雙轉子對轉軸向磁場永磁電機的設計與分析

錢 樂

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

十八大提出“提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國”[1]，發展高性能水下航行器對強化我國海洋裝備力量有重要的戰略意義。水下航行器的最大航速和最大航行時間是重要的性能指標，其在很大程度上是由水下推進電機的性能來保證。發展高性能水下推進電機已成為重點研究任務。

將兩個螺旋槳前后布置在同一軸線上，驅動兩個螺旋槳同速反向對轉，可保持被推進物體在水下或者水面上的平衡，能克服單個螺旋槳高速旋轉易造成航行器側翻的不足[2]，也能使前螺旋槳產生的渦動能量被后螺旋槳利用，用于增強水下推進系統的推進動力。對轉螺旋槳，如圖1所示，已被廣泛用于船舶推進和魚雷等水下航行器驅動。

圖1 對轉螺旋槳

對轉永磁電機拓撲主要分為兩類：徑向磁通共定子式雙轉子電機、軸向磁通共定子式雙轉子電機。

美國Wisconsin大學LIPO教授提出了一種徑向磁通共定子式雙轉子永磁電機[3]，電機的拓撲結構如圖2所示。該電機內外轉子共用一個定子，定子上布置相互獨立的兩套線圈。該電機的優勢是結構簡單、加工工藝支撐性好、制造成本低，但內、外轉子的設計較為復雜、輸出轉矩不平衡、散熱困難，其采用徑向結構，軸向長度長，結構不緊湊。因此，這種結構的電機不利于集成在水下推進系統中。

圖2 電機拓撲結構圖

軸向磁場永磁電機與傳統徑向磁場電機的區別在于其氣隙呈平面型，氣隙磁場沿軸向分布。它具有結構緊湊、軸向長度短、功率密度高、效率高、質量輕等優點，適合集成于對空間要求高的場合。

軸向磁場永磁電機的拓撲結構眾多，主要分為兩類：一類是TORUS結構的盤式電機，由n+1個轉子和n個定子組成；另一類是KAMAN結構的盤式電機，由n個轉子和n+1個定子組成[4]。如圖3所示，也可根據電機定子與轉子的數目不同，分為以下幾種拓撲結構：(a)單定子單轉子結構；(b)雙轉子單定子結構；(c)雙定子單轉子結構；(d)多盤式結構。

圖3 軸向磁場永磁電機分類

國內學者提出一種盤式對轉雙轉子單定子永磁同步電機[4]，其拓撲結構如圖4所示。電機定子位于兩個轉子中間，只采用一套交叉環繞在定子上三相繞組。兩個轉子對轉運行需要通入一組對稱三相電流，這樣在定子兩側會產生方向相反、大小相同的兩個旋轉磁場，兩個永磁轉子在旋轉磁場的作用下同步跟隨旋轉[5]。該電機保持了軸向磁場電機結構緊湊的優勢，但這種結構繞組嵌繞方式復雜，增加定子盤制作成本，定子盤需采用無齒槽結構，且定子、繞組強度不高。

圖4 交叉環形繞組對轉盤式電機

針對以上問題，本文首先提出了一種雙轉子對轉軸向磁場永磁電機拓撲，其采用軸向磁場永磁電機作為基本拓撲，以確保電機結構緊湊，易于在水下推進系統中集成；且保持定子以及繞組工藝與傳統軸向磁場永磁電機一致，減少設計難度、加工難度；最后，對提出的雙轉子對轉軸向磁場永磁電機進行有限元建模、仿真、分析，驗證其電磁設計的有效性和正確性。

1 電機的結構與原理

1.1 電機基本結構

本文的雙轉子對轉軸向磁場永磁電機采用兩個獨立的單定子單轉子軸向磁場永磁電機結合形成，如圖5所示，中間使用非導磁結構件連接，兩個獨立的定子盤對應的電樞繞組采用不同連接方式，兩側繞組相序相反，使得兩個定子盤產生同速反向的旋轉磁場，從而帶動轉子運動，形成對轉結構。

圖5 電機基本結構

由于兩個獨立的單定子單轉子的軸向磁場永磁電機之間采用非導磁材料連接，各自的磁路不會交叉耦合，磁路首先由永磁體N極發出，穿過N極處氣隙，進入定子齒，再到達定子背軛，穿過背軛后，再依次經過定子齒、S極處氣隙、S極永磁體，再通過轉子背軛回到永磁體N極形成磁通路。兩側電機磁路相互獨立，且沿非導磁結構件對稱，如圖6所示。

圖6 電機磁路示意圖

這種結構軸向尺寸小，電機結構緊湊，占用空間小，易于在對空間要求高的場合集成。電樞繞組安裝在定子上，無碳刷滑環結構，故障率低，穩定性強，適合應用在可靠性要求高的水下推進、風力發電等場合。雖然單定子單轉子軸向磁場永磁電機有單邊磁拉力的問題，但本文的電機使用非導磁材料將兩個獨立電機連接，左右兩側產生的單邊磁拉力抵消，同樣具有穩定性。

1.2 電機運行原理

軸向磁場永磁電機兩個轉子盤要形成對轉運動，需要在定子兩側氣隙產生兩個同速反向的旋轉磁場。本文的雙轉子對轉軸向磁場永磁電機兩個定子的繞線方式示意圖，如圖7所示。其中左右兩側帶有字母的方塊表示電樞繞組，假設左側繞組設置為正向，可以看出，右側繞組更換了A相和B相的嵌放位置，即實現了定子兩個繞組的相序相反。

圖7 電機繞組連接示意圖

從數學推導來分析產生旋轉磁場產生的原理。取A相繞組的軸線作為空間電角度θ的坐標原點，并選擇A相電流達到最大值的瞬間作為時間的零點，則三相繞組流過的電流分別：

(1)

式中：I為相電流；ω為電角頻率。

A、B、C三相各自磁動勢基波：

(2)

式中：Fφ1為每相磁動勢基波幅值。

進一步化簡式(2)得到：

(3)

將fA1、fB1、fC1相加，得到三相合成磁動勢：

(4)

結合圖8，易看出，在交換A、C相繞組位置后，通入三相對稱電流，可在定子兩側氣隙中產生一組轉速相同、方向相反的旋轉磁場。

圖8 同速反向旋轉磁場產生的原理

2 雙轉子對轉軸向磁場永磁電機的設計

電機的尺寸方程是電機設計初期確定關鍵參數的重要依據。本文的雙轉子對轉軸向磁場永磁電機結構拆分為兩個單定子單轉子軸向磁場永磁電機單元，完成每個電機單元的設計，將繞組正確連接，再將兩個電機使用非導磁材料固定在一起。

忽略電樞繞組銅耗，電機的輸出功率P可以表示[6]：

(5)

式中：η為電機的效率；m為電機的相數；T為電機的電周期；e(t)為相反電動勢；i(t)為相電流；Epk和Ipk分別為相反電動勢和相電流幅值。kp為電功率波形系數，定義：

(6)

式中：fe(t)=e(t)/Epk；fi(t)=i(t)/Ipk。

相反電動勢幅值可以表示：

(7)

式中：Ke為電機繞組系數；f為電機頻率；αp為極弧系數；Bg為氣隙磁密；Ns為相繞組匝數；Do和Di分別為電機外徑和內徑。

軸向磁場電機的電負荷可以表示[7]：

(8)

式中：Da為定子鐵心內外徑平均值。

相電流峰值可以表示：

(9)

將各式整合代入，可得電機輸出功率表達式：

(10)

本文研究的雙轉子對轉軸向磁場永磁電機用于水下航行器的驅動，額定轉速設計為800 r/min，對應輸出為90 N·m，結合需求以及尺寸方程，確定電機基本尺寸；本文電機選用10極12槽的結構。電機基本尺寸參數如表1所示。

表1 電機主要尺寸和電機參數

3 雙轉子對轉軸向磁場永磁電機的有限元分析

3.1 電機本體三維有限元建模

本文的雙轉子對轉軸向磁場永磁電機磁場較為立體、復雜，只能借助三維電磁場對其進行分析。

電機的有限元模型與網格剖分如圖9所示。三維有限元模型計算時間較長，為提高計算效率，由于電機結構的對稱性，滿足周期性邊界條件，取電機1/2模型進行計算。

圖9 三維有限元模型

3.2 有限元計算結果分析

圖10為選取本文的雙轉子對轉軸向磁場永磁電機一個電周期中三個時間點得到的磁密云圖。平均半徑處的兩側氣隙磁密具有較好的對稱性，如圖11所示，且氣隙磁密幅值接近1 T。

圖10 磁密云圖

圖11 定子兩側氣隙磁密

圖12、圖13分別為電機空載情況下的磁鏈以及反電動勢波形。反電動勢波形的幅值在80 V左右。

圖12 磁鏈波形

圖13 反電動勢波形

圖14為兩個轉子的轉矩波形，采用id=0控制，此時給定有效值為100 A的三相對稱正弦電流。從圖14中可以看出，兩個轉子轉矩方向相反，大小相等，與前文分析的同速反向旋轉磁場帶動兩個轉子對轉的結論一致。

圖14 轉矩波形

4 結 語

本文描述了目前發展水下航行推進器的重要意義以及對轉螺旋槳在水下推進領域的重要地位，對目前對轉電機的發展進行了概述，針對現有對轉電機在水下推進器中集成的瓶頸，提出一種雙轉子對轉軸向磁場永磁電機拓撲結構。它采用兩個獨立單定子單轉子軸向磁場永磁電機連接在一起，具有軸向尺寸小、結構緊湊、占用空間小、易于在對空間要求高的場合集成。電樞繞組安裝在定子上，無碳刷滑環結構，故障率低，穩定性強，左右兩側產生的單邊磁拉力抵消，可靠性高。

分析了尺寸方程對電機設計的重要意義，并對電機的結構尺寸方程進行了相應的數學推導，確定了電機的基本結構尺寸參數關系。

對本文的電機進行三維有限元仿真，對氣隙磁密、磁鏈、反電動勢、轉矩進行計算，結果與理論分析具有較好的一致性，同時也體現本電機良好的性能。

因此，本文的電機為軸向磁場永磁電機在水下航行器中的應用提供新思路，在水下推進系統中具有較大應用前景和價值。