對轉螺旋槳用磁盤式對轉電機磁場仿真分析

饒志蒙，黃守道，成雙銀，張 恒，朱廣輝

（1. 湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2. 湘潭牽引電氣設備研究所有限公司，湖南 湘潭 411101）

對轉螺旋槳用磁盤式對轉電機磁場仿真分析

饒志蒙1，黃守道1，成雙銀1，張 恒1，朱廣輝2

（1. 湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2. 湘潭牽引電氣設備研究所有限公司，湖南 湘潭 411101）

為了解決傳統對轉螺旋漿電力推進電機的成本高、定轉子散熱和輸出轉矩不平衡的問題，設計了一種新型結構的單定子、雙轉子永磁盤式對轉電機。介紹了該電機的基本結構、運行原理和電機磁路特點，對電機內部對轉磁場的耦合問題進行了分析，并引入等效磁路模型,同時給出了直角坐標系下，轉子磁極表面的磁通密度公式，采用有限元法分析電機氣隙磁場和平均半徑處的氣隙磁密。制造了一臺盤式對轉樣機，并搭建試驗平臺測試了電機的三相感應電動勢。測試結果表明：由于電機定子繞組端部長度的不對稱，出現了三相感應電動勢的不平衡現象。

對轉螺旋槳；軸向磁場；永磁電機；有限元分析

0 引言

目前，將電力推進技術應用于現代海洋裝備中已成為了研究熱點[1]。電力推進具有體積小、重量輕、布置靈活、安全性好、自動化程度高等特點[2]。電力推進對轉螺旋槳是將2個螺旋槳一前一后布置在同一軸線上，2個螺旋槳的旋轉方向相反，這樣使得前螺旋槳產生的未被有效利用的渦動能量能被后一螺旋槳利用，將其轉化為有效的推進動力[3]。經研究表明，對轉螺旋槳的節能效果可達10%～20%。因此，它被廣泛應用于各種水上、水下裝備中。

傳統的對轉螺旋槳的電機驅動方式有2種：1）由2臺獨立的常規交流或直流電機拖動2個螺旋槳旋轉，這種驅動方式的原理比較簡單，但傳動系統成本較高且笨重；2）采用一臺單定子、雙轉子徑向永磁對轉電機驅動[4]，該電機具有結構簡單、緊湊、成本低等優點，但存在內外轉子結構不對稱，電磁設計困難，雙轉子轉矩輸出不平衡，內外轉子和定子散熱困難的缺點，因此，它不適合水下航行器等封閉環境內使用。

為了解決傳統對轉螺旋漿電機成本高、定轉子散熱困難和輸出轉矩不平衡的問題，本文提出了一種單定子、雙轉子盤式對轉結構的電機。由于移除了傳統電機的電刷、換向器和齒輪等負載裝置，該電機具有可靠性高、維護方便且成本低等優點；又由于電機采用盤式結構，左右盤式轉子磁路對稱，輸出轉矩平衡，故易得到好的散熱效果和超強可控性。

1電機工作原理與定子對轉磁場仿真分析

1.1 電機工作原理

盤式電機的最小盤數為2，但為了增大電機的總有效氣隙表面面積，通常使用3個及以上的盤。本電機采用3個盤式結構。繞組環繞鐵心，2個扇形的永磁轉子分別位于定子的左右側，通過單個定子在結構上復合成一個電機，相互獨立的2個永磁轉子通過軸承固定于機座，且分別與2個內外嵌套機械軸相連，而內外嵌套機械軸的另一端則分別連接2個對轉螺旋槳，如圖1所示。

圖1 永磁盤式對轉電機與對轉螺旋槳結構圖Fig. 1 Structural diagram of permanent magnet disc motor and contra-rotating propellers

圖2為電機定子無槽交叉環繞繞組原理圖。

圖2 盤式對轉電機定子無槽交叉環繞繞組原理圖Fig. 2 Principle diagram of no slot cross winding of disc motor stator

圖2中，實線表示定子一側的繞組，虛線表示定子另一側的繞組。每個線圈都有2個工作面，每個工作面都正對著轉子永磁體，其中線圈①, ④組成A相繞組，③, ⑥組成B相繞組，②, ⑤組成C相繞組，A, B, C三相繞組的中心軸線互差120 °電角度，因此，三相繞組基波磁動勢互差120°電角度。將A相與C相繞組端部交叉放置，即改變定子兩側繞組相序。如果三相繞組中通入對稱三相電流，那么就可以在定子兩側的氣隙平面中得到2個同時逆向旋轉的磁場。具體數學推導如下[5]。

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為：

式中：I為相電流；

ω為電角頻率。

A, B, C各相繞組磁動勢基波為：

利用三角函數積化和差將式（2）改為：

為得到三相合成磁動勢，將fA1, fB1, fC1相加。由于fA1, fB1, fC1的正弦波在空間相位上互差120°，因此，其和值為零。故三相基波磁動勢為

式中，F1為三相基波合成磁動勢的幅值，其數值為3/2。

1.2 定子對轉磁場仿真分析

為了更直觀地說明定子對轉磁場，本課題組進行了三維有限元仿真。由于只檢驗定子繞組在兩邊氣隙中形成的磁場，不考慮兩邊轉子永磁體，永磁體的磁導率與空氣接近，因此，可直接去掉兩邊轉子磁極。圖3是定子繞組通入三相對稱電流后得到的磁場分布圖。選取4個時間點0.035 4, 0.035 8, 0.036 2, 0.036 6 s，時間間隔為0.000 4 s。由圖可以看出，一邊的氣隙磁場繞 軸正方向作逆時針運動，另一邊的氣隙磁場繞 軸正方向作順時針運動，兩邊的磁場同時向相反的方向運動且速度大小相等。

圖3 定子繞組對轉磁場圖Fig. 3 The stator winding contra-rotating magnetic field

2 永磁盤式對轉電機磁場分析

2.1 磁路特點

本文的盤式對轉電機為單定子、雙轉子結構，如圖1所示。定子夾在兩盤式轉子的中間，兩轉子鐵心的內表面安裝了軸向磁化扇形永磁體。

傳統的盤式單定子、雙轉子同步電機，雙轉子固定朝一個方向旋轉，轉子磁極要么是N-S相對，要么是N-N相對，定轉子磁路固定。而盤式對轉電機的N-N與N-S周期交替分布，定子磁路和氣隙磁密大小周期性變化，這給電機的設計和研究帶來了困難[6-7]。當磁極N-N或S-S相對時，電機雙轉子產生的磁通是并聯關系，主磁通切向流過定子鐵心，定子軛部磁密最大，見圖4a；當磁極N-S相對時，電機雙轉子產生的磁通是串聯關系，主磁通徑向流過定子鐵心，定子軛部磁密最小，見圖4b；一般情況下，磁通路徑曲折變化，見圖4c。

圖4 盤式對轉電機雙轉子磁路變化圖Fig. 4 Magnetic change of double rotors of disc contra-rotating motor

2.2 磁路等效模型

盤式對轉電機結構對稱，在考慮漏磁的情況下，可以得到單段結構的等效磁路，如圖5所示。采用等效磁路模型，可將盤式對轉電機的并聯磁路和串聯磁路共同問題簡化為單一的并聯磁路問題，為該類電機的分析與設計提供簡單模型。圖中，Rg為氣隙磁阻，Rm為永磁體內磁阻，Rr為轉子軛部磁阻，Fmi, Fmo為磁勢，Rs為定子鐵心軸向磁阻，Rpp為定子鐵心徑向磁阻，Rmm為永磁體間漏磁阻，Rmr為永磁體對轉子軛部漏磁阻[8]。

圖5 磁路等效模型Fig. 5 Equivalent magnetic circuit model

2.3 電機氣隙磁場

圖6是直角坐標系下盤式對轉電機的示意圖。圖中， ai為有效極弧系數，d為定子鐵心長度，t為磁極相對距離。

圖6 直角坐標系下盤式對轉電機Fig. 6 The disc contra-rotating motor in cartesian coordinates

假設曲率半徑大于極距且兩邊的磁極偏移為x0，則轉子磁極表面的磁通密度可用如下方程表示。

當 =0.5d時，

在式（4）～（5）中：B0為永磁體剩磁；系數bv參考文獻[9]，

bp為極靴寬度，為平均磁極，為氣隙磁密波形系數，n為電機轉速，D為電機平均半徑，即D=(Do+ Di)/2，其中，Do為永磁體外徑，Di為永磁體內徑。

平均氣隙磁密為

式中：p為極對數；

Bmg為磁密最大值。

在盤式電機設計中，電機的外內徑比λ=Do/Di是一個影響電機性能的重要參數。為了獲得較好的電機性能，須慎重考慮λ的取值。一般情況下，對于小型電機，λ取值為1.4～1.7；對于中型和大型電機，λ取值為1.7～2.0。

2.4 電機磁場的有限元分析

以一臺16極盤式對轉電機為例，對電機的磁場進行三維有限元分析。圖7是電機的磁密云圖，圖8是盤式對轉電機空載氣隙磁密空間分布和磁密等值線圖。電機的具體參數見表1。

圖7 電機磁密云圖Fig. 7 Motor magnetic cloud chart

圖8 電機氣隙磁密三維分布和磁密等值線圖Fig. 8 The motor air gap magnetic density 3D distribution and magnetic flux density contour

表1 電機參數表Table 1 Parameters of motor

由圖7和8可以看出：某一極下的氣隙磁密分布是平頂波型，大小與半徑r有關，且在平均半徑附近，氣隙磁密幅值最大，而靠近內外徑處，由于受邊緣效應的影響，氣隙磁密的幅值下降。

圖9是平均半徑處氣隙磁密分布圖。合理設計永磁體的形狀，可以使磁場盡可能地接近理想的正弦波，減少諧波，減小電機的力矩波動，提高電機的輸出力矩。

圖9 平均半徑處氣隙磁密分布Fig. 9 Air gap flux density distribution of the average radius

圖10 是電機的空載反電動勢波形圖（單邊）。

圖10 空載反電動勢波形Fig. 10The no-load EMF waveform

3 試驗結果分析

本課題組制造了一臺永磁盤式雙轉子對轉電機，具體參數見表1，樣機見圖11，還加工了一個試驗平臺，如圖12所示。用2臺交流電機拖動盤式對轉電機，測量其三相空載感應電壓波形。

圖11 盤式對轉電機樣機圖Fig. 11 Disc contra-rotating motor prototype

圖12 試驗平臺Fig. 12 The experimental platform

圖13是實測的A相感應電壓波形。圖中，橫軸表示時間，每格為0.005 s，縱橫表示A相感應電壓，每格為50 V。與圖10對比可知，實測電壓波形與仿真電壓波形一致，驗證了此種電機的可行性。

圖13 A相空載感應電壓波形圖Fig. 13 A phase no-load induced voltage waveform

4 結論

本文介紹了對轉螺旋槳用永磁盤式電機的磁路特點，建立了等效磁路模型，對氣隙磁通密度公式進行了推導，采用有限元法分析電機氣隙磁場和平均半徑處的氣隙磁密，為下一步合理設計永磁體的形狀，使磁場盡可能地接近理想的正弦波提供依據，搭建了試驗平臺對盤式對轉樣機進行了測試。得到的測試結論如下：

1）盤式對轉電機可以通過一套繞組在定子兩邊同時產生對轉的磁場，實現雙轉子的對轉運動；

2）本文提出的盤式對轉電機可以認為是2個獨立的單定子-單轉子電機軸向的復合，但該電機不是簡單的軸向串聯，而是定子共用磁軛，也就是兩邊的轉子磁通會共用定子磁路，定子鐵心軸向比轉子鐵心軸向長，通常是轉子鐵心軸向的1.2～1.7倍；

3）某一極下的氣隙磁密分布是平頂波型，大小與半徑r有關。合理設計永磁體的形狀，使磁場盡可能地接近理想正弦波，減少諧波，減小電機的力矩波動，可提高電機的輸出力矩。

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（責任編輯：鄧 彬）

Simulation Analysis on the Magnetic Field of
Permanent Magnet Disc Motor for Contra-Rotating Propellers

Rao Zhimeng1，Huang Shoudao1，Cheng Shuangyin1，Zhang Heng1，Zhu Guanghui2
（1. School of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2. Xiangtan Electric Traction Equipment Research Institute Co., Ltd.，Xiangtan Hunan 411101，China）

In order to overcome the disadvantages of electric propulsion motor of contra-rotating propellers, designed a new structural permanent disc contra-rotating motor of single stator and double rotor. Described the motor’s basic structure, operating principle and magnetic circuit characteristics, analyzed the coupling problem of contra-rotating magnetic field in the motor, and introduced the equivalent magnetic circuit model. In Cartesian coordinates, provided the magnetic flux density formula of rotor magnetic pole surface and analyzed the air gap magnetic field and the air gap flux density of the average radius by means of the finite element method. Made a disc contra-rotating motor prototype, and built an experimental platform to test the three-phase induction electromotive force of the motor. The test results show that due to the asymmetric length end of stator winding, the unbalanced three-phase induction electromotive force is found.

contra-rotating propeller；axial-field；permanent magnet motor；finite element method

TM351

：A

：1673-9833(2014)01-0038-06

2013-11-12

國家“十二五”科技支撐計劃重點基金資助項目（2012BAH11F03），湖南省研究生科技創新基金資助項目（CX2012B128）

饒志蒙（1989-），男，江西東鄉人，湖南大學碩士生，主要研究方向為特種電機，

E-mail：694506519@qq.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.008