陳芝波，羅 響，龔 純

(1 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

0 引 言

推進(jìn)電機(jī)是全海深無人潛水器的主要動力來源。高效推進(jìn)電機(jī)設(shè)計是制備性能優(yōu)良的全海深無人潛水器的前提條件，而無取向硅鋼片是深海推進(jìn)電機(jī)定子鐵心的核心材料，硅鋼片的性能直接影響著整個潛水器推進(jìn)系統(tǒng)的性能。

與普通環(huán)境用電機(jī)相比，深海用推進(jìn)電機(jī)處于較大的流體壓強(qiáng)環(huán)境中，電機(jī)定子硅鋼片將受到一定的深海壓應(yīng)力。在深海壓應(yīng)力的作用下，電機(jī)定子硅鋼片的微觀結(jié)構(gòu)將會發(fā)生變化，進(jìn)而影響硅鋼片的磁特性。而硅鋼片的磁特性是硅鋼片的重要性能指標(biāo)，它的變化將直接影響深海用推進(jìn)電機(jī)的鐵心損耗，從而影響整個推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率。目前，國內(nèi)外有很多文獻(xiàn)研究硅鋼片在擠壓應(yīng)力以及電磁應(yīng)力作用下的磁特性變化,很少有文獻(xiàn)研究硅鋼片在深海特定環(huán)境下磁特性的變化規(guī)律。

本文使用有限元計算方法分析了深海用推進(jìn)電機(jī)使用DW470硅鋼片材料作為電機(jī)定子鐵心的壓應(yīng)力分布情況，以及定子鐵心形變情況。在定子鐵心應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)上，將應(yīng)力計算結(jié)果與電磁場進(jìn)行耦合，仿真計算了定子鐵心在不同壓力環(huán)境下的磁密分布，并以電機(jī)定子鐵心磁密Bm保持不變?yōu)闂l件，計算出深海無人潛水器推進(jìn)電機(jī)在不同壓強(qiáng)下的鐵心損耗。最后在理論分析的基礎(chǔ)上，實(shí)驗?zāi)M了深海壓強(qiáng)環(huán)境，測試了無取向硅鋼片在不同深海應(yīng)力作用下的磁特性變化規(guī)律。獲得的測量結(jié)果以及仿真結(jié)論可為高性能深海電機(jī)的設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 深海環(huán)境下定子鐵心壓力分布

當(dāng)潛水器推進(jìn)電機(jī)在深海環(huán)境運(yùn)行時，整個推進(jìn)電機(jī)將處于流體的壓應(yīng)力之下。推進(jìn)電機(jī)定子硅鋼片將受到機(jī)殼的擠壓應(yīng)力以及電機(jī)內(nèi)部油介質(zhì)的擠壓應(yīng)力，本文的仿真只考慮了電機(jī)的徑向壓力。

深海環(huán)境下推進(jìn)電機(jī)定子鐵心的受力狀態(tài)如圖1所示，其中箭頭表示電機(jī)定子所受到的擠壓應(yīng)力的方向，D、G方向表示來自電機(jī)外殼的擠壓應(yīng)力，A、B、C、E、F方向表示來自電機(jī)內(nèi)部油介質(zhì)的擠壓應(yīng)力。

圖1 電機(jī)定子在深海環(huán)境下的受力狀態(tài)

電機(jī)定子鐵心為圓柱形，其應(yīng)力分布的分析通常采用空間圓柱坐標(biāo)系。根據(jù)材料力學(xué)的胡可定理，可得到電機(jī)定子鐵心各個方向的應(yīng)力：

式中：σx，σy，σz分別為電機(jī)定子鐵心所受到的徑向、切向和軸向應(yīng)力；ν為材料的泊松比；E為材料的彈性模量。

電機(jī)定子鐵心受到的總壓應(yīng)力可表示如下：

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)，可以計算出深海環(huán)境下推進(jìn)電機(jī)硅鋼片的受力分布。本文根據(jù)深海電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及其受力狀態(tài)，采用有限元方法計算電機(jī)定子鐵心在不同深海壓強(qiáng)下的應(yīng)力分布。仿真使用到的電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

推進(jìn)電機(jī)定子應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖2所示。

表1 推進(jìn)電機(jī)參數(shù)

圖2 定子鐵心在不同深度下應(yīng)力分布

從推進(jìn)電機(jī)定子鐵心在深海環(huán)境下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果可以看出，在深海高壓環(huán)境下，定子鐵心齒部所受到的壓應(yīng)力最大，而電機(jī)定子鐵心軛部受到的壓應(yīng)力最小。電機(jī)定子鐵心大部分區(qū)域所受到的壓應(yīng)力大小與深海環(huán)境的壓強(qiáng)成正比。

推進(jìn)電機(jī)在不同深海壓強(qiáng)下總形變量仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 定子鐵心在不同深度下總形變

由圖3的仿真結(jié)果可知，推進(jìn)電機(jī)定子鐵心在深海環(huán)境下，定子鐵心齒靴處總形變最大，而定子鐵心軛部的總形變最小。

2 深海環(huán)境下定子鐵心損耗計算

在深海環(huán)境下，電機(jī)定子鐵心將受到壓應(yīng)力的作用，從而影響定子鐵心硅鋼片的磁性能。電機(jī)定子鐵心是電機(jī)磁路中的重要部分，定子鐵心的性能直接影響著電機(jī)的鐵心損耗，而電機(jī)的鐵耗將影響整個驅(qū)動系統(tǒng)的效率。

2.1 應(yīng)力對硅鋼片磁導(dǎo)率的影響

硅鋼片在外加應(yīng)力下磁性能會發(fā)生一定的變化，且壓應(yīng)力和拉應(yīng)力對硅鋼片的磁性能影響不同[7]。硅鋼片磁導(dǎo)率與外加應(yīng)力對應(yīng)的關(guān)系可表示如下[8]：

式中：μ為硅鋼片在外加應(yīng)力下的磁導(dǎo)率；Δμ為磁導(dǎo)率變化量；σ為硅鋼片所受的應(yīng)力；λ為磁滯伸縮系數(shù)；μh為硅鋼片初始磁導(dǎo)率。

當(dāng)硅鋼片受到壓應(yīng)力σ<0時，由式(3)可知，硅鋼片磁導(dǎo)率μ將減小。

2.2 鐵心損耗的計算

電機(jī)鐵心損耗由渦流損耗、磁滯損耗以及異常損耗三部分組成。電機(jī)定子鐵心損耗可表示[6]：

式中：Whi，Wei，Wai分別為各次諧波的定子鐵心損耗的磁滯損耗、渦流損耗、附加損耗。

根據(jù)經(jīng)典的鐵心損耗分離模型，電機(jī)定子鐵心計算經(jīng)驗公式[8]：

式中：kh為鐵芯磁滯損耗系數(shù)；kc為鐵心渦流損耗系數(shù)；ke為鐵心附加損耗系數(shù)。

磁滯損耗是鐵磁體在反復(fù)磁化過程中因磁滯現(xiàn)象而消耗的能量，與磁疇的運(yùn)動有關(guān)。磁滯損耗的大小正比于磁滯回線的面積。而渦流損耗與變化的磁場與電流有關(guān)。

附加損耗主要與鐵心的結(jié)構(gòu)工藝有關(guān)，也與電機(jī)中氣隙中的諧波磁場有關(guān)。

而在深海環(huán)境下，電機(jī)定子鐵心受到巨大的壓應(yīng)力作用，電機(jī)定子硅鋼片內(nèi)部晶粒將會變形，磁疇轉(zhuǎn)動的阻力將發(fā)生變化[2]。在壓應(yīng)力的作用下硅鋼片的磁阻將增大，進(jìn)而影響硅鋼片的磁導(dǎo)率[8]。

2.3 鐵心損耗仿真

本文采用應(yīng)力場-電磁場耦合的方法來計算定子鐵心損耗。將應(yīng)力場的計算結(jié)果與電磁場耦合，進(jìn)而計算定子鐵心在不同深海壓強(qiáng)下的鐵心磁密分布以及鐵心損耗分布。圖4為推進(jìn)電機(jī)二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

推進(jìn)電機(jī)定子鐵心在不同深海壓強(qiáng)下的磁密分布仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 定子鐵心在不同深海壓力下的磁密分布

圖5的仿真結(jié)果表明，在深海壓力環(huán)境下，定子鐵心齒靴處磁密最大。隨著壓力的增大，推進(jìn)電機(jī)定子鐵心磁密有所下降，在深度8 000m下，定子鐵心磁密最大值為2.964 2T；而當(dāng)電機(jī)處于12 000m時，定子鐵心密度最大值下降為2.638 3T。這是由定子鐵心受較大的擠壓應(yīng)力而使鐵心齒靴處磁導(dǎo)率下降、磁阻增大而導(dǎo)致的[8]。

推進(jìn)電機(jī)定子鐵心在不同深海壓強(qiáng)下鐵心損耗分布仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6的仿真結(jié)果表明，在深海壓力作用下，電機(jī)定子鐵心齒部鐵損密度最大，且隨著深海壓力的增大，電機(jī)定子鐵心損耗密度的最大值也逐漸增大。

3 實(shí)驗結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗平臺

本文利用深海壓力模擬器，模擬了深海環(huán)境下的壓力，進(jìn)行了推進(jìn)電機(jī)用硅鋼片打壓實(shí)驗，測取了硅鋼片在不同壓力環(huán)境下磁特性的變化規(guī)律。圖7為深海打壓實(shí)驗平臺。

圖7 深海環(huán)境硅鋼片磁特性測量打壓實(shí)驗平臺

3.2 實(shí)驗測量原理

B-H曲線測量原理如圖8所示。

圖8 B-H曲線測量原理圖

磁場強(qiáng)度H計算公式：

(6)

式中：l為被測樣品的平均周長；R1是與初級線圈串聯(lián)的電阻；U1表示R1兩端的電壓。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B計算公式：

式中：C為被測樣品次級線圈串聯(lián)的電容；R2是與次級線圈串聯(lián)的電阻；U2表示C兩端的電壓。

3.3 實(shí)驗結(jié)果

圖9為深海環(huán)境下的硅鋼片磁化曲線。圖9中，橫軸為測量磁場強(qiáng)度H所對應(yīng)的U1，縱軸為測量磁感應(yīng)強(qiáng)度B所對應(yīng)的U2。從實(shí)驗結(jié)果可以看出，在壓縮應(yīng)力環(huán)境下，硅鋼片的B-H曲線會發(fā)生變化。隨著壓力的增加，硅鋼片的磁滯回線會向內(nèi)收縮，硅鋼片的相對磁導(dǎo)率隨著環(huán)境壓力的增大而降低。

圖9 硅鋼片磁化曲線

4 結(jié) 語

本文研究了電機(jī)用定子硅鋼片在深海應(yīng)力作用下的磁性能。采用有限元方法計算了深海電機(jī)定子在壓力作用下的應(yīng)力分布，并應(yīng)用應(yīng)力場-電磁場耦合方法計算了電機(jī)定子鐵心在深海應(yīng)力作用下的損耗趨勢。仿真和實(shí)驗結(jié)果表明，在深海高壓環(huán)境下，壓應(yīng)力會影響硅鋼片的磁性能。隨著壓應(yīng)力的增加，硅鋼片內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，其磁滯回線將向內(nèi)收縮，硅鋼片的磁導(dǎo)率將隨環(huán)境壓力的增加而降低，從而導(dǎo)致電機(jī)定子鐵心損耗增加。