張明，周俊，查智，曾明

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

基于Ansoft Maxwell的水下無(wú)人航行器雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)建模與仿真

張明，周俊，查智，曾明

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)在艦船等對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文運(yùn)用Ansoft Maxwell 2D軟件建立了雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)的有限元模型，在雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)有限元模型瞬態(tài)仿真的基礎(chǔ)上對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行了分析和討論，證明了雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)有限元建模以及分析計(jì)算的正確性，為水下無(wú)人航行器（UUV）推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供了理論參考。

UUV 雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī) 有限元 Maxwell

0 引言

目前，水下無(wú)人航行器（UUV）在海洋探索研究以及國(guó)防等領(lǐng)域中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，水下無(wú)人航行器（UUV）航行過(guò)程中需要消除陀螺效應(yīng)，以穩(wěn)定航行姿態(tài)，因此較多的水下無(wú)人航行器（UUV）采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)[2]。對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)主要有三種實(shí)現(xiàn)方式：?jiǎn)屋S電機(jī)通過(guò)行星齒輪轉(zhuǎn)換為雙機(jī)械輸出、定子轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)產(chǎn)生雙機(jī)械輸出、雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生雙機(jī)械輸出。其中，行星齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低；定子轉(zhuǎn)子對(duì)轉(zhuǎn)的電機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且無(wú)法完全消除陀螺效應(yīng)；雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)增加了1個(gè)電機(jī)，但提高了螺旋槳的推進(jìn)功率，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，另外，2個(gè)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，互為熱備份。

雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)由前后兩臺(tái)同軸無(wú)刷直流電機(jī)組成，兩臺(tái)電機(jī)同軸安裝于機(jī)殼內(nèi)部，前端電機(jī)轉(zhuǎn)軸部分為中空，作為雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)的外軸，用于安裝對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳后槳；后端電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過(guò)前端電機(jī)中空軸，作為雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)的內(nèi)軸，用于安裝對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳前槳。雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1 雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)有限元模型的建立

1.1 基本假設(shè)

1) 采用二維場(chǎng)模擬實(shí)際磁場(chǎng)；選取直角坐標(biāo)系和國(guó)際單位制。2) 對(duì)定子槽口、定子扇形片的圓角及磁極沖片部分圓角、倒角等細(xì)微之處作近似處理。3) 忽略端部效應(yīng)，磁場(chǎng)沿軸向均勻分布。4) 電機(jī)外部磁場(chǎng)所占分量甚小，可以忽略。定子外表面圓周為零矢位面。5) 不計(jì)交變磁場(chǎng)在導(dǎo)電材料中如定子繞組、鐵芯沖片及機(jī)座中的渦流反應(yīng)。

1.2 雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)幾何模型的生成

建立電機(jī)有限元模型的常用方法有兩種：一是利用Autocad或者Solidworks等繪圖軟件繪制出電機(jī)的幾何圖形，然后導(dǎo)入到Maxwell 2D；二是利用RMxprt獲得電機(jī)的精確模型，然后再導(dǎo)入Maxwell 2D進(jìn)行FEA計(jì)算。本文采用的是第二種方法，得到的雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)2D有限元模型如圖2所示。

本文中雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)樣機(jī)整體采用6槽4極結(jié)構(gòu)，使用分?jǐn)?shù)槽集中繞組方案。電機(jī)定子鐵芯以及轉(zhuǎn)子鐵芯均采用川崎35JNE250矽鋼片，樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

1.3 雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模型

該雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)樣機(jī)采用的是無(wú)刷直流電機(jī)方案，因而需要采用逆變器作為激勵(lì)源。對(duì)逆變器的建模，方法之一就是調(diào)用Ansoft Maxwell Circuit Editor提供的壓控開關(guān)(Voltage Controlled Switch)模塊和Diode模塊，按照實(shí)際電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，即可很方便地搭建出三相全橋逆變電路，逆變器根據(jù)開關(guān)管觸發(fā)邏輯模塊提供的信號(hào)，順序?qū)ê完P(guān)斷，產(chǎn)生方波電流輸出。另外，樣機(jī)是由前后兩臺(tái)同軸安裝無(wú)刷直流電機(jī)組成，所以本文需要采用兩套獨(dú)立的逆變電路對(duì)其供電。雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)場(chǎng)路耦合示意圖如圖3所示。

2 雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)仿真結(jié)果分析

樣機(jī)在額定情況下，即在母線電壓為72 VDC、負(fù)載轉(zhuǎn)矩為18 N.m的情況下進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，結(jié)果如圖4～圖9所示，其中圖4為樣機(jī)在額定工況下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，圖5為樣機(jī)在額定工況下矢量磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，圖6為樣機(jī)在額定負(fù)載下相電壓曲線，圖7為樣機(jī)在額定負(fù)載下相電流曲線，圖8為樣機(jī)在額定負(fù)載下轉(zhuǎn)矩曲線，圖9為樣機(jī)在額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速曲線。

電機(jī)樣機(jī)額定工況下的有限元仿真結(jié)果顯示，樣機(jī)磁場(chǎng)分布較為合理，無(wú)磁路飽和現(xiàn)象，如圖4、圖5所示；樣機(jī)相反電勢(shì)和相電流曲線如圖6、圖7所示，相電壓幅值為45 V，相電流穩(wěn)定后有效值為12.5561 A；由于樣機(jī)為雙體結(jié)構(gòu)，且獨(dú)立控制，電機(jī)額定負(fù)載啟動(dòng)后，雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)內(nèi)外軸均可以很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速大小約為±747 rpm（方向定義：軸視，順時(shí)針為內(nèi)軸正向、外軸負(fù)向，逆時(shí)針為內(nèi)軸負(fù)向、外軸正向，下同），如圖9所示，與理想額定轉(zhuǎn)速有0.6%的誤差，屬于正常情況。

3 樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

上文對(duì)雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行了FEA建模和分析計(jì)算，為了對(duì)雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)模型和仿真結(jié)果作進(jìn)一步的驗(yàn)證，進(jìn)行了樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。樣機(jī)在額定工況下的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速為±732 rpm，相電流和線電壓如圖10和圖11所示，其中圖10為樣機(jī)相電流穩(wěn)態(tài)波形，電流大小為13.6 A；圖11為樣機(jī)線電壓穩(wěn)態(tài)波形，其最大值約為72 V。

對(duì)比可見，雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)果有一定差距，雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)仿真結(jié)果額定轉(zhuǎn)速為±747 rpm、相電流為12.5561 A、相電壓為45 V，實(shí)測(cè)結(jié)果則為轉(zhuǎn)速±732 rpm、相電流13.6 A、線電壓72 V，其中相電壓、線電壓之間由于存在換算關(guān)系，可以認(rèn)為基本一致，而轉(zhuǎn)速和電流結(jié)果差異較大。經(jīng)過(guò)分析，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速偏低、實(shí)測(cè)電流偏大原因可能有兩點(diǎn)：一方面，樣機(jī)是原理樣機(jī)，加工及裝配精度較低，加大了整機(jī)損耗；另一方面，在實(shí)際測(cè)試中，負(fù)載不穩(wěn)定，可能略大于要求的18 N.m額定負(fù)載值。

4 結(jié)論

本文分析了水下無(wú)人航行器（UUV）推進(jìn)用雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了Ansoft Maxwell 2D環(huán)境下的雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)有限元模型，并運(yùn)用Ansoft Maxwell 2D軟件對(duì)雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行了瞬態(tài)有限元分析計(jì)算。本文所建立的有限元模型能夠較好地模擬真實(shí)雙體對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)的各種特性，仿真結(jié)果與理論分析一致，該仿真模型為進(jìn)一步研究雙體對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)電機(jī)的控制策略和運(yùn)行特性打下了基礎(chǔ)。

[4] 張林森. 推進(jìn)用永磁對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電機(jī)的MATLAB仿真. 電機(jī)與控制應(yīng)用[J]，2010.

[5] 李燕. 對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電機(jī)的Matlab建模與仿真.微電機(jī)[J]，2011.

[6] 李宏. 采用PMBLDC的AUV對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007.

Modeling and Simulation of Dual Contra-rotating Motors for UUV By Using Ansoft Maxwell 2D

Zhang Ming，Zhou Jun，Zha Zhi，Zeng Ming
（The 710th Research Institute，Yichang 443003, Hubei, China）

Dual contra-rotating motors have extensive application foreground in the propelling system of warship etc. The FEA model of double body contra-rotating motor is established by Ansoft in Maxwell 2D, and the FEA results prove the validity of the FEA model and computation, which provides the theory references for the development and design of the underwater unmanned vehicle (UUV).

UUV；dualcontra-rotating motors；FEA；Maxwell

TM351

A

1003-4862（2014）03-0033-03

2013-09-22

張明(1986-),男，工程師。研究方向：電機(jī)工程。