永磁容錯(cuò)輪緣推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

馬 瑞，朱景偉，徐曉輝

(大連海事大學(xué)，大連 116026)

0 引 言

隨著海上貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，船舶噸位越來(lái)越大，推進(jìn)器功率也隨之增大，伴隨而來(lái)的是越來(lái)越大的推進(jìn)軸系，擠占了船舶空間，增加了船舶噪聲。因此出現(xiàn)了吊艙推進(jìn)器，但吊艙推進(jìn)器不易維護(hù)，降低了船舶壽命。輪緣推進(jìn)電機(jī)是一種新式吊艙推進(jìn)器，應(yīng)用集成化思想將電機(jī)與螺旋槳一體化設(shè)計(jì)[1]，易于安裝維護(hù)。2015年在上海國(guó)際海事博覽會(huì)上，德國(guó)Vioth公司和英國(guó)Rolls-Royce公司分別展出了1 000 kW和1 600 kW的輪緣推進(jìn)電機(jī)[2]。

目前，輪緣推進(jìn)電機(jī)內(nèi)置集成電機(jī)，主要為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)[3-5]，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn)；而傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)雖然克服了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，但是無(wú)故障容錯(cuò)能力。由于輪緣推進(jìn)電機(jī)浸沒(méi)于水下，在水下長(zhǎng)期工作，當(dāng)電機(jī)繞組發(fā)生開(kāi)路、短路等電氣故障時(shí)，船舶將失去推進(jìn)動(dòng)力。永磁容錯(cuò)電機(jī)既具有永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有故障容錯(cuò)能力。因此，本文將對(duì)集成電機(jī)推進(jìn)器用永磁容錯(cuò)輪緣推進(jìn)電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱FTPM-RDM)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 FTPM-RDM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

FTPM-RDM結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺旋槳焊接在轉(zhuǎn)子環(huán)內(nèi)側(cè)，定子安裝在導(dǎo)管中，定、轉(zhuǎn)子之間通過(guò)水潤(rùn)滑軸承傳遞徑向、軸向推力。為了減小推進(jìn)電機(jī)體積并滿足螺旋槳尺寸，定轉(zhuǎn)子軛部較薄，因此電機(jī)磁極僅能采用表貼式結(jié)構(gòu)。由于水下環(huán)境復(fù)雜，具有極強(qiáng)的腐蝕能力，永磁體由樹(shù)脂等防腐材料包裹，磁極外有一層保護(hù)套筒，用來(lái)固定和保護(hù)磁極[6-7]。

圖1 FTPM-RDM結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到保護(hù)材料厚度，F(xiàn)TPM-RDM相較于傳統(tǒng)永磁電機(jī)，氣隙擴(kuò)大2～3倍[8]。為了避免大氣隙對(duì)推進(jìn)電機(jī)的影響，降低定、轉(zhuǎn)子軛部磁負(fù)荷，往往采用非常規(guī)的多磁極方案。此外螺旋槳帶動(dòng)水流進(jìn)入大氣隙，帶走了定子繞組產(chǎn)生的熱量，因此推進(jìn)電機(jī)可以具有較高的電流密度[9]。

FTPM-RDM采用集中式定子繞組，電樞齒與隔離齒交替排列，繞組繞制在電樞齒上，每相繞組間有隔離齒，繞組所產(chǎn)生熱量通過(guò)定子表面?zhèn)鬟f到海水中，每相繞組由獨(dú)立的H橋供電，實(shí)現(xiàn)了物理、磁、熱、電氣的隔離[10]。同時(shí)，通過(guò)增大槽口漏感，使得 FTPM-RDM具有大電感來(lái)抑制短路電流。FTPM-RDM可以有效地隔離故障相。

2 FTPM-RDM主要參數(shù)選擇

本文設(shè)計(jì)的FTPM-RDM主要參數(shù)如下：額定功率1.5kW，直流母線電壓170V，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，額定轉(zhuǎn)矩23.87 N·m，短路電流不大于額定電流的1.3倍，齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩的1%。

2.1 FTPM-RDM相數(shù)選擇

為了提高電機(jī)冗余程度，F(xiàn)TPM-RDM往往采用多相設(shè)計(jì)方案。電機(jī)槽數(shù)為2km，m為電機(jī)相數(shù)，k為正整數(shù)。在僅考慮永磁體激磁效應(yīng)的情況下，任何相數(shù)的FTPM-RDM內(nèi)的磁力線以及徑向磁密都是對(duì)稱分布的，即每隔180°機(jī)械角度氣隙磁密幅值相等。在僅考慮電樞繞組激磁并采用相位差為360°/m電角度的正弦波供電時(shí)，2km槽FTPM-RDM在k為偶數(shù)時(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，每180°機(jī)械角度對(duì)應(yīng)相同相，氣隙徑向磁密對(duì)稱分布；在k為奇數(shù)時(shí)，氣隙徑向磁密對(duì)稱性與2m槽FTPM-RDM相同。2m槽FTPM-RDM中的氣隙徑向磁密如圖2所示。由圖2可知，在k為奇數(shù)時(shí)，只有偶數(shù)相FTPM-RDM的氣隙徑向磁密是對(duì)稱分布的。綜上所述，同時(shí)考慮永磁體激磁和電樞繞組激磁，km為偶數(shù)時(shí)氣隙徑向磁密對(duì)稱分布，徑向磁拉力平衡。

(a) 3相6槽

(b) 4相8槽

(c) 5相10槽

(d) 6相12槽

相數(shù)越多，F(xiàn)TPM-RDM的冗余能力越強(qiáng)，但增加相數(shù)需要增加控制器數(shù)量，意味著更高的控制成本。綜合考慮電機(jī)噪聲、冗余能力以及控制成本，本文選擇使用6相FTPM-RDM，即m=6。

2.2 FTPM-RDM極槽數(shù)選擇

由于FTPM-RDM采用集中繞組，其短距系數(shù)為1，則2km槽FTPM-RDM繞組系數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：kwn為第n次諧波的繞組系數(shù)。

根據(jù)電機(jī)運(yùn)行原理，僅有n=p次諧波，p為極對(duì)數(shù)，能夠與永磁體作用產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。

2km槽6相FTPM-RDM定子繞組正繞連接，每?jī)蓚€(gè)相鄰?fù)嗬@組n次諧波磁動(dòng)勢(shì)相位相差360°·n/k電角度，所以除了k的整數(shù)倍次諧波，其它次諧波相互抵消。

FTPM-RDM采用6相對(duì)稱繞組，可能產(chǎn)生k，k(6a±1)次諧波(a=1，2，3，…)[11]。

繞組磁動(dòng)勢(shì)總諧波含量THD定義如下：

(2)

式中：kwn為第n次諧波的繞組系數(shù);p為極對(duì)數(shù)，p次諧波為基波。則6相2km槽FTPM-RDM不同極對(duì)數(shù)下的基波繞組系數(shù)kw1及總諧波含量THD如表1所示。

表1 6相2km槽FTPM-RDM不同極對(duì)數(shù)下基波繞組系數(shù)及總諧波含量

為了獲得較大的基波繞組系數(shù)以及減少氣隙磁動(dòng)勢(shì)的諧波含量，6相FTPM-RDM選擇5k對(duì)極，考慮到FTPM-RDM多磁極結(jié)構(gòu)，本文選擇48槽40極方案，即k=4，p=20。

2.3 FTPM-RDM影響繞組自感的主要參數(shù)

FTPM-RDM在其它參數(shù)不變的情況下，利用有限元仿真，得到繞組自感，隨槽口寬度bs0和槽口厚度hs0變化曲面，如圖3所示。

圖3 繞組自感隨槽口寬度和槽口厚度變化曲面

由圖3可見(jiàn)，減小槽口寬度，增加槽口厚度，可以增加繞組自感。由于工程上對(duì)槽口寬度和槽口厚度限制較多，因此需要研究其它可能對(duì)繞組自感造成影響的參數(shù)。

2km槽FTPM-RDM每槽導(dǎo)體數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

式中：nt為每槽導(dǎo)體數(shù)；E0為空載反電動(dòng)勢(shì)；nN為額定轉(zhuǎn)速；φm為每極氣隙基波總磁通。

則每極氣隙基波總磁通計(jì)算公式如下：

(4)

式中：bδ1m為基波氣隙磁密幅值；Da為定子內(nèi)徑；leff為定子軸向長(zhǎng)度，定子內(nèi)徑選定后通常不變。

已知槽口漏感簡(jiǎn)化計(jì)算公式[12]：

(5)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率。

假設(shè)leff減小為1/k，維持空載反電動(dòng)勢(shì)恒定，由式(3)、式(4)可知，每槽導(dǎo)體數(shù)變?yōu)樵瓉?lái)的k倍；由式(5)可知，若其它參數(shù)不變，則Ls0σ變?yōu)樵瓉?lái)的k倍。可以通過(guò)降低軸向長(zhǎng)度來(lái)增加槽口漏感，從而增加繞組自感。可見(jiàn)，F(xiàn)TPM-RDM的大電感可以通過(guò)降低槽口寬度，增加槽口厚度，降低軸向長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)具體表現(xiàn)為深而窄的槽口，外形扁平。

3 有限元仿真分析

根據(jù)上述參數(shù)選擇原則，F(xiàn)TPM-RDM主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 FTPM-RDM結(jié)構(gòu)參數(shù)

FTPM-RDM通過(guò)改變表貼式永磁體離心高度來(lái)優(yōu)化性能，仿真分析最優(yōu)離心高度為84mm。由于螺旋槳一般采用不導(dǎo)磁材料，故沒(méi)有在模型中考慮。而集中式繞組電機(jī)端部較短，端部效應(yīng)可以忽略，因此僅建立二維仿真模型。

3.1 FTPM-RDM磁密分布

優(yōu)化后FTPM-RDM空載磁密分布如圖4所示，軛部磁密小于1.61T，齒部磁密小于1.3T，鐵心不飽和，滿足約束條件。

圖4 FTPM-RDM空載磁密分布圖

3.2 FTPM-RDM空載反電動(dòng)勢(shì)與齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

優(yōu)化后空載反電動(dòng)勢(shì)E0如圖5所示，波形近似正弦分布，其有效值為90.8V，滿足設(shè)計(jì)要求。引入離心高度對(duì)永磁體進(jìn)行優(yōu)化，空載反電動(dòng)勢(shì)諧波畸變率由6.88%降低到0.85%。

圖5 空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖

一般集中繞組的齒槽轉(zhuǎn)矩Tcog脈動(dòng)較小，不需要斜槽等特殊方式來(lái)減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[14]。FTPM-RDM齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)如圖6所示，優(yōu)化后齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于額定轉(zhuǎn)矩的1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形圖

3.3 FTPM-RDM繞組電感與容錯(cuò)能力

FTPM-RDM繞組電感L如圖7所示，F(xiàn)TPM-RDM的自感為20.2mH，繞組互感值約為自感值的1%，可見(jiàn)FTPM-RDM具有極其良好的磁隔離能力。

圖7 繞組電感波形圖

采用電流滯環(huán)控制策略，額定負(fù)載時(shí)電流I如圖8所示，有效值為2.8A，A相短路時(shí)短路電流Is如圖9所示，有效值為3.54A。短路電流小于額定電流的1.3倍，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 額定電流波形圖

圖9 短路電流波形圖

短路電流通過(guò)互感在正常相感應(yīng)出電壓Eg，對(duì)正常相造成影響，A相短路時(shí)短路電流在其它相感應(yīng)出的電壓如圖10所示。感應(yīng)電壓很小，F(xiàn)TPM-RDM能夠隔離故障相。

圖10 短路電流感應(yīng)出的電壓波形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種新型FTPM-RDM結(jié)構(gòu)，確定了FTPM-RDM主要參數(shù)的選取原則。該電機(jī)的主要特點(diǎn)是電機(jī)外形扁平，采用單層集中式隔離繞組和深而窄的槽口結(jié)構(gòu)。本文分析了FTPM-RDM主要參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。有限元仿真結(jié)果表明，該電機(jī)具有故障容錯(cuò)能力，并能夠有效抑制繞組的短路電流。FTPM-RDM可用于對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)可靠性要求高的水下航行器中。