馬 瑞，朱景偉，林乾宏，于 超，張延斌

(大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

輪緣推進(jìn)器是一種高性能電力推進(jìn)船舶推進(jìn)器，它采用集成化思想，是將電機(jī)與螺旋槳一體化設(shè)計，具有體積小、重量輕、振動噪聲小、效率高、易于控制等優(yōu)點[1,2]。既可以作為推進(jìn)電機(jī)使用，又可以作為潮汐能發(fā)電機(jī)使用。目前，輪緣推進(jìn)器用電機(jī)主要包括交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)等[3,6]?，F(xiàn)有的輪緣推進(jìn)器性能良好，但是并不具備故障容錯能力。

永磁容錯電機(jī)作為航空用電機(jī)首次出現(xiàn)，具有功率密度高，容錯性能好等優(yōu)點，能夠在電氣故障下繼續(xù)穩(wěn)定運行[7]。近年來，永磁容錯電機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)拓展到電動汽車、直升機(jī)絞車、醫(yī)療、海浪發(fā)電等領(lǐng)域[8-11]。輪緣推進(jìn)器作為船舶主推進(jìn)器，一旦發(fā)生故障，船舶只能在海上漂泊等待救援。因此，研究具有容錯能力的永磁容錯輪緣推進(jìn)電機(jī)(FTPM-RDM)使得船舶在發(fā)生電氣故障時能夠返航維護(hù)具有實際意義與應(yīng)用價值。FTPM-RDM通過非故障相來抵消故障相所造成的影響，因此要求FTPM-RDM每相的功率具有一定冗余。相數(shù)越多，F(xiàn)TPM-RDM冗余能力越強(qiáng)，但控制電路越復(fù)雜。綜合考慮，六相FTPM-RDM被視為較優(yōu)的選擇[12]。由于FTPM-RDM定、轉(zhuǎn)子軛部較薄，往往采用非常規(guī)的多磁極設(shè)計方案，多磁極FTPM-RDM存在較多極槽配合方案，設(shè)計比較靈活，需要對不同極槽配合方案進(jìn)行比較分析，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇合適的極槽配合方案。

本文分析了FTPM-RDM的結(jié)構(gòu)特點，給出六相FTPM-RDM可能存在的分布系數(shù)為1的極槽配合方案，并對其諧波進(jìn)行分析。采用理論分析與場路耦合仿真相結(jié)合的形式比較一定槽數(shù)下不同極槽配合方案對六相FTPM-RDM性能的影響。

1 六相FTPM-RDM結(jié)構(gòu)特點及諧波分析

1.1 FTPM-RDM結(jié)構(gòu)特點

輪緣推進(jìn)器具有如下結(jié)構(gòu)特點[13]：

(1)輪緣推進(jìn)器呈扁平結(jié)構(gòu)，定、轉(zhuǎn)子軛部較薄，螺旋槳直接焊接在轉(zhuǎn)子上。

(2)為了降低定、轉(zhuǎn)子軛部磁密，采用多磁極設(shè)計方案。由于轉(zhuǎn)子軛部較薄，一般采用表貼式永磁體。

(3)采用大氣隙方案，永磁體外由一層防腐物質(zhì)包裹，并采用保護(hù)套筒固定永磁體。

(4)氣隙中海水可以自由流溢，具有良好的散熱性能。

FTPM-RDM是一種特殊結(jié)構(gòu)的輪緣推進(jìn)器，各相繞組間存在物理隔離、磁隔離、熱隔離和電氣隔離，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 FTPM-RDM結(jié)構(gòu)示意圖

除具有傳統(tǒng)輪緣推進(jìn)電機(jī)的特點外，F(xiàn)TPM-RDM需要采用單層集中式定子繞組，每相繞組間存在隔離齒，每相定子繞組采用獨立的H橋逆變器供電。為了提高電機(jī)抑制短路電流的能力，采用深而窄的槽口設(shè)計增大槽口漏感。

1.2 六相FTPM-RDM繞組分布

六相FTPM-RDM中具有兩套三相定子繞組，一套是A、B、C三相繞組，另一套為U、V、W三相繞組。由文獻(xiàn)[8]可知分布系數(shù)不為1的結(jié)構(gòu)抑制匝間短路電流的能力遠(yuǎn)不如分布系數(shù)為1的結(jié)構(gòu)，因此本文僅對分布系數(shù)為1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

分布系數(shù)為1的結(jié)構(gòu)為單元電機(jī)的周期性重復(fù)，增加單元電機(jī)數(shù)目，槽數(shù)和極數(shù)成倍增加，單元電機(jī)數(shù)目為k時，其諧波次數(shù)為單元電機(jī)的k倍。分布系數(shù)為1的FTPM-RDM的繞組系數(shù)與短距系數(shù)相等，繞組系數(shù)為

(1)

式中，p為電機(jī)極對數(shù)，Qs為定子槽數(shù)。由式(1)可知，F(xiàn)TPM-RDM繞組系數(shù)不隨單元電機(jī)數(shù)變化而發(fā)生改變。六相FTPM-RDM單元電機(jī)存在兩種情況，一種為最少槽12槽結(jié)構(gòu)，一種為每相存在正向和反向兩個繞組的24槽結(jié)構(gòu)。不同極槽配合下六相FTPM-RDM單元電機(jī)的繞組系數(shù)計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同極槽配合下六相FTPM-RDM的繞組系數(shù)

考慮相序，不同極槽配合的六相FTPM-RDM單元電機(jī)繞組分布如圖2所示。

圖2 六相FTPM-RDM單元電機(jī)繞組分布圖

圖中(a)、(d)為雙Y位移0°結(jié)構(gòu)，(e)、(f)、(g)、(h)為雙Y位移30°結(jié)構(gòu)，(b)、(c)為雙Y位移60°結(jié)構(gòu)。

1.3 六相FTPM-RDM諧波分析

由文獻(xiàn)[8]可知，圖2中(e)、(f)、(g)、(h)結(jié)構(gòu)視為半十二相電機(jī)進(jìn)行分析。假設(shè)電機(jī)氣隙均勻，不考慮定子齒槽的影響。當(dāng)僅對A相某一齒上繞組施加余弦電流 時，在氣隙中產(chǎn)生的磁動勢分布如圖3所示。

圖3 A相某一齒上繞組在氣隙中產(chǎn)生的磁動勢分布圖

氣隙磁動勢用傅里葉級數(shù)表示為

(2)

式中，I為電流幅值，ω為角頻率，θm為定子圓周方向相對定子齒中心線的機(jī)械角度，nt為每槽導(dǎo)體數(shù)，n為諧波次數(shù)。

A相繞組產(chǎn)生的氣隙磁動勢的表達(dá)式為

(k-1)))cos(ωt)

(3)

由式(3)可知，每相繞組氣隙磁動勢僅存在kn次諧波，n=1，2，3…。其它相與A相類似，僅在時間和空間上相差一定電角度。

由和差化積公式可知，12∶8和12∶16槽極比結(jié)構(gòu)含有k((2、4)+6a)次諧波，12∶10和12∶14槽極比結(jié)構(gòu)含有k((1、5)+6a)次諧波，24∶14和24∶34槽極比結(jié)構(gòu)含有k((5、7)+12a)次諧波，24∶22和24∶26槽極比結(jié)構(gòu)含有k((1、11)+12a) 次諧波。

FTPM-RDM的諧波次數(shù)為單元電機(jī)諧波的k倍，諧波總量不隨單元電機(jī)數(shù)變化而發(fā)生改變。其中，12∶8和12∶16槽極比結(jié)構(gòu)中2k次諧波為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的3倍，12∶10和12∶14槽極比結(jié)構(gòu)中k次諧波為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的6倍，24∶14和24∶34槽極比結(jié)構(gòu)中5k次諧波為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的2.4倍，24∶22和24∶26槽極比結(jié)構(gòu)中k次諧波為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的12倍。諧波與轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速越大，永磁體渦流損耗越大。24∶22和24∶26結(jié)構(gòu)中的k次諧波相對于基波轉(zhuǎn)速最大，相同電流下產(chǎn)生的渦流損耗更多，需要采取永磁體分塊等措施降低渦流損耗。

2 六相FTPM-RDM性能分析

單元電機(jī)數(shù)大于1的結(jié)構(gòu)僅僅是單元電機(jī)在機(jī)械空間上的重復(fù)，因此一定槽數(shù)下不同極數(shù)FTPM-RDM性能的比較結(jié)論推廣到其他槽數(shù)。為了包含所有可能存在的分布系數(shù)為1的極槽配合方案，本節(jié)以48槽六相FTPM-RDM為例搭建有限元仿真模型，采用相同的電機(jī)參數(shù)，僅改變極數(shù)和繞組分布方式。為了避免鐵心飽和影響分析結(jié)果，假設(shè)每種結(jié)構(gòu)下鐵心磁密都不飽和。由于氣隙磁密幅值隨著極數(shù)增加而減小，當(dāng)28極六相FTPM-RDM鐵心不飽和時，其它極槽配合方案下鐵心也不飽和。因此，所采用的FTPM-RDM仿真模型參數(shù)如表2所示。

表2 FTPM-RDM仿真模型參數(shù)

2.1 空載性能分析

本節(jié)基于Maxwell對FTPM-RDM進(jìn)行仿真研究。隨著永磁體數(shù)量的增加，永磁體漏磁系數(shù)隨之增加，但由于繞組系數(shù)不同，并不是永磁體越少越好。不同極槽配合下空載反電動勢基波幅值E和諧波畸變率THD如表3所示。

表3 空載反電動勢基波幅值與諧波畸變率

由表3可知，40極結(jié)構(gòu)和44極結(jié)構(gòu)永磁體空載反電動勢基波幅值較高，即繞組綜合利用率高，但諧波畸變率較大。32極結(jié)構(gòu)諧波畸變率較低，同時兼顧了永磁體和繞組綜合利用率。

齒槽轉(zhuǎn)矩脈動是衡量電機(jī)性能的一項重要指標(biāo)，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個齒距，其周期數(shù)為

(4)

GCD(Qs,2p)為槽數(shù)與極數(shù)最大公約數(shù)，一個齒距內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動周期數(shù)和齒槽轉(zhuǎn)矩脈動Tcog幅值如表4所示。

由表4可知，隨著周期數(shù)增加，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動降。其中，44極結(jié)構(gòu)、52極結(jié)構(gòu)、68極結(jié)構(gòu)齒槽轉(zhuǎn)矩脈動很小，有限元計誤差為主要成分，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動不呈周期性分布，故沒有給出具體數(shù)值。

表4 齒槽轉(zhuǎn)矩脈動周期數(shù)與幅值

為了使FTPM-RDM具有抑制短路電流能力和故障隔離能力，要求電機(jī)具有較大的繞組自感和較小的相間互感。以A相為例，空載下，繞組自感LAA與互感LAB、LAC、LAU、LAV、LAW有效值隨極數(shù)變化如表5所示。

表5 A相自感與互感

仿真結(jié)果表明，繞組互感低于自感的1.1%，F(xiàn)TPM-RDM具有良好的相間磁隔離能力。具有正向和反向繞組的28極、44極、52極、68極結(jié)構(gòu)互感最小，磁隔離能力更強(qiáng)。極數(shù)變化和繞組是否為正、反方向繞組結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致繞組自感發(fā)生改變，但這種變化并不明顯。

2.2 抑制短路電流能力分析

FTPM-RDM短路電流計算公式如下所示：

(5)

式中，E0為空載反電動勢，ωe為電角速度，Ls為繞組自感，R為繞組電阻。額定轉(zhuǎn)速時繞組電阻可忽略不計，短路電流與空載反電動勢、電角速度和繞組自感相關(guān)。仿真時通過外電路將FTPM-RDM相繞組端部短接模擬短路故障。不同極槽配合下A相短路電流有效值隨速度變化如圖4所示。

由圖4可知，低速運行時繞組電阻不可忽略，短路電流低于高速運行時。高速運行時，繞組電阻忽略不計，短路電流基本不再隨速度發(fā)生變化，且極數(shù)越多短路電流越小。因此，只要額定轉(zhuǎn)速時短路電流在限定范圍內(nèi)，其它轉(zhuǎn)速下的短路電流也滿足要求。一定槽數(shù)下，極數(shù)越多抑制短路電流能力越強(qiáng)。

圖4 不同極槽配合下短路電流隨速度變化曲線

短路電流通過互感在正常相感應(yīng)出電壓EB、EC、EU、EV、EW，A相短路電流在無故障相感應(yīng)出的電壓有效值如表6所示。

表6 A相短路電流在無故障相感應(yīng)出的電壓有效值

由表6可知，A相短路電流在無故障相感應(yīng)出的電壓很小，結(jié)果表明FTPM-RDM具有良好的磁隔離能力。

2.3 損耗及效率分析

電機(jī)效率是衡量電機(jī)性能的重要指標(biāo)，忽略開關(guān)損耗、機(jī)械損耗等其它損耗，基于Simplorer搭建外電路，每相由單獨的H橋供電，采用電流滯環(huán)控制策略進(jìn)行場路耦合仿真。額定負(fù)載及額定轉(zhuǎn)速下FTPM-RDM的銅耗Pcu，鐵耗Pfe，永磁體渦流損耗Pye以及效率η如表7所示：

表7 FTPM-RDM損耗及效率

由表7可知，與銅耗和鐵耗相比，F(xiàn)TPM-RDM渦流損耗很小。由于頻率和鐵心磁密隨極數(shù)變化規(guī)律相反，因此電機(jī)鐵耗變化不明顯。仿真結(jié)果表明，相同結(jié)構(gòu)下40極結(jié)構(gòu)具有最大的電機(jī)運行效率。

FTPM-RDM適用于海上發(fā)電、艦艇貨船等領(lǐng)域。由于發(fā)電機(jī)對電能質(zhì)量要求較高；艦艇要求推進(jìn)電機(jī)性能好、噪聲小、可靠性高；貨船更重視成本。因此12:8槽極比適合作為發(fā)電機(jī)使用；24∶22槽極比結(jié)構(gòu)適用于艦艇；12∶10槽極比結(jié)構(gòu)適用于貨船。

3 結(jié) 論

本文研究了六相FTPM-RDM的極槽配合和繞組分布，給出了單元電機(jī)具體的繞組分布形式，并對其諧波進(jìn)行分析。本文對48槽結(jié)構(gòu)的各種極槽配合方案的電機(jī)性能進(jìn)行研究，得到的結(jié)論可以推廣到具有相同槽極比的其它槽數(shù)六相FTPM-RDM中。本文結(jié)論如下：12∶8槽極比結(jié)構(gòu)電機(jī)適用于發(fā)電機(jī)運行，可以作為潮汐能發(fā)電機(jī)使用。:22槽極比結(jié)構(gòu)電機(jī)適用于對轉(zhuǎn)矩脈動和故障容錯能力要求高的軍用船舶推進(jìn)器中。12∶10槽極比結(jié)構(gòu)電機(jī)適用于對于經(jīng)濟(jì)性要求較高的民用船舶推進(jìn)器中。