基于Ansoft Maxwell的水下無人航行器雙體對轉電機建模與仿真

張明，周俊，查智，曾明

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

基于Ansoft Maxwell的水下無人航行器雙體對轉電機建模與仿真

張明，周俊，查智，曾明

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

雙體對轉電機在艦船等對轉推進系統中有著廣泛的應用前景。本文運用Ansoft Maxwell 2D軟件建立了雙體對轉電機的有限元模型，在雙體對轉電機有限元模型瞬態仿真的基礎上對有限元結果進行了分析和討論，證明了雙體對轉電機有限元建模以及分析計算的正確性，為水下無人航行器（UUV）推進系統的研發和設計提供了理論參考。

UUV 雙體對轉電機 有限元 Maxwell

0 引言

目前，水下無人航行器（UUV）在海洋探索研究以及國防等領域中正發揮著越來越重要的作用，水下無人航行器（UUV）航行過程中需要消除陀螺效應，以穩定航行姿態，因此較多的水下無人航行器（UUV）采用對轉螺旋槳推進系統[2]。對轉螺旋槳推進系統主要有三種實現方式：單軸電機通過行星齒輪轉換為雙機械輸出、定子轉子對轉產生雙機械輸出、雙體對轉電機產生雙機械輸出。其中，行星齒輪結構復雜、效率較低；定子轉子對轉的電機結構較為復雜，且無法完全消除陀螺效應；雙體對轉電機增加了1個電機，但提高了螺旋槳的推進功率，結構也不復雜，另外，2個電機獨立運行，互為熱備份。

雙體對轉電機由前后兩臺同軸無刷直流電機組成，兩臺電機同軸安裝于機殼內部，前端電機轉軸部分為中空，作為雙體對轉電機的外軸，用于安裝對轉螺旋槳后槳；后端電機轉軸通過前端電機中空軸，作為雙體對轉電機的內軸，用于安裝對轉螺旋槳前槳。雙體對轉電機結構示意圖如圖1所示。

1 雙體對轉電機有限元模型的建立

1.1 基本假設

1) 采用二維場模擬實際磁場；選取直角坐標系和國際單位制。2) 對定子槽口、定子扇形片的圓角及磁極沖片部分圓角、倒角等細微之處作近似處理。3) 忽略端部效應，磁場沿軸向均勻分布。4) 電機外部磁場所占分量甚小，可以忽略。定子外表面圓周為零矢位面。5) 不計交變磁場在導電材料中如定子繞組、鐵芯沖片及機座中的渦流反應。

1.2 雙體對轉電機幾何模型的生成

建立電機有限元模型的常用方法有兩種：一是利用Autocad或者Solidworks等繪圖軟件繪制出電機的幾何圖形，然后導入到Maxwell 2D；二是利用RMxprt獲得電機的精確模型，然后再導入Maxwell 2D進行FEA計算。本文采用的是第二種方法，得到的雙體對轉電機2D有限元模型如圖2所示。

本文中雙體對轉電機樣機整體采用6槽4極結構，使用分數槽集中繞組方案。電機定子鐵芯以及轉子鐵芯均采用川崎35JNE250矽鋼片，樣機的主要參數如表1所示。

1.3 雙體對轉電機驅動電路模型

該雙體對轉電機樣機采用的是無刷直流電機方案，因而需要采用逆變器作為激勵源。對逆變器的建模，方法之一就是調用Ansoft Maxwell Circuit Editor提供的壓控開關(Voltage Controlled Switch)模塊和Diode模塊，按照實際電路驅動系統的拓撲結構進行連接，即可很方便地搭建出三相全橋逆變電路，逆變器根據開關管觸發邏輯模塊提供的信號，順序導通和關斷，產生方波電流輸出。另外，樣機是由前后兩臺同軸安裝無刷直流電機組成，所以本文需要采用兩套獨立的逆變電路對其供電。雙體對轉電機場路耦合示意圖如圖3所示。

2 雙體對轉電機仿真結果分析

樣機在額定情況下，即在母線電壓為72 VDC、負載轉矩為18 N.m的情況下進行了有限元分析計算，結果如圖4～圖9所示，其中圖4為樣機在額定工況下磁感應強度分布圖，圖5為樣機在額定工況下矢量磁感應強度分布圖，圖6為樣機在額定負載下相電壓曲線，圖7為樣機在額定負載下相電流曲線，圖8為樣機在額定負載下轉矩曲線，圖9為樣機在額定負載下轉速曲線。

電機樣機額定工況下的有限元仿真結果顯示，樣機磁場分布較為合理，無磁路飽和現象，如圖4、圖5所示；樣機相反電勢和相電流曲線如圖6、圖7所示，相電壓幅值為45 V，相電流穩定后有效值為12.5561 A；由于樣機為雙體結構，且獨立控制，電機額定負載啟動后，雙體對轉電機內外軸均可以很快進入穩態，穩定后的轉速大小約為±747 rpm（方向定義：軸視，順時針為內軸正向、外軸負向，逆時針為內軸負向、外軸正向，下同），如圖9所示，與理想額定轉速有0.6%的誤差，屬于正常情況。

3 樣機的實驗測試

上文對雙體對轉電機進行了FEA建模和分析計算，為了對雙體對轉電機模型和仿真結果作進一步的驗證，進行了樣機的實驗測試。樣機在額定工況下的實測轉速為±732 rpm，相電流和線電壓如圖10和圖11所示，其中圖10為樣機相電流穩態波形，電流大小為13.6 A；圖11為樣機線電壓穩態波形，其最大值約為72 V。

對比可見，雙體對轉電機樣機實測數據與有限元仿真結果有一定差距，雙體對轉電機仿真結果額定轉速為±747 rpm、相電流為12.5561 A、相電壓為45 V，實測結果則為轉速±732 rpm、相電流13.6 A、線電壓72 V，其中相電壓、線電壓之間由于存在換算關系，可以認為基本一致，而轉速和電流結果差異較大。經過分析，實測轉速偏低、實測電流偏大原因可能有兩點：一方面，樣機是原理樣機，加工及裝配精度較低，加大了整機損耗；另一方面，在實際測試中，負載不穩定，可能略大于要求的18 N.m額定負載值。

4 結論

本文分析了水下無人航行器（UUV）推進用雙體對轉電機結構的特點，建立了Ansoft Maxwell 2D環境下的雙體對轉電機有限元模型，并運用Ansoft Maxwell 2D軟件對雙體對轉電機進行了瞬態有限元分析計算。本文所建立的有限元模型能夠較好地模擬真實雙體對轉電機的各種特性，仿真結果與理論分析一致，該仿真模型為進一步研究雙體對轉推進電機的控制策略和運行特性打下了基礎。

[4] 張林森. 推進用永磁對轉無刷直流電機的MATLAB仿真. 電機與控制應用[J]，2010.

[5] 李燕. 對轉永磁同步推進電機的Matlab建模與仿真.微電機[J]，2011.

[6] 李宏. 采用PMBLDC的AUV對轉螺旋槳推進系統建模與仿真. 系統仿真學報，2007.

Modeling and Simulation of Dual Contra-rotating Motors for UUV By Using Ansoft Maxwell 2D

Zhang Ming，Zhou Jun，Zha Zhi，Zeng Ming
（The 710th Research Institute，Yichang 443003, Hubei, China）

Dual contra-rotating motors have extensive application foreground in the propelling system of warship etc. The FEA model of double body contra-rotating motor is established by Ansoft in Maxwell 2D, and the FEA results prove the validity of the FEA model and computation, which provides the theory references for the development and design of the underwater unmanned vehicle (UUV).

UUV；dualcontra-rotating motors；FEA；Maxwell

TM351

A

1003-4862（2014）03-0033-03

2013-09-22

張明(1986-),男，工程師。研究方向：電機工程。