中圖分類號(hào)：U664.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Structural Optimization Technology of RimDriven ThrusterMotors

LIU Xiangming， QIU Xiangyao（GuangzhouHGMarineCO.，LTD.，Guangzhou511495，China）

Abstract： Therimthruster adopts the integrated motor technology， which is greatlydiferent fromthe traditional motor.Inthis paper，ANSYS Maxwellfinite element method is used to studythe infuence of thredesign parameters of permanent magnet motor structure，namely，stator slot width，electrode arccoefficient and centrifugal height on the performance of tooth pitch torque.The response surface method is creatively proposed to significantly reduce the tooth pitch torque and torque pulsation，optimize the stability of permanent magnet motor torque and effectively improve the efficiency of rim motor.

Key words： rim driven thruster; permanent magnet motor; cogging torque; motor efficiency

1 引言

輪緣式推進(jìn)器系指采用集成電機(jī)技術(shù)，取消傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)軸系，將輪緣驅(qū)動(dòng)電機(jī)與螺旋槳、軸承等部件進(jìn)行集成一體化設(shè)計(jì)制造的推進(jìn)裝置。它以電力驅(qū)動(dòng)輪緣電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子，通過(guò)軸承將轉(zhuǎn)子上螺旋槳產(chǎn)生的推力傳導(dǎo)至船體，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)。

輪緣式推進(jìn)器取代傳統(tǒng)有軸系的螺旋槳推進(jìn)器，是船用推進(jìn)系統(tǒng)領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新。

輪緣式推進(jìn)器電機(jī)屬于大直徑、薄壁、高功率密度的永磁同步電機(jī)，如圖1所示。在設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)行特性上，均與傳統(tǒng)電機(jī)存在較大的差異。本文從輪緣電機(jī)的結(jié)構(gòu)入手，分析定子槽型、磁鋼形狀對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩等電機(jī)性能的影響，創(chuàng)造性地提出了響應(yīng)面法，大幅減弱了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。通過(guò)多參數(shù)優(yōu)化，有效提高了輪緣電機(jī)的效率。

2 輪緣式推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖2所示，輪緣式推進(jìn)器由機(jī)殼、定子、推力和徑向軸承、轉(zhuǎn)子、螺旋槳葉五大部件構(gòu)成：

1）電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均由絕緣、防腐蝕的材料緊密包裹，不與水接觸；

2）螺旋槳葉直接固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)圈；

3）水潤(rùn)滑推力和徑向軸承固定在定子上，支撐螺旋槳和承受推力。

3輪緣式推進(jìn)器的主要優(yōu)點(diǎn)

輪緣式推進(jìn)器集永磁電機(jī)和螺旋槳于一體，去掉了傳統(tǒng)的傳動(dòng)軸和齒輪箱，其特點(diǎn)是無(wú)齒輪、無(wú)密封、無(wú)軸系、無(wú)附體，具有高效率、低噪音、重量輕、無(wú)泄漏等優(yōu)勢(shì)，能夠大幅降低船舶的振動(dòng)和噪音，增加船舶艙容，優(yōu)化船舶線形設(shè)計(jì)，提高船舶可靠性，增加經(jīng)濟(jì)效益。

1）效率高：不需要齒輪、艉軸、變速箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，沒(méi)有傳動(dòng)效率損失；無(wú)槳轂，空泡少，且線速度高的槳葉外緣面積大，打水效率高；環(huán)形電機(jī)作為導(dǎo)管可以增加效率；槳葉前后無(wú)附體阻礙水流，因此環(huán)推的效率比傳統(tǒng)的電推進(jìn)器推進(jìn)效率高 8 % - 2 0 % 。

2）噪音低、振動(dòng)小：沒(méi)有齒輪嚙合產(chǎn)生的噪音與振動(dòng)，基本沒(méi)有機(jī)械噪音。

3）體積小重量輕，布局靈活，安裝方便：由于推進(jìn)器高度集成、零部件少，因此體積、重量比傳統(tǒng)推進(jìn)器減少 4 0 % 以上，且整體在艙外，可以節(jié)省大量船艙空間；而且推進(jìn)器不需要傳統(tǒng)推進(jìn)器的軸系連接發(fā)動(dòng)機(jī)，可以方便地布局在任何位置，且非常方便安裝。

4）槳葉無(wú)纏繞、不易損壞：無(wú)槳轂的設(shè)計(jì)，不懼水草、漁網(wǎng)等水中異物纏繞；線速度高的槳葉外緣固定在轉(zhuǎn)子上且較寬、較厚，有機(jī)殼保護(hù)，不易損壞。

5）無(wú)需密封，對(duì)水體無(wú)任何污染：電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均由絕緣、防腐蝕的材料緊密包裹，作靜態(tài)密封，不需要傳統(tǒng)推進(jìn)器的密封油，因此對(duì)水體完全無(wú)污染。

6）可靠性高：總體零部件少，且沒(méi)有齒輪、軸系等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單。

4電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響分析

電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響是復(fù)雜且多維度的，不同的參數(shù)組合決定了電機(jī)的效率、功率密度、轉(zhuǎn)矩特性、溫升、噪聲等關(guān)鍵性能指標(biāo)，通常以齒槽轉(zhuǎn)矩的型式體現(xiàn)。在輪緣式永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)上，需對(duì)磁場(chǎng)走向、磁密分布進(jìn)行研究，主要是對(duì)定子槽口寬度、極弧系數(shù)、離心高度等的影響因素進(jìn)行分析和計(jì)算。在各因素綜合影響下對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述分析，齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中必須權(quán)衡的關(guān)鍵因素，本文選擇定子槽口寬度 、極弧系數(shù) 以及離心高度h三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用AnsysMaxwell有限元法研究這些參數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律。

4.1定子槽口寬度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

定子槽口寬度的弧長(zhǎng)、弧度制與定子內(nèi)徑之間的關(guān)系如圖3，定子槽口寬度的變化會(huì)引起氣隙相對(duì)磁導(dǎo)的改變，進(jìn)而影響齒槽轉(zhuǎn)矩的大小。定子槽口寬度設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，若槽口過(guò)寬則定子齒寬度減小，引起定子齒磁通飽和而增大鐵心磁阻；過(guò)窄會(huì)導(dǎo)致定子繞組嵌線困難。

在其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，僅改變定子槽口寬度得到齒槽轉(zhuǎn)矩波形，如圖4所示。圖4a）表示在不同槽口寬度時(shí)一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩周期內(nèi)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，圖4b）為齒槽轉(zhuǎn)矩幅值隨槽口寬度的變化曲線，可以看出齒槽轉(zhuǎn)矩幅值隨著槽口寬度的增加先增大后減小，因此，可以通過(guò)適當(dāng)減小槽口寬度以削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

4.2極弧系數(shù)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

永磁體極弧系數(shù)指每極永磁體的極弧寬度在一個(gè)極距中所占的比例。改變極弧系數(shù)會(huì)引起永磁體弧長(zhǎng)的變化，從而影響氣隙中磁場(chǎng)的分布情況和氣隙磁密。極弧系數(shù)過(guò)小時(shí)，氣隙磁密降低，導(dǎo)致永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，因此，選取極弧系數(shù)的范圍在 0 . 6 ～ 0 . 9 □

在其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，僅改變極弧系數(shù)得到齒槽轉(zhuǎn)矩波形，如圖5所示。圖5a）為不同極弧系數(shù)時(shí)一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩周期內(nèi)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，圖 5 b ）為齒槽轉(zhuǎn)矩幅值隨極弧系數(shù)的變化曲線，可知隨著極弧系數(shù)的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值存在多個(gè)波峰和波谷，其中極弧系數(shù)為0.83時(shí)存在最優(yōu)極弧系數(shù)，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小。

4.3離心高度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

在原始模型中，使用內(nèi)外徑同心式永磁體結(jié)構(gòu)如圖6a）所示，永磁體內(nèi)外徑圓心均位于 o 點(diǎn)，磁極在徑向等厚，厚度均為 。通過(guò)設(shè)定離心高度，永磁體內(nèi)外徑偏心如圖6b）所示，內(nèi)圓圓心位于 o 點(diǎn)，而外圓圓心偏移至 點(diǎn)，此時(shí)磁極厚度在徑向隨位置角的變化而改變，磁極徑向厚度不再為定值，永磁體為離心式永磁體。

當(dāng)離心高度為零時(shí)永磁體為同心式，當(dāng)離心高度不為零時(shí)永磁體徑向不等厚，離心高度越大磁極兩端越薄，氣隙磁密波形越接近正弦波。本項(xiàng)目選取離心高度在 0～3 5 m m 研究永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，僅改變離心高度得到齒槽轉(zhuǎn)矩波形，如圖7所示。圖7a）為不同離心高度時(shí)一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩周期內(nèi)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，圖7b）為齒槽轉(zhuǎn)矩幅值隨離心高度的變化曲線，可以看出隨著離心高度的不斷增加，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值不斷減小。因此在設(shè)計(jì)永磁體時(shí)可以適當(dāng)增加離心高度以削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)上述單參數(shù)仿真可知，適當(dāng)減小槽口寬度、選取合適的極弧系數(shù)以及適當(dāng)增加離心高度的方法均可削弱齒槽轉(zhuǎn)矩幅值。

5 基于響應(yīng)面法的齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化

齒槽轉(zhuǎn)矩受到永磁電機(jī)眾多設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合影響，僅通過(guò)單參數(shù)優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小。為此，本項(xiàng)目采用響應(yīng)面法，該方法具有試驗(yàn)次數(shù)少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)方差分析的原理利用響應(yīng)面方法設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，開(kāi)展電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，具體步驟如圖8所示。

1）電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能多參數(shù)優(yōu)化

以有限元仿真結(jié)果作為構(gòu)建響應(yīng)面模型，以定子槽口寬度、極弧系數(shù)和離心高度為目標(biāo)參數(shù)，以齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為響應(yīng)值，選取定子槽口寬度范圍 ，極弧系數(shù)范圍0.82＼～0.84，離心高度范圍 3 4～3 6 m m ，期望齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小，響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表1。

利用最小二乘法擬合出目標(biāo)參數(shù)與響應(yīng)值之間的回歸方程，在擬合出回歸模型后還需對(duì)模型利用方差分析進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。圖9為齒槽轉(zhuǎn)矩響應(yīng)面法預(yù)測(cè)值與有限元仿真值對(duì)比，圖中直線上的點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)相等，由于各數(shù)據(jù)點(diǎn)均在直線附近分布，表明預(yù)測(cè)值與數(shù)值仿真值十分接近，表明該預(yù)測(cè)方法精度較高。

由擬合的回歸模型繪制齒槽轉(zhuǎn)矩在自標(biāo)參數(shù)兩兩交互時(shí)的響應(yīng)面圖和等高線圖，如圖10所示，圖 1 0 a ）、圖 1 0 c ）中槽口寬度與極弧系數(shù)、極弧系數(shù)與離心高度兩組參數(shù)交互時(shí)響應(yīng)面彎曲程度較大，等高線近似為橢圓，則這兩組參數(shù)間的交互作用對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響顯著；而圖 1 0 b ）中槽口寬度與離心高度交互時(shí)響應(yīng)面彎曲程度較小，等高線近似為圓，則該組參數(shù)交互作用的影響不顯著。由圖10各響應(yīng)面圖中信息總結(jié)出：齒槽轉(zhuǎn)矩隨槽口寬度的減小和離心高度的增大而減小且當(dāng)極弧系數(shù)為0.84時(shí)存在最優(yōu)極弧系數(shù)，響應(yīng)面模型擬合規(guī)律與有限元仿真規(guī)律一致。根據(jù)圖10各等高線圖中等高線的走向及顏色，可以看出離心高度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響程度最大，極弧系數(shù)次之，槽口寬度的影響程度最小。

以齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小作為優(yōu)化自標(biāo)，結(jié)合圖10得到基于響應(yīng)面法的最優(yōu)目標(biāo)參數(shù)組合：槽口寬度 2 m m ！極弧系數(shù)0.84、離心高度 ，齒槽轉(zhuǎn)矩最優(yōu)解為 3 7 . 4 2 6 m N ? m 。根據(jù)DesignExpert軟件確定的最優(yōu)參數(shù)組合，在Maxwell中建立電機(jī)模型，經(jīng)有限元計(jì)算齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為 3 7 . 5 0 m N? m ，齒槽轉(zhuǎn)矩的Ansys計(jì)算值與響應(yīng)面法預(yù)測(cè)值之間的誤差僅為 0 . 1 9 8 % 。

2）電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能對(duì)比

如表2所示，將原電機(jī)模型、單參數(shù)優(yōu)化模型以及多參數(shù)優(yōu)化模型的目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行比較，分別在Ansys中建模計(jì)算并得出結(jié)果。

三種模型的齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比情況如圖11所示。經(jīng)計(jì)算，單參數(shù)優(yōu)化模型與原模型相比齒槽轉(zhuǎn)矩減小了 4 3 . 6 1 % ，電磁轉(zhuǎn)矩減小 7 . 1 0 % ，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大 1 . 4 2 % ；多參數(shù)優(yōu)化模型與原模型相比齒槽轉(zhuǎn)矩減小4 8 . 9 6 % ，電磁轉(zhuǎn)矩減小 6 . 0 8 % ，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小 6 . 0 4 % 。綜上分析，兩種優(yōu)化模型與原模型相比都損失了部分電磁轉(zhuǎn)矩且大幅削弱了齒槽轉(zhuǎn)矩，但是單參數(shù)優(yōu)化模型增加了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，而多參數(shù)優(yōu)化模型的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)削弱，電磁轉(zhuǎn)矩的減小量也在可接受的范圍內(nèi)。因此，基于響應(yīng)面法的多參數(shù)優(yōu)化提升了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。

6 結(jié)論

與原模型相比，響應(yīng)面法優(yōu)化模型齒槽轉(zhuǎn)矩幅值由 7 3 . 4 7 m N ? m 減小到 3 7 . 5 0 m N? m ，電磁轉(zhuǎn)矩由2.96 減小到 2 . 7 8 N ? m ，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由 8 . 4 4 % 減小到 7 . 9 3 % （20與單參數(shù)優(yōu)化模型相比，響應(yīng)面法優(yōu)化模型齒槽轉(zhuǎn)矩幅值由 4 1 . 4 3 m N ? m 減小到 3 7 . 5 0 m N ? m ，電磁轉(zhuǎn)矩由2.75 增大到 2 . 7 8 N ? m ，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由 8 . 5 6 % 下降到 7 . 9 3 % 。多參數(shù)優(yōu)化模型在允許范圍內(nèi)犧牲了一部分電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力，但是，齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)均被大幅削弱，優(yōu)化了永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。通過(guò)多參數(shù)優(yōu)化，推進(jìn)永磁電機(jī)效率可達(dá)到 9 6 % ，有效提高了輪緣電機(jī)的效率。

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