)荷Bδ，它們與電機(jī)主要尺寸的確定直接相關(guān)，對(duì)電機(jī)效率、溫升、運(yùn)行特性等指標(biāo)也有很大的影響。選擇電磁負(fù)荷的數(shù)值時(shí)，不宜都選得過(guò)高，提高電磁負(fù)荷值雖然可以使電機(jī)的體積縮小，節(jié)約材料和減少加工費(fèi)用，但是銅耗、鐵耗的相應(yīng)增加和電機(jī)效率的降低使電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行期間的電能消耗增加。又由于損耗的增加和散熱面積的減少，使電機(jī)溫升增高，絕緣材料加速老化，影響到電機(jī)的使用壽命[5]。

為了保證電機(jī)推進(jìn)器有足夠的過(guò)流面積，電機(jī)的外形需細(xì)長(zhǎng)，即電機(jī)的長(zhǎng)徑比取值較大，這里λ=2.51。本文設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)電樞內(nèi)徑為70 mm，軸向長(zhǎng)度176 mm，預(yù)取電負(fù)荷為10 A/cm，預(yù)取磁負(fù)荷為0.8 T。

2.3永磁體尺寸的確定

永磁體的尺寸主要包括永磁體的軸向長(zhǎng)度lM、磁化方向高度hM與寬度bM。永磁體的軸向長(zhǎng)度一般與電機(jī)鐵芯軸向長(zhǎng)度大致相等，因此實(shí)際上只需確定磁化方向高度hM與寬度bM2個(gè)參數(shù)。因?yàn)閎M決定了永磁體能夠提供磁通的面積，需要經(jīng)常調(diào)整bM以調(diào)整電機(jī)的性能。hM的選取不能過(guò)小，應(yīng)使永磁體工作于最佳工作點(diǎn)，且電機(jī)的直軸電抗Xad合理[6]。永磁體的尺寸可由下式確定：

(5)

式中：δe為電機(jī)的計(jì)算氣隙長(zhǎng)度；Br/Bδ取值一般為1.1～1.35。

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)永磁體的磁化方向高度hM=4.5 mm，寬度bM=0.81τ，τ為極距。

3 無(wú)刷直流電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案仿真

3.1永磁無(wú)刷直流電機(jī)的主要參數(shù)

永磁無(wú)刷直流電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的主要參數(shù)

3.2基于AnsoftMaxwell2D的有限元仿真

3.2.1 電機(jī)有限元模型的建立

基于表1的電機(jī)參數(shù)，首先在Ansoft RMxprt模塊下面建立電機(jī)的磁路模型。對(duì)磁路模型進(jìn)行分析，驗(yàn)證電機(jī)的參數(shù)是否合理。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整以后，可以得到更為精確的電機(jī)參數(shù)。然后，將在Ansoft RMxprt模塊下建立的磁路模型導(dǎo)出至Ansoft Maxwell 2D模塊，生成電機(jī)的二維有限元分析模型，電機(jī)的有限元分析模型如圖4所示。電機(jī)的有限元分析模型網(wǎng)格剖分如圖5所示。

3.2.2 電機(jī)的靜態(tài)場(chǎng)分析

首先分析電機(jī)的磁場(chǎng)分布，由此可以計(jì)算出電機(jī)的空載工作點(diǎn)、漏磁系數(shù)等。電機(jī)靜磁場(chǎng)分布如圖6所示。

由圖6可以計(jì)算出電機(jī)的漏磁系數(shù)為1.36，由圖7可知電機(jī)的氣隙磁密為0.78 T，如此便可以計(jì)算出電機(jī)每極磁通以及確定永磁體空載工作點(diǎn)。通過(guò)圖7可以判斷電機(jī)是否存在局部過(guò)飽和點(diǎn)，據(jù)此調(diào)整電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2.3 電機(jī)的空載分析

圖4 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的有限元模型

圖5 電機(jī)網(wǎng)格剖分模型

圖6 電機(jī)磁力線(xiàn)分布

圖7 電機(jī)磁密分布

通過(guò)對(duì)空載條件下電機(jī)的瞬變電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真求解，可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、繞組電流波形仿真曲線(xiàn)如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖10 電機(jī)繞組電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3.2.4 電機(jī)的負(fù)載分析

通過(guò)對(duì)負(fù)載條件下電機(jī)的瞬變電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真求解，可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、繞組電流波形仿真曲線(xiàn)，如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖12 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

圖13 電機(jī)繞組電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

4 無(wú)刷直流電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制

齒槽轉(zhuǎn)矩又稱(chēng)定位轉(zhuǎn)矩，是定子鐵芯的齒槽與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，為永磁電機(jī)特有的一種現(xiàn)象。齒槽轉(zhuǎn)矩雖然不會(huì)使電機(jī)的平均有效轉(zhuǎn)矩增加或減少，但它引起速度波動(dòng)、電機(jī)振動(dòng)和噪聲，特別是輕負(fù)荷和低速時(shí)顯得更明顯[1]。對(duì)Ansoft RMxprt模塊下電機(jī)磁路模型進(jìn)行參數(shù)化分析，通過(guò)優(yōu)化極弧系數(shù)與槽口寬度以降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

4.1電機(jī)極弧系數(shù)的優(yōu)化

分?jǐn)?shù)槽電機(jī)最佳極弧系數(shù)計(jì)算公式如下[7]：

(6)

式中：N=Nc/2p，Nc為電機(jī)槽數(shù)Z與磁極數(shù)2p的最小公倍數(shù)；k2為考慮磁極邊沿漏磁的因數(shù)，與磁極的間距、氣隙大小等因素有關(guān)，可取0.01～0.03。為了獲得盡可能大的氣隙磁通而增加輸出轉(zhuǎn)矩，磁極弧長(zhǎng)對(duì)磁極的比值應(yīng)盡可能取得高一些，所以K1宜取為1[8]。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)槽數(shù)Z=12，磁極數(shù)2p=10，取k1=1，最佳極弧系數(shù)的取值范圍為0.81～0.83。

將Ansoft RMxprt模塊下電機(jī)磁路模型中永磁體厚度設(shè)為hm=4.5 mm，定子槽口寬度設(shè)為bs0=2 mm，極弧系數(shù)的取值范圍為0.4～1，進(jìn)行參數(shù)化分析，仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同極弧系數(shù)的齒槽轉(zhuǎn)矩

由圖14可知電機(jī)的最佳極弧系數(shù)為0.81，與公式計(jì)算的結(jié)果相符合。

4.2電機(jī)槽口寬度的優(yōu)化

對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)而言，齒槽轉(zhuǎn)矩可以認(rèn)為是由轉(zhuǎn)子每個(gè)磁極中心與對(duì)應(yīng)的定子鐵芯槽口之間產(chǎn)生不平衡力矩疊加所形成的，而每個(gè)不平衡力矩的大小很大程度上取決于定子槽的開(kāi)口寬度，因此選擇合適的槽口寬度可以顯著抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩品質(zhì)[9]。在上一步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，即極弧系數(shù)設(shè)為αp=0.81，定子槽口寬度bs0的取值范圍為1～10 mm，進(jìn)行參數(shù)化分析，仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同槽口寬度的齒槽轉(zhuǎn)矩

由圖15可知，當(dāng)定子槽口寬度bs0取6.1 mm時(shí)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降至最低。但考慮到電機(jī)的槽口增大，漏磁會(huì)相應(yīng)增加，所以取bs0=4.1 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于深海潛水器推進(jìn)的充油式無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)的額定功率為6 kW，額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min。利用等效磁路法初步確定了電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后在Ansoft Maxwell 2D模塊下面建立有限元分析模型，對(duì)電機(jī)的磁力線(xiàn)分布、磁場(chǎng)分布以及電機(jī)的空載特性與負(fù)載特性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理。有限元仿真的結(jié)果比較符合電機(jī)的技術(shù)要求。最后通過(guò)對(duì)電機(jī)的極弧系數(shù)與槽口寬度的優(yōu)化，以降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的性能。

[1] 譚建成. 永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:1-5.

[2] 張 琛. 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996:2-6.

[3] 莫會(huì)成. 分?jǐn)?shù)槽繞組與永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)[J]. 微電機(jī)，2007，40(11)：39-42.

[4] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997:10.

[5] 王秀和. 永磁電機(jī)[M].2版.北京：中國(guó)電力出版社，2011:183.

[6] 胡 巖，武建文，李德成. 小型電動(dòng)機(jī)現(xiàn)代實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008:413.

[7] Zhu Z Q, Howe D. Influence of design parameters on cogging torque in permanent magnet machines[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2000, 15(4):407-412.

[8] 楊玉波，王秀和，丁婷婷，等. 極弧系數(shù)組合優(yōu)化的永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(6)：7-11.

[9] 董仕鎮(zhèn)，馬 雋，沈建新. 減小齒槽轉(zhuǎn)矩的永磁電動(dòng)機(jī)槽口優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 微電機(jī)，2007，40(12)：1-3.

Design of Oil-filled Brushless DC Motor for Deepwater Propulsion

HU Yan，REN Shuanghua，HAN Huai

(College of Electrical Engineering，Shenyang University of Technonlgy，Shenyang，Liaoning 110870，China)

TM33

A

1004-7913(2017)07-0005-05

2017-04-28)

胡 巖(1964)，女，博士，教授，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù),特種電機(jī)及其控制。