歐金生，向全所，沈賢鋒，陳名杰

大功率高轉(zhuǎn)矩密度吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

歐金生，向全所，沈賢鋒，陳名杰

（湖南湘電動(dòng)力有限公司，湖南湘潭 411101）

大功率高轉(zhuǎn)矩密度吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)因功率大、轉(zhuǎn)矩密度高，其電磁參數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、繞組溫升等制約電機(jī)性能水平。本文根據(jù)一臺(tái)8MW吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例，給出了電機(jī)參數(shù)選取原則，對(duì)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)多物理場(chǎng)仿真計(jì)算，對(duì)電機(jī)氣隙磁密、空載反電勢(shì)、渦流損耗、轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度和永磁體、定子繞組與鐵心溫升分布等計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明電機(jī)具有較好的運(yùn)行性能。

吊艙推進(jìn)電機(jī) 電磁設(shè)計(jì) 多物理場(chǎng)仿真 損耗分析

0 引言

吊艙推進(jìn)裝置被廣泛應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，具有布置方便、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，正在使用和處于研究當(dāng)中的推進(jìn)電機(jī)主要有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)及高溫超導(dǎo)電機(jī)等。

永磁推進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高、轉(zhuǎn)矩密度大等特點(diǎn)，是吊艙推進(jìn)電機(jī)的首選。隨著船舶動(dòng)力的需要，吊艙推進(jìn)電機(jī)需向大功率、高轉(zhuǎn)矩密度方向發(fā)展。對(duì)于大功率高轉(zhuǎn)矩密度永磁電機(jī)而言，電機(jī)的損耗與溫升過高、永磁體失磁、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足等帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性。電機(jī)的極槽配合，諧波含量等影響電機(jī)的振動(dòng)噪聲水平，設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注。文獻(xiàn)[1]對(duì)大功率高速永磁電機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì)和損耗分析，分析了電機(jī)極對(duì)數(shù)、定子繞組形式、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁體等對(duì)電機(jī)損耗的影響。文獻(xiàn)[2]對(duì)大功率永磁電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了深入研究，指出了永磁電機(jī)存在失磁風(fēng)險(xiǎn)等問題。

由于大功率高轉(zhuǎn)矩密度吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化頻繁，各個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響。并且目前的電機(jī)設(shè)計(jì)分析多采用單一物理場(chǎng)分析，很少結(jié)合背景進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真分析。本文通過對(duì)一臺(tái)8MW的永磁推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電機(jī)的合理性，對(duì)于大功率永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

1 電磁參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 主要尺寸選取

電機(jī)的主要尺寸包括定子內(nèi)外徑D和D、鐵心的有效長(zhǎng)度l。與一般電機(jī)一致，大功率吊艙永磁電機(jī)的主要尺寸滿足常數(shù)關(guān)系式[3]：

相比一般永磁電機(jī)，大功率高轉(zhuǎn)矩密度吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)功率大、轉(zhuǎn)矩密度高、散熱條件相對(duì)較好，可選取相對(duì)較高的電磁負(fù)荷。

對(duì)于低速電機(jī)而言，較小的主要尺寸比l/可增加電機(jī)的單位體積轉(zhuǎn)矩密度。但吊艙推進(jìn)電機(jī)定子外徑也受吊艙外殼尺寸的約束。因此，吊艙推進(jìn)電機(jī)應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，降低電機(jī)重量。

1.2 極數(shù)、極槽配合選取

從減小電機(jī)尺寸與重量的角度出發(fā)，電機(jī)的極數(shù)應(yīng)盡量高，但極數(shù)增大到一定數(shù)值后并不會(huì)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(shù)會(huì)減小整體槽內(nèi)的有效面積。此外，電機(jī)極數(shù)的公約數(shù)需盡量多，這樣有利于并聯(lián)支路數(shù)的靈活選擇。綜合以上因素，選取電機(jī)極數(shù)為20，槽數(shù)為120。

1.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁極設(shè)計(jì)

根據(jù)吊艙推進(jìn)器的總體結(jié)構(gòu)及冷卻條件，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)便于安裝和冷卻。因此，本文設(shè)計(jì)實(shí)例選用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。磁極結(jié)構(gòu)按照永磁體的安裝形式不同可分為表貼式和內(nèi)置式。表貼式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(dòng)勢(shì)。內(nèi)置式永磁電機(jī)可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，但是漏磁系數(shù)和制造成本比表貼式轉(zhuǎn)子高。

本文設(shè)計(jì)實(shí)例主要考慮電機(jī)氣隙磁密波形的正弦性和減小電機(jī)電感以得到更高的功率因數(shù)，同時(shí)考慮永磁磁極的裝配工藝性。因此，采用一種安裝結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式，磁路結(jié)構(gòu)類似表貼式的偏心磁極結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)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(yīng)的影響，永磁體與氣隙間的鐵心應(yīng)等寬，且在強(qiáng)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(shè)計(jì)

定子鐵心采用低損耗高導(dǎo)磁的扇形硅鋼片疊裝而成。為降低軸電流產(chǎn)生條件，沖片整圓由8片扇形片組成，每張扇形片的槽數(shù)為15，每層采用1/3交錯(cuò)疊壓。定子槽型為開口槽。為了緊固定子鐵心并降低結(jié)構(gòu)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(gè)整體。為減小圓孔對(duì)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(jù)以上設(shè)計(jì)原則，對(duì)一臺(tái)8MW吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)的主要電磁參數(shù)

2 電磁場(chǎng)分析計(jì)算

2.1 電磁場(chǎng)仿真

采用有限元分析軟件Maxwell建立電機(jī)電磁場(chǎng)二維仿真模型。根據(jù)電機(jī)的對(duì)稱性，本次電磁場(chǎng)仿真選取電機(jī)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(jié)果如圖4~8所示。從圖4和圖5可以看出，電機(jī)磁場(chǎng)分布合理。

圖4 電機(jī)磁通密度云圖

圖5 電機(jī)磁力線分布圖

圖6 氣隙磁密曲線圖

電機(jī)氣隙磁密曲線如圖6所示，其正弦性較好。對(duì)氣隙磁密進(jìn)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(yīng)產(chǎn)生。

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

圖7 傅里葉分解圖

圖8 空載反電勢(shì)

2.2 電機(jī)損耗分析

電機(jī)運(yùn)行損耗主要包括銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗和渦流損耗等[4]。其中渦流損耗的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。大功率高轉(zhuǎn)矩密度吊艙永磁電機(jī)因結(jié)構(gòu)緊湊、電磁負(fù)荷高等特點(diǎn)，需重點(diǎn)關(guān)注永磁體和定子結(jié)構(gòu)件內(nèi)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(jī)在正弦電流驅(qū)動(dòng)下正常旋轉(zhuǎn)時(shí)，由齒槽諧波所導(dǎo)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(guān)頻率及倍頻的電壓諧波所導(dǎo)致。

采用有限元分析軟件Maxwell計(jì)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(jié)構(gòu)件渦流損耗主要考慮距離主磁場(chǎng)較近的結(jié)構(gòu)件。本電機(jī)定子鐵心拉桿處在主磁場(chǎng)附近，需重點(diǎn)分析計(jì)算。

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

圖10 電機(jī)拉桿損耗對(duì)比圖

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算

本文設(shè)計(jì)實(shí)例電機(jī)轉(zhuǎn)速雖然不高，但轉(zhuǎn)子尺寸較大，表面線速度并不低。因此，電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特別是轉(zhuǎn)子磁極需重點(diǎn)關(guān)注與計(jì)算。利用有限元軟件對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)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(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

根據(jù)本電機(jī)對(duì)稱性，采用1/20的轉(zhuǎn)子磁極模型進(jìn)行計(jì)算分析，將鐵心中間一段進(jìn)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(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度

計(jì)算轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度時(shí)，轉(zhuǎn)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(shè)定轉(zhuǎn)速為142r/min，計(jì)算結(jié)果如圖12和圖13所示，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)沖片最大拉應(yīng)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(jī)選取的沖片抗拉強(qiáng)度為215MPa，沖片強(qiáng)度滿足材料可靠運(yùn)行要求。

3.2 永磁體強(qiáng)度

永磁體計(jì)算結(jié)果如圖14和圖15所示，額定轉(zhuǎn)速最大拉應(yīng)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(xiàn)在永磁體中間位置。本電機(jī)選取的永磁體為釹鐵硼材料，抗拉強(qiáng)度為80 MPa，永磁體強(qiáng)度滿足材料可靠運(yùn)行要求。

圖12 轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力云圖

圖13轉(zhuǎn)子鐵心位移云圖

圖15 永磁體位移云圖

4 溫度場(chǎng)分析計(jì)算

大功率高轉(zhuǎn)矩密度吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)功率較大且結(jié)構(gòu)緊湊，溫升對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，有必要對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。電機(jī)通風(fēng)冷卻方式為徑向通風(fēng)冷卻，如圖16所示。冷卻風(fēng)由兩端進(jìn)入分為兩條支路。支路一經(jīng)由定子繞組端部、氣隙、定子徑向通風(fēng)道；支路二經(jīng)由轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)道、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)孔、定子徑向通風(fēng)道；兩條支路在定子背部匯合從出口流出電機(jī)。

圖16 電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)電機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析。為提高計(jì)算效率，考慮電機(jī)周期性結(jié)構(gòu)，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化及處理，在軸向方向取1/2對(duì)稱模型，在圓周方向取1/10模型。模型采用多面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型圖如圖17所示。

圖17 網(wǎng)格模型

繞組、定子鐵心及磁鋼損耗按電磁方案進(jìn)行熱源設(shè)置；設(shè)計(jì)風(fēng)量為8m3/s，單邊4m3/s，進(jìn)風(fēng)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(xiàn)在中段；定子鐵心最高溫度為121.5℃，出現(xiàn)在鐵心齒部；磁鋼最高溫度為52.4℃，出現(xiàn)在中段。這是由于進(jìn)風(fēng)口在端部，端部冷卻效果較好。各部件具體溫度結(jié)果匯總?cè)绫?所示，在額定工況下繞組最高溫度136.1℃，溫升為91.1K。按F級(jí)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(jī)溫度分布（單位：℃）

5 結(jié)論

為確保大功率高轉(zhuǎn)矩密度吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行性能及設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，其電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和溫度場(chǎng)均需精確計(jì)算。采用多物理場(chǎng)有限元仿真計(jì)算是該類電機(jī)設(shè)計(jì)的重要手段。

本文以一臺(tái)8MW吊艙永磁推進(jìn)電機(jī)為例，對(duì)其電磁設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)選進(jìn)行了論述，確定了其主要電磁參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真計(jì)算，結(jié)果表明電機(jī)的性能較好，能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。本文為該類電機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)的電磁設(shè)計(jì)與損耗分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用, 2020（6）: 46-51.

[2] 李華祥, 張志和, 劉鵬等.大功率永磁直驅(qū)技術(shù)優(yōu)勢(shì)及技術(shù)難點(diǎn)的深入研究[J].鐵道機(jī)車車輛, 2020（4）: 50-53.

[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].第2版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

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

[5] 王國(guó)龍, 李娜, 趙代夫.基于有限元的電機(jī)法蘭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)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(jí)工程師。研究方向：新型電機(jī)及控制。E-mail: oujinsheng83@126.com。