毛政祥，黃 誠，盧 東，馮振富，周志偉

（1.江門馬丁電機科技有限公司，廣東江門 529000；2.五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020）

0 引言

水下推進形式基于其載體的整體結構特征和工作環(huán)境不同可分為為多種形式，如電機推進、液壓推進、噴射推進、仿生推進等。電機推進是以電機為驅(qū)動源，帶動螺旋槳的葉片旋轉(zhuǎn)，由水的反作用力實現(xiàn)推進［1－2］。永磁電機具有結構簡單、體積小及可靠性高等特點，在小型水下機器人中廣泛應用。根據(jù)其轉(zhuǎn)子位置，電機分為內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子電機。外轉(zhuǎn)子結構為轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)，具有定子激磁電流小，力能指標高、易于調(diào)速和節(jié)能效果好等特點，在相同體積和電參數(shù)條件下，外轉(zhuǎn)子氣隙直徑較大，比內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大、散熱好、節(jié)省銅線、效率和輸出功率高等［3－4］。

文獻［5－8］分別對直驅(qū)風機葉輪的外轉(zhuǎn)子電機、電動汽車輪轂電機、帶式輸送機直驅(qū)電機電磁、齒槽轉(zhuǎn)矩、定轉(zhuǎn)子氣隙磁場、輸出轉(zhuǎn)矩與徑向力波、電機溫升等進行了分析研究，不同程度地提高了電機的使用性能。

本文設計了一款外轉(zhuǎn)子結構的MD－W5040 水下推進器電機，分析了其結構特點，并采用ANSYS Maxwell 對其負載工況下的磁特性、電機穩(wěn)態(tài)負載下的磁熱耦合場進行了分析，得到電機各部件在穩(wěn)態(tài)負載下的溫度，對電機設計合理性進行了驗證，最后對試制的電機物理樣機進行了測試分析。

1 水下推進器電機結構設計

水下推進器對電機性能要求與MT－W5040 電機主要設計參數(shù)如表1～2 所示，設計電機額定功率為250 W。整機模型與結構如圖1～2 所示。

圖1 電機整機外觀

圖2 電機剖面結構

表1 水下推進器電機性能要求

表2 MT－W5040 水下推進器電機主要參數(shù)

MD－W5040電機結構設計：（1）考慮表貼式永磁體結構緊湊、質(zhì)量輕，有較高的磁能積和磁場穩(wěn)定性，能在高溫高速運轉(zhuǎn)的環(huán)境下保持穩(wěn)定磁場強度等特點［4－5］，電機中的永磁體采用表貼式結構置于轉(zhuǎn)子內(nèi)壁；（2）轉(zhuǎn)子杯由轉(zhuǎn)軸、后端蓋、機殼組成聯(lián)為一體，其轉(zhuǎn)軸與后端蓋、后端蓋與機殼均為緊固聯(lián)接，過盈值分別為0.01～0.03 mm和0.02～0.04 mm，測試兩對配合面的脫出力分別為≥100 kg和200 kg，滿足要求；（3）定子部分設計將定子鐵心壓裝至前端蓋上，使結構更加緊湊，定子鐵心與前端蓋為過盈配合，過盈量為0.01～0.02 mm，脫出力大于或等于50 kg；（4）推進器的螺旋槳安裝在電機轉(zhuǎn)軸上，為平衡推進器產(chǎn)生的軸向力前端蓋兩端各安裝3 個軸承，有效提高軸承壽命。

2 建立模型及電磁仿真分析

2.1 建立Maxwell 2D仿真模型

采用Maxwell軟件內(nèi)置RMxpet 模塊建模。簡化軸承和繞組后，賦予定子鐵心材料為35JN300、繞組為銅、永磁體為釹鐵硼N38H，可得Maxwell 2D 模型如圖3 所示。電機網(wǎng)格劃分時先對定子和氣隙進行網(wǎng)格加密，其余部件按軟件默認網(wǎng)格來劃分，如圖4 所示。

圖3 電機仿真模

圖4 網(wǎng)格劃

2.2 負載工況下的電磁仿真分析

電機負載磁密是電機的一個重要參數(shù)，反映電機的負載能力和性能。水下推進器電機負載磁密如圖5 所示，電機定子軛部負載磁密為1.3 T 左右，永磁體處磁密約為0.78 T，低于硅鋼片飽和磁密。

圖5 負載磁密云圖

齒部最大磁密可反映電機的磁路設計是否合理，磁密過低，其輸出功率會受到影響，而磁密過高則會導致電機發(fā)熱嚴重，甚至燒毀。圖6 所示為負載時電機定子齒部磁密圖，定子齒部最大磁密低于1.6 T。

圖6 負載定子齒部磁密

電機負載輸出轉(zhuǎn)矩可以用來衡量電機的工作能力和適用范圍。水下推進器電機負載輸出轉(zhuǎn)矩如圖7 所示，電機零轉(zhuǎn)矩啟動，仿真運行1.25 ms 后趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩平均值達到0.8 N·m，峰值為0.87 N·m，表明電機負載時平滑性能較好。

圖7 負載電機輸出轉(zhuǎn)矩

3 電機電磁－熱耦合仿真分析

3.1 建立Fluent溫度場3D仿真模型

對于永磁電機，永磁體溫升直接影響電機的電磁性能，過高的溫升甚至會引起永磁體的不可逆退磁，縮短使用壽命。永磁電機定子繞組中電流較大，導致定子繞組銅耗較大，從而使繞組溫升較高［7，9］。電機負載時穩(wěn)態(tài)運行所產(chǎn)生的溫升大小可判斷電機設計的合理性，減少或避免電機由于高溫而造成的損壞和故障，以及實際負載運行時永磁體溫度而導致永磁體退磁，確保電機工作性能與使用壽命。本文通過求出電機在負載時的損耗，將這些損耗以熱源的形式加載至Fluent流體場模塊中進行磁熱耦合分析，計算電機穩(wěn)態(tài)負載溫度［10－11］。

溫度場仿真分析時只關注與溫度相關的物理特性，Workbench軟件可準確地估計導熱系數(shù)、比熱容等物理參數(shù)，其中一部分可能具備固有的特征，而另一部分卻很難準確測量，因此只能依靠經(jīng)驗公式來計算。對電機模型的材料屬性設置在Engineering Data 模塊中進行，在該模塊中可自由地設置材料物理屬性，表2 所示為電機材料的屬性值。

表2 水下推進器電機主要參數(shù)

簡化后的溫度分析模型如圖8 所示，將模型導入SpaceClaim中，完成轉(zhuǎn)子機殼和永磁體，定子繞組和空氣、繞組和定子鐵心等接觸面的設定，接觸條件設置為軟件自帶的Banded 條件，各個部件采用手動網(wǎng)格剖分。劃分網(wǎng)格后的模型如圖9 所示。

圖8 溫度場分析模型

圖9 劃分網(wǎng)格后的模型

3.2 負載損耗求解

當電流流向繞組時使電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導致繞組發(fā)熱。此外，繞組的銅線在傳輸電流的過程中也會產(chǎn)生一定的電磁場使銅線發(fā)熱。電機定子繞組銅損曲線如圖10 所示，分析表明，電機銅耗1.25 ms 時趨于穩(wěn)定，平均值為10.73 W，穩(wěn)定后損耗曲線呈規(guī)律性脈沖狀。

圖10 負載銅損

電機負載鐵損是指電機運行的電磁感應作用，使鐵心發(fā)生磁化和消磁的過程，產(chǎn)生的能量損耗，水下推進器電機鐵損曲線如圖11所示，波形呈周期性變化，均值為9.85 W。

圖11 負載鐵損

受永磁電機轉(zhuǎn)子體積和散熱的限制，渦流損耗引起的溫升會導致永磁體退磁或失磁，降低了電機運行的安全性與可靠性［12］。圖12 所示為永磁體渦流損耗計算結果，損耗均值為1.27 W，永磁體隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，永磁體經(jīng)過定子鐵心齒部時峰值為4 W。

圖12 負載渦流損耗

3.3 電機穩(wěn)態(tài)負載溫度分析

在完成電機材料的熱傳導和邊界條件的設置、等效處理和熱源導入后可得溫度云圖，如圖13～16 所示。

圖13 定子鐵心溫度

圖13 所示為穩(wěn)態(tài)負載時定子鐵心溫度云圖，鐵心溫度在127～128 ℃，定子軛部溫度為127 ℃，最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在定子與繞組接觸的部分，繞組銅線纏繞在定子鐵心上，定子鐵心本身也存在渦流損耗，也是發(fā)熱源。圖14 所示為定子繞組在穩(wěn)態(tài)負載時的溫度。負載時，繞組銅線電流增大，銅損也增加，而渦流損耗相對較小，銅損耗比渦流損耗大。分析可知，電機的最高溫度為128 ℃，集中與定子鐵心包裹處。

圖14 定子繞組溫度

圖15 所示為電機穩(wěn)態(tài)負載運行時永磁體的溫度。工作時永磁體所處的磁場中會產(chǎn)生渦流會導致永磁體發(fā)熱［13－15］。仿真結果顯示永磁體在負載運行時最高溫度約為102 ℃，低于釹鐵硼N38H的退磁溫度120 ℃。轉(zhuǎn)子機殼處于電機最外面，約為95 ℃，如圖16 所示。同時，考慮電機在水下工作時，水會從轉(zhuǎn)、定子之間的縫隙進入電機內(nèi)部，可進一步降低電機工作時產(chǎn)生的溫升。綜上，定子、繞組、轉(zhuǎn)子和永磁體的最高溫度均低于130 ℃，滿足表3所示的電機結構中絕緣結構的耐熱B級溫度要求。

圖15 永磁體溫度

圖16 轉(zhuǎn)子溫度

表3 常見電機和電機結構中絕緣結構的耐熱等級

4 性能測試與分析

測試目的：驗證W5040 水下推進器電機加載結果是否滿足表1 所示水下推進器電機性能要求。

測試裝置：MD－1 電機綜合測試裝置，該裝置配有數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如圖17 所示。

圖17 W5040水下推進器電機測試

測試按照GB／T 7345—2008《控制電機基本技術要求》、GB／T 21418—2008《永磁無刷電動機系統(tǒng)通用技術條件》和企業(yè)檢測標準執(zhí)行［4－5］。對編號為1、2、3的物理樣機分別進行3次測試后，取均值如表4所示。結果表明，對電機施加額定電壓、電流時，電機轉(zhuǎn)速、扭矩，以及電機效率均滿足表1中水下推進器對電機的性能要求。

表4 W5040 水下推進器電機性能測試結果

5 結束語

（1）本文設計了一款12 槽14 極、250 W 的外轉(zhuǎn)子水下推進器直流永磁電機，分析了其結構特點。

（2）建立了電機仿真分析模型，計算了電機的磁場磁密、輸出轉(zhuǎn)矩、負載損耗等，并將損耗作為熱源在Fluent進行了電機在穩(wěn)態(tài)負載下的溫度計算，驗證了該電機模型設計的合理性。

（3）對試制的電機物理樣機進行了測試分析，結果表明在額定電壓、電流時，電機轉(zhuǎn)速為3 078 r／min，輸出功率為258 W，扭矩為0.8 N·m，效率為78.8%，滿足水下推進器對驅(qū)動電機的性能要求。