一種新型水下推進用雙轉(zhuǎn)子永磁電機及其研究現(xiàn)狀

張林森1, 徐海珠2, 王松林1, 張江平3

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一種新型水下推進用雙轉(zhuǎn)子永磁電機及其研究現(xiàn)狀

張林森, 徐海珠, 王松林, 張江平

(1. 海軍工程大學(xué)兵器工程系, 湖北武漢, 430033; 2. 海軍裝備研究院, 北京, 100161; 3. 海軍工程大學(xué)科研部, 湖北武漢, 430033)

為進一步提高電機的效率和功率密度, 介紹了一種中間定子、內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子形式的新型對轉(zhuǎn)永磁電機, 詳述了這種新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的起源和演變, 梳理了當(dāng)前國內(nèi)外對其的研究現(xiàn)狀, 從提高電機轉(zhuǎn)矩密度、電機效率、機械穩(wěn)定性、散熱效果，改良定子繞組布置等方面分析了其主要優(yōu)勢, 最后對這種新型電機的研究難點進行歸納總結(jié), 認(rèn)為電磁耦合和轉(zhuǎn)子同步問題應(yīng)是其研究中的最大難點, 為進一步深入研究新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機提供參考。

水下推進; 永磁電機; 雙轉(zhuǎn)子; 對轉(zhuǎn)

0 引言

目前國內(nèi)外水下推進用電機主要采用2種結(jié)構(gòu)形式: 一種是由單轉(zhuǎn)電機通過減速差速器將1個機械端口裂變?yōu)?個機械端口, 其傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜; 二是使傳統(tǒng)單轉(zhuǎn)電機的定子(即磁系統(tǒng))旋轉(zhuǎn)起來, 形成雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以輸出機械功率, 從而驅(qū)動對轉(zhuǎn)螺旋槳旋轉(zhuǎn)。為了進一步提高電機的效率和功率密度, 國內(nèi)外學(xué)者一方面對現(xiàn)有電機不斷優(yōu)化, 一方面不斷提出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。近年來, 有學(xué)者提出了一種中間定子、內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子形式的對轉(zhuǎn)永磁電機(以下簡稱為新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機)的新型電機拓?fù)? 這種電機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中: 部件2為定子, 為電機的電氣輸入端口; 部件1和部件3是2個獨立的機械功率輸出端口(即內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子)。這種電機效率高、比功率大, 非常適合作為水下航行器用推進電機。因此, 這種電機一經(jīng)出現(xiàn), 就引起了國內(nèi)外研究者的關(guān)注, 成為研究熱點。本文在廣泛參閱國內(nèi)外各種文獻的基礎(chǔ)上, 介紹這種新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的起源及演變、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其特點, 并對這種新型電機的研究難點進行了歸納總結(jié)。

1 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的起源及演變

新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的工程實踐最早源于2臺永磁電機的同心嵌套, 文獻[5]將1臺內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機直接嵌套到1臺外轉(zhuǎn)子永磁電機的定子內(nèi)部, 如圖2所示。2臺電機的極數(shù)和槽數(shù)都相等, 2套電樞繞組相互獨立, 定子中間有一個非導(dǎo)磁環(huán), 因而2臺電機之間沒有電磁耦合, 可以分別獨立控制。該電機比同體積的單轉(zhuǎn)子永磁電機能輸出更大的轉(zhuǎn)矩, 而且有2個機械端口, 可以直接進行雙軸對轉(zhuǎn)輸出。

文獻[6]將1臺外轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機和1臺內(nèi)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的定子合并為一體, 設(shè)計了徑向磁場、同向旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機。該電機包含1個兩面開槽的定子和內(nèi)、外2個轉(zhuǎn)子, 電樞繞組為螺線管方式, 定子內(nèi)、外兩側(cè)繞組相序相同, 因而通入一組交流電, 即可在電樞內(nèi)、外2層氣隙中分別產(chǎn)生等速同向旋轉(zhuǎn)的磁場。內(nèi)、外轉(zhuǎn)子為同心的鼠籠轉(zhuǎn)子, 二者在兩氣隙磁場的驅(qū)動下同向旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生共同的輸出轉(zhuǎn)矩。

在同向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機的基礎(chǔ)上, 采用永磁體代替電勵磁, 文獻[13]提出了同向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機, 如圖3所示, 內(nèi)轉(zhuǎn)子外側(cè)和外轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的對應(yīng)位置安裝了磁化方向相反的永磁體, 雙轉(zhuǎn)子在電機一側(cè)通過端盤機械綁定。

文獻[1]分析了同向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機的結(jié)構(gòu)、原理和特性, 推導(dǎo)了主要設(shè)計公式, 分析了電機的設(shè)計原則, 采用場路結(jié)合方法進行了電磁設(shè)計, 給出了一系列優(yōu)化方法并用有限元方法進行了驗證, 最后研制出原理樣機。文獻[14]研究了同向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機的氣隙磁通、氣隙磁阻模型, 給出了氣隙電感的解析表達(dá)式, 還對額定轉(zhuǎn)矩、效率和溫升進行了分析, 并通過有限元方法進行了驗證。

定子電樞若直接采用螺線管繞組, 內(nèi)、外氣隙磁場旋轉(zhuǎn)方向相同, 因而電機雙轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向必然相同, 無法直接驅(qū)動對轉(zhuǎn)螺旋槳。文獻[15]中調(diào)整了螺線管繞組的結(jié)構(gòu), 使定子內(nèi)、外2層電樞的相序相反, 通入一組對稱交流電, 在2層氣隙中分別產(chǎn)生等速反向旋轉(zhuǎn)的磁場, 在改進型螺線管繞組的基礎(chǔ)上, 研制出反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機, 其結(jié)構(gòu)如圖4所示。這種電機仍然由1個中間定子和內(nèi)、外2個永磁轉(zhuǎn)子組成, 但2個轉(zhuǎn)子不再機械連接, 因而在反向旋轉(zhuǎn)磁場的驅(qū)動下, 雙轉(zhuǎn)子可以反向旋轉(zhuǎn)。

2 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機研究現(xiàn)狀

新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機可以看作1臺外轉(zhuǎn)子永磁電機和1臺內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機嵌套在一起并共用1個定子。文獻[19]探討了新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理, 建立了電機的等效磁路和等效電路模型, 并推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型, 應(yīng)用有限元方法分析了空載、輕載和額定負(fù)載下電機的磁通路徑、磁密分布和空載反電勢, 根據(jù)內(nèi)、外永磁體相對位置的不同, 引入串、并聯(lián)磁路的概念, 取串聯(lián)磁路時和并聯(lián)磁路時的磁阻均值和電抗均值為電機的磁阻和電抗, 完成了雙轉(zhuǎn)子永磁電機的電磁設(shè)計。

文獻[20]指出, 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機多用于直接驅(qū)動水下航行器對轉(zhuǎn)螺旋槳推進系統(tǒng), 水下航行器的2組螺旋槳需要以等大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反向旋轉(zhuǎn), 以抵消圓周方向的旋轉(zhuǎn)力矩, 避免航行器的橫滾并提高推進效率, 這就要求電機雙轉(zhuǎn)子以相等的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩反向旋轉(zhuǎn)。文中建立了雙轉(zhuǎn)子永磁電機的數(shù)學(xué)模型和水下航行器的動力模型, 并研制了控制系統(tǒng)和實驗樣機, 對雙轉(zhuǎn)子的平衡負(fù)載和不平衡負(fù)載進行了試驗, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子負(fù)載力矩嚴(yán)重不平衡時, 會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子失步, 導(dǎo)致電流畸變和效率下降。

文獻[21]考慮了新型雙轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機中2個轉(zhuǎn)子的電磁耦合問題, 采用場路結(jié)合方法確定了發(fā)電機的基本尺寸。針對發(fā)電機的性能要求, 歸納出雙轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機的電磁設(shè)計方法并編寫了設(shè)計程序。文中指出, 由于電氣上要求內(nèi)、外轉(zhuǎn)子感應(yīng)的電流頻率相等, 因而機械結(jié)構(gòu)上要求內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相等。然而發(fā)電機雙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩不平衡造成雙轉(zhuǎn)子不等速對轉(zhuǎn), 因而采用對轉(zhuǎn)齒輪同速器強制雙轉(zhuǎn)子等速反向旋轉(zhuǎn)。

文獻[22]通過對新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的研究發(fā)現(xiàn), 電機雙轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn), 2個轉(zhuǎn)子的勵磁磁通在定子鐵心中以串聯(lián)形式和并聯(lián)形式交替出現(xiàn), 雖然磁路并聯(lián)時定子軛部為切向磁通, 耦合程度較低, 但是磁路串聯(lián)時定子軛部為徑向磁通, 耦合作用最強, 因而反向旋轉(zhuǎn)的雙轉(zhuǎn)子永磁電機不能根本上消除電磁耦合。文獻[23]指出, 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機工作時, 對稱的雙轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn), 使得定子所受切向拉力和徑向拉力遠(yuǎn)小于普通電機。同時新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的特殊結(jié)構(gòu)決定了其工藝的復(fù)雜性, 尤其是內(nèi)、外雙轉(zhuǎn)子驅(qū)動非對稱負(fù)載時, 如何避免單邊磁拉力以保證電機穩(wěn)定運行, 是亟待解決的問題。文獻[24]分析指出, 若新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機定子內(nèi)、外繞組電抗相等, 雙電機的對稱性更好, 可提高電機的運行效率和控制效果。文中還指出, 電機正常工作時, 雙轉(zhuǎn)子磁通在定子軛部以并聯(lián)形式和串聯(lián)形式交替運行, 所以新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的電樞電抗最終近似計算值應(yīng)取并聯(lián)、串聯(lián)電抗的平均值。

3 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機特點

作為一種新型的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機, 其主要特點如下。

1) 采用“外轉(zhuǎn)子-定子-內(nèi)轉(zhuǎn)子”的雙氣隙結(jié)構(gòu), 增大了電機的有效氣隙面積, 從而提高了電機的轉(zhuǎn)矩密度。在電機外徑相同的條件下, 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的有效氣隙面積大于傳統(tǒng)電機, 由于電機的轉(zhuǎn)矩密度與氣隙面積成正比, 因此增大有效氣隙面積就意味著轉(zhuǎn)矩密度的提高。

2) 電樞繞組采用螺線管方式, 使得端部繞組大幅縮短, 從而大大減小端部漏抗和銅耗, 使電機效率得到提高; 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機端部繞組長度與電機外徑和電機的極對數(shù)都無關(guān), 可以優(yōu)化電機的長徑比來增大電機的轉(zhuǎn)矩密度, 也可通過減少電機極數(shù)的方式以降低用銅量。

3) 對稱的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和等速反向旋轉(zhuǎn)方式, 可以消除電機的徑向拉力和軸向拉力。即使電機采用斜槽技術(shù), 內(nèi)、外轉(zhuǎn)子作用在定子上的電磁轉(zhuǎn)矩仍保持等大反向, 定子受到的合成轉(zhuǎn)矩為零, 這樣提高了電機的機械穩(wěn)定性。

4) 雙氣隙結(jié)構(gòu)使得定子內(nèi)外兩側(cè)均作為散熱面, 增大了電機內(nèi)部的有效散熱面積; 而且在水下航行器航行過程中, 電機定子與航行器保持相對靜止, 便于安裝水冷系統(tǒng), 提高散熱效果。

5) 相對于電樞和磁系統(tǒng)對轉(zhuǎn)的推進電機, 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的定子靜止, 不需使用滑環(huán)供電。此外, 這種靜止的定子繞組布置方便, 且無需綁扎。

4 新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機研究難點

新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機是近年出現(xiàn)的一種新型電機, 國內(nèi)外學(xué)者對其進行了多方面的研究, 尤其是在電機設(shè)計和磁場分析等方面取得了重大進展。但從總體上講, 目前對這種新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的研究還停留在理論分析和樣機驗證階段, 仍有大量的問題亟待解決, 包括電磁設(shè)計方法、參數(shù)計算、能量流通關(guān)系、溫升和損耗等方面有待于突破, 其中電磁耦合和轉(zhuǎn)子同步問題是影響雙轉(zhuǎn)子永磁電機應(yīng)用的最大障礙。

在對雙轉(zhuǎn)子永磁電機進行電機設(shè)計和磁場分析時, 國內(nèi)外學(xué)者都采用分體電機的方法, 即將其等效為2臺獨立的永磁電機分別研究, 這種方法忽略了二者之間的電磁耦合和轉(zhuǎn)矩同步問題。一方面, 基于分體電機的方法忽略了內(nèi)電機和外電機之間的相互作用, 如雙轉(zhuǎn)子磁通在定子軛部的電磁耦合和定子兩側(cè)繞組之間的互感, 導(dǎo)致了定子鐵心的飽和以及電機參數(shù)和性能不能準(zhǔn)確計算。另一方面, 采用分體方法設(shè)計, 雙轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩不相等導(dǎo)致不等速對轉(zhuǎn), 二者在電樞繞組上的反電勢不同相疊加引起電機效率下降; 不等速對轉(zhuǎn)破壞了電機雙轉(zhuǎn)子和對轉(zhuǎn)螺旋槳之間的功率匹配關(guān)系, 降低了整個推進系統(tǒng)的總效率; 不等速對轉(zhuǎn)還會導(dǎo)致水下航行器橫滾, 并使對轉(zhuǎn)螺旋槳產(chǎn)生空泡和轉(zhuǎn)差激振。

采用分體方法進行電磁設(shè)計導(dǎo)致雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩不同步, 無論雙轉(zhuǎn)子為同向旋轉(zhuǎn)還是反向旋轉(zhuǎn), 無論設(shè)計雙轉(zhuǎn)子發(fā)電機還是雙轉(zhuǎn)子電動機, 雙轉(zhuǎn)子都不能直接輸出或吸收轉(zhuǎn)矩。其中反向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機需要通過對轉(zhuǎn)行星齒輪對雙轉(zhuǎn)子機械同速, 同向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機需要通過端盤將雙轉(zhuǎn)子機械綁定, 這無疑增加了推進系統(tǒng)的復(fù)雜度, 降低了推進效率和功率密度。

5 結(jié)束語

新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機具有單電氣輸入端口、雙機械輸出端口, 采用內(nèi)、外兩側(cè)相序相反的螺線管繞組方案, 電機通入1組對稱三相交流電, 雙氣隙即可出現(xiàn)等速反向旋轉(zhuǎn)的磁場, 實現(xiàn)了雙轉(zhuǎn)子的獨立反向旋轉(zhuǎn)。雖然這種水下推進用新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機的研究還不是很深入, 很多基礎(chǔ)理論還有待于進一步探討, 但是作為一種高效率、高比功率的電機, 這種新型雙轉(zhuǎn)子永磁電機在水下推進領(lǐng)域具有很高的研究價值和良好的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

The New Type of Dual-rotor Permanent Magnet Motor for Underwater Propulsion: a Review

ZHANG Lin-sen, XU Hai-zhu, WANG Song-lin, ZHANG Jiang-ping

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 3. Office of Research & Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To further improve efficiency and power density of propulsion motor, a new type of permanent magnet (PM) motor with a stator in center and double contra-rotating rotors at both sides is introduced. The origin and evolvement of the new dual-rotor PM motor are described in detail, its key characteristics are analyzed, and the research status of the motor is summarized. Moreover, the main advantages are summarized with respect to the improvements in motor torque density, motor efficiency, mechanical stability, heat radiating effect, etc. The difficulties in the researches of this new dual-rotor motor are analyzed, and it is found that the problems about electromagnetic field coupling and rotor speed synchronization are more difficult to be solved.

underwater propulsion; permanent magnet motor; dual-rotor; contra-rotating

TJ630.32; TM301

A

1673-1948(2013)06-0445-05

2013-07-18.

國防科技預(yù)先研究項目資助(4010601020101).

張林森(1982-), 男, 博士, 講師, 研究方向為水下航行器電動力推進技術(shù).