錢(qián) 樂(lè)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

十八大提出“提高海洋資源開(kāi)發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”[1]，發(fā)展高性能水下航行器對(duì)強(qiáng)化我國(guó)海洋裝備力量有重要的戰(zhàn)略意義。水下航行器的最大航速和最大航行時(shí)間是重要的性能指標(biāo)，其在很大程度上是由水下推進(jìn)電機(jī)的性能來(lái)保證。發(fā)展高性能水下推進(jìn)電機(jī)已成為重點(diǎn)研究任務(wù)。

將兩個(gè)螺旋槳前后布置在同一軸線上，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳同速反向?qū)D(zhuǎn)，可保持被推進(jìn)物體在水下或者水面上的平衡，能克服單個(gè)螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)易造成航行器側(cè)翻的不足[2]，也能使前螺旋槳產(chǎn)生的渦動(dòng)能量被后螺旋槳利用，用于增強(qiáng)水下推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)動(dòng)力。對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，如圖1所示，已被廣泛用于船舶推進(jìn)和魚(yú)雷等水下航行器驅(qū)動(dòng)。

圖1 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳

對(duì)轉(zhuǎn)永磁電機(jī)拓?fù)渲饕譃閮深悾簭较虼磐ü捕ㄗ邮诫p轉(zhuǎn)子電機(jī)、軸向磁通共定子式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)。

美國(guó)Wisconsin大學(xué)LIPO教授提出了一種徑向磁通共定子式雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)[3]，電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子共用一個(gè)定子，定子上布置相互獨(dú)立的兩套線圈。該電機(jī)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工工藝支撐性好、制造成本低，但內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、輸出轉(zhuǎn)矩不平衡、散熱困難，其采用徑向結(jié)構(gòu)，軸向長(zhǎng)度長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不緊湊。因此，這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)不利于集成在水下推進(jìn)系統(tǒng)中。

圖2 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)與傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)的區(qū)別在于其氣隙呈平面型，氣隙磁場(chǎng)沿軸向分布。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向長(zhǎng)度短、功率密度高、效率高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，適合集成于對(duì)空間要求高的場(chǎng)合。

軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾多，主要分為兩類：一類是TORUS結(jié)構(gòu)的盤(pán)式電機(jī)，由n+1個(gè)轉(zhuǎn)子和n個(gè)定子組成；另一類是KAMAN結(jié)構(gòu)的盤(pán)式電機(jī)，由n個(gè)轉(zhuǎn)子和n+1個(gè)定子組成[4]。如圖3所示，也可根據(jù)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的數(shù)目不同，分為以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：(a)單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；(b)雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)；(c)雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；(d)多盤(pán)式結(jié)構(gòu)。

圖3 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)分類

國(guó)內(nèi)學(xué)者提出一種盤(pán)式對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子單定子永磁同步電機(jī)[4]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。電機(jī)定子位于兩個(gè)轉(zhuǎn)子中間，只采用一套交叉環(huán)繞在定子上三相繞組。兩個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)行需要通入一組對(duì)稱三相電流，這樣在定子兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生方向相反、大小相同的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩個(gè)永磁轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下同步跟隨旋轉(zhuǎn)[5]。該電機(jī)保持了軸向磁場(chǎng)電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)，但這種結(jié)構(gòu)繞組嵌繞方式復(fù)雜，增加定子盤(pán)制作成本，定子盤(pán)需采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)，且定子、繞組強(qiáng)度不高。

圖4 交叉環(huán)形繞組對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)式電機(jī)

針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先提出了一種雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)拓?fù)?，其采用軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)作為基本拓?fù)洌源_保電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，易于在水下推進(jìn)系統(tǒng)中集成；且保持定子以及繞組工藝與傳統(tǒng)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)一致，減少設(shè)計(jì)難度、加工難度；最后，對(duì)提出的雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)進(jìn)行有限元建模、仿真、分析，驗(yàn)證其電磁設(shè)計(jì)的有效性和正確性。

1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

本文的雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)采用兩個(gè)獨(dú)立的單定子單轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)結(jié)合形成，如圖5所示，中間使用非導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)件連接，兩個(gè)獨(dú)立的定子盤(pán)對(duì)應(yīng)的電樞繞組采用不同連接方式，兩側(cè)繞組相序相反，使得兩個(gè)定子盤(pán)產(chǎn)生同速反向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

圖5 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

由于兩個(gè)獨(dú)立的單定子單轉(zhuǎn)子的軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)之間采用非導(dǎo)磁材料連接，各自的磁路不會(huì)交叉耦合，磁路首先由永磁體N極發(fā)出，穿過(guò)N極處氣隙，進(jìn)入定子齒，再到達(dá)定子背軛，穿過(guò)背軛后，再依次經(jīng)過(guò)定子齒、S極處氣隙、S極永磁體，再通過(guò)轉(zhuǎn)子背軛回到永磁體N極形成磁通路。兩側(cè)電機(jī)磁路相互獨(dú)立，且沿非導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)件對(duì)稱，如圖6所示。

圖6 電機(jī)磁路示意圖

這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸小，電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，易于在對(duì)空間要求高的場(chǎng)合集成。電樞繞組安裝在定子上，無(wú)碳刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)，故障率低，穩(wěn)定性強(qiáng)，適合應(yīng)用在可靠性要求高的水下推進(jìn)、風(fēng)力發(fā)電等場(chǎng)合。雖然單定子單轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)有單邊磁拉力的問(wèn)題，但本文的電機(jī)使用非導(dǎo)磁材料將兩個(gè)獨(dú)立電機(jī)連接，左右兩側(cè)產(chǎn)生的單邊磁拉力抵消，同樣具有穩(wěn)定性。

1.2 電機(jī)運(yùn)行原理

軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤(pán)要形成對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要在定子兩側(cè)氣隙產(chǎn)生兩個(gè)同速反向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。本文的雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)兩個(gè)定子的繞線方式示意圖，如圖7所示。其中左右兩側(cè)帶有字母的方塊表示電樞繞組，假設(shè)左側(cè)繞組設(shè)置為正向，可以看出，右側(cè)繞組更換了A相和B相的嵌放位置，即實(shí)現(xiàn)了定子兩個(gè)繞組的相序相反。

圖7 電機(jī)繞組連接示意圖

從數(shù)學(xué)推導(dǎo)來(lái)分析產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的原理。取A相繞組的軸線作為空間電角度θ的坐標(biāo)原點(diǎn)，并選擇A相電流達(dá)到最大值的瞬間作為時(shí)間的零點(diǎn)，則三相繞組流過(guò)的電流分別：

(1)

式中：I為相電流；ω為電角頻率。

A、B、C三相各自磁動(dòng)勢(shì)基波：

(2)

式中：Fφ1為每相磁動(dòng)勢(shì)基波幅值。

進(jìn)一步化簡(jiǎn)式(2)得到：

(3)

將fA1、fB1、fC1相加，得到三相合成磁動(dòng)勢(shì)：

(4)

結(jié)合圖8，易看出，在交換A、C相繞組位置后，通入三相對(duì)稱電流，可在定子兩側(cè)氣隙中產(chǎn)生一組轉(zhuǎn)速相同、方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

圖8 同速反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的原理

2 雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)

電機(jī)的尺寸方程是電機(jī)設(shè)計(jì)初期確定關(guān)鍵參數(shù)的重要依據(jù)。本文的雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)拆分為兩個(gè)單定子單轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)單元，完成每個(gè)電機(jī)單元的設(shè)計(jì)，將繞組正確連接，再將兩個(gè)電機(jī)使用非導(dǎo)磁材料固定在一起。

忽略電樞繞組銅耗，電機(jī)的輸出功率P可以表示[6]：

(5)

式中：η為電機(jī)的效率；m為電機(jī)的相數(shù)；T為電機(jī)的電周期；e(t)為相反電動(dòng)勢(shì)；i(t)為相電流；Epk和Ipk分別為相反電動(dòng)勢(shì)和相電流幅值。kp為電功率波形系數(shù)，定義：

(6)

式中：fe(t)=e(t)/Epk；fi(t)=i(t)/Ipk。

相反電動(dòng)勢(shì)幅值可以表示：

(7)

式中：Ke為電機(jī)繞組系數(shù)；f為電機(jī)頻率；αp為極弧系數(shù)；Bg為氣隙磁密；Ns為相繞組匝數(shù)；Do和Di分別為電機(jī)外徑和內(nèi)徑。

軸向磁場(chǎng)電機(jī)的電負(fù)荷可以表示[7]：

(8)

式中：Da為定子鐵心內(nèi)外徑平均值。

相電流峰值可以表示：

(9)

將各式整合代入，可得電機(jī)輸出功率表達(dá)式：

(10)

本文研究的雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)用于水下航行器的驅(qū)動(dòng)，額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為800 r/min，對(duì)應(yīng)輸出為90 N·m，結(jié)合需求以及尺寸方程，確定電機(jī)基本尺寸；本文電機(jī)選用10極12槽的結(jié)構(gòu)。電機(jī)基本尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要尺寸和電機(jī)參數(shù)

3 雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的有限元分析

3.1 電機(jī)本體三維有限元建模

本文的雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)磁場(chǎng)較為立體、復(fù)雜，只能借助三維電磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行分析。

電機(jī)的有限元模型與網(wǎng)格剖分如圖9所示。三維有限元模型計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，為提高計(jì)算效率，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，滿足周期性邊界條件，取電機(jī)1/2模型進(jìn)行計(jì)算。

圖9 三維有限元模型

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

圖10為選取本文的雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)一個(gè)電周期中三個(gè)時(shí)間點(diǎn)得到的磁密云圖。平均半徑處的兩側(cè)氣隙磁密具有較好的對(duì)稱性，如圖11所示，且氣隙磁密幅值接近1 T。

圖10 磁密云圖

圖11 定子兩側(cè)氣隙磁密

圖12、圖13分別為電機(jī)空載情況下的磁鏈以及反電動(dòng)勢(shì)波形。反電動(dòng)勢(shì)波形的幅值在80 V左右。

圖12 磁鏈波形

圖13 反電動(dòng)勢(shì)波形

圖14為兩個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩波形，采用id=0控制，此時(shí)給定有效值為100 A的三相對(duì)稱正弦電流。從圖14中可以看出，兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩方向相反，大小相等，與前文分析的同速反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)的結(jié)論一致。

圖14 轉(zhuǎn)矩波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文描述了目前發(fā)展水下航行推進(jìn)器的重要意義以及對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳在水下推進(jìn)領(lǐng)域的重要地位，對(duì)目前對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了概述，針對(duì)現(xiàn)有對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)在水下推進(jìn)器中集成的瓶頸，提出一種雙轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它采用兩個(gè)獨(dú)立單定子單轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)連接在一起，具有軸向尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、易于在對(duì)空間要求高的場(chǎng)合集成。電樞繞組安裝在定子上，無(wú)碳刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)，故障率低，穩(wěn)定性強(qiáng)，左右兩側(cè)產(chǎn)生的單邊磁拉力抵消，可靠性高。

分析了尺寸方程對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的重要意義，并對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸方程進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，確定了電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)關(guān)系。

對(duì)本文的電機(jī)進(jìn)行三維有限元仿真，對(duì)氣隙磁密、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果與理論分析具有較好的一致性，同時(shí)也體現(xiàn)本電機(jī)良好的性能。

因此，本文的電機(jī)為軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)在水下航行器中的應(yīng)用提供新思路，在水下推進(jìn)系統(tǒng)中具有較大應(yīng)用前景和價(jià)值。