深海推進用充油式無刷直流電機的設計

胡 巖，任雙華，韓 懷

(沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

深海推進用充油式無刷直流電機的設計

胡 巖，任雙華，韓 懷

(沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

設計了一種深海推進用6 kW充油式永磁無刷直流電機。介紹了充油式永磁無刷直流電機的結構特點，研究了電機主要尺寸的計算方法，電磁負荷的選取，定轉子的結構特點及設計方法，永磁體的設計方法。根據深海潛水器的技術要求用等效磁路法初步確定永磁無刷直流電機的基本參數，再使用Ansoft Maxwell 2D建立了電機的二維有限元分析模型，分析電機在空載與額定負載情況下的性能。最后，分析了電機的齒槽轉矩，給出了降低齒槽轉矩常用的幾種方法。

無刷直流電機；等效磁路法；有限元分析；齒槽轉矩

Abstract:A 6 kW oil-filled permanent magnet brushless DC motor is designed. In this paper,the structure characteristics of oil-filled BLDC motor is presented;the calculation method of motormain dimensions is caculated; the selection of electromagnetic load, the structure characteristics and design method of the stator and rotor;the design method of the permanent magnet is studied. The basic parameters of the BLDC motor are determined by the equivalent magnetic circuit method according to the technical requirements. Then the finite element analysis model of the motor is established in Ansoft Maxwell 2D. The performance of the motor under the no-load and rated load condition is analyzed. Finally, it analyzes the cogging torque of the motor and presents several methods of reducing it.

Keywords：brushless DC motor; equivalent circuit method; finite element analysis; cogging torque

電機推進器作為深海潛水器的動力核心部件，其所用電機性能的優劣直接影響深海潛水器的運行性能與續航能力。由于深海潛水器的特殊工作環境，在設計推進電機時應注意如下五方面的要求：①密封性。海水具有很強的導電性，因此電機必須有嚴格的密封措施，不僅有靜密封，在電機轉軸伸出端也要有動密封裝置。②耐壓性。海底幾km深度會產生幾十MPa的高壓，對電機形成嚴峻的考驗。目前常用的措施是采用充油式壓力平衡器來消除電機內外的壓力差。③耐腐蝕性。海水具有強腐蝕性，電機結構上與海水相接觸的部分必須采用抗腐蝕材料，如鈦合金等。④功率密度高。推進電機的功率密度高可以減小深海潛水器的重量與體積，有利于減小在水中航行的阻力，也有利于續航能力的提高。⑤控制性能好。深海潛水器在水底作業時需要完成前進、后退、快速與慢速等推進動作，因此推進電機必須具有極佳的控制性能。

永磁無刷直流電機是隨著電力電子技術與永磁材料技術發展而出現的新型機電一體化電機[1]。由電子換向替代了機械換向，避免了有刷直流電機噪聲大、壽命短、有電火花與電磁干擾等缺點，同時又具有直流電機控制性能好、起動轉矩大、調速范圍寬、低速性能好、運行平穩、效率高等優點[2]。電機結構方面，無刷直流電機無需機械換向器，電機結構更為簡單，電樞繞組位于定子，便于散熱。上述優點使得無刷直流電機廣泛應用于工業及民用場合，也成為深海潛水器推進電機的最佳選擇。

1 充油式無刷直流電機結構

充油式無刷直流電機結構包括電機本體、行星減速器、動密封裝置以及壓力平衡器。在壓力平衡器與電機、電機與行星減速器、行星減速器與動密封裝置之間均需采用靜密封，電機轉軸伸出端采用動密封。本次設計的充油式推進電機的整體結構如圖1所示，無刷直流電機結構如圖2所示。

圖1 充油式推進電機結構

圖2 無刷直流電機結構

2 無刷直流電機的電磁設計

電機的電磁設計是一項復雜的工作，根據給定的技術指標，選擇合適的材料，確定電機各部分的尺寸，并計算電機的工作性能，需要反復多次調整才能得到理想的設計方案。

2.1分數槽電機槽極組合的選擇

與整數槽相比，無刷直流電機采用分數槽，可減少槽絕緣占據的空間，有利于提高槽滿率，進而提高電動機性能；原件數目較少，可簡化嵌線工藝和接線，有助于降低制造成本；可以增加繞組的短距和分布效應，改善反電動勢波形的正弦性，降低齒槽轉矩和轉矩波動，提高電動機性能；分數槽繞組電機有可能設計為線圈節距y=1的集中繞組[3]。

分數槽電機槽極數的選擇有嚴格的限制。若電機的槽數為Z，極對數為p，包含t個單元電機。單元電機的槽數Z0必須為相數m的整數倍，由于Z0/p0為不可約分數，因此p0不可為m的倍數。為了得到較高的繞組系數，Z與2p的值盡可能接近。因為Z=2p±1的槽極配合會產生不平衡徑向磁拉力，故不宜選用。

本文設計的無刷直流電機定子槽數Z=12，磁極數2p=10，采用第一節距y=1的非重疊集中繞組。電機的電動勢相量星形圖如圖3所示。

圖3 電機的電動勢相量星形圖

2.2電機主要尺寸的確定

永磁無刷直流電機的主要尺寸包括電樞直徑Da與電樞的軸向長度la。電機的主要尺寸決定了電機的外形特點，對電機的工作特性與可靠性也有較大的影響[4]。主要尺寸可由如下公式來確定：

(1)

電機的長徑比為λ=la/Da，上式可以改寫為

(2)

電機的計算功率可用以下公式求得：

(3)

(4)

電磁負荷是指電機的電負荷A與磁負荷Bδ，它們與電機主要尺寸的確定直接相關，對電機效率、溫升、運行特性等指標也有很大的影響。選擇電磁負荷的數值時，不宜都選得過高，提高電磁負荷值雖然可以使電機的體積縮小，節約材料和減少加工費用，但是銅耗、鐵耗的相應增加和電機效率的降低使電機在整個運行期間的電能消耗增加。又由于損耗的增加和散熱面積的減少，使電機溫升增高，絕緣材料加速老化，影響到電機的使用壽命[5]。

為了保證電機推進器有足夠的過流面積，電機的外形需細長，即電機的長徑比取值較大，這里λ=2.51。本文設計的無刷直流電機電樞內徑為70 mm，軸向長度176 mm，預取電負荷為10 A/cm，預取磁負荷為0.8 T。

2.3永磁體尺寸的確定

永磁體的尺寸主要包括永磁體的軸向長度lM、磁化方向高度hM與寬度bM。永磁體的軸向長度一般與電機鐵芯軸向長度大致相等，因此實際上只需確定磁化方向高度hM與寬度bM2個參數。因為bM決定了永磁體能夠提供磁通的面積，需要經常調整bM以調整電機的性能。hM的選取不能過小，應使永磁體工作于最佳工作點，且電機的直軸電抗Xad合理[6]。永磁體的尺寸可由下式確定：

(5)

式中：δe為電機的計算氣隙長度；Br/Bδ取值一般為1.1～1.35。

本文設計的電機永磁體的磁化方向高度hM=4.5 mm，寬度bM=0.81τ，τ為極距。

3 無刷直流電機電磁設計方案仿真

3.1永磁無刷直流電機的主要參數

永磁無刷直流電機的主要參數如表1所示。

表1 永磁無刷直流電機的主要參數

3.2基于AnsoftMaxwell2D的有限元仿真

3.2.1 電機有限元模型的建立

基于表1的電機參數，首先在Ansoft RMxprt模塊下面建立電機的磁路模型。對磁路模型進行分析，驗證電機的參數是否合理。經過多次調整以后，可以得到更為精確的電機參數。然后，將在Ansoft RMxprt模塊下建立的磁路模型導出至Ansoft Maxwell 2D模塊，生成電機的二維有限元分析模型，電機的有限元分析模型如圖4所示。電機的有限元分析模型網格剖分如圖5所示。

3.2.2 電機的靜態場分析

首先分析電機的磁場分布，由此可以計算出電機的空載工作點、漏磁系數等。電機靜磁場分布如圖6所示。

由圖6可以計算出電機的漏磁系數為1.36，由圖7可知電機的氣隙磁密為0.78 T，如此便可以計算出電機每極磁通以及確定永磁體空載工作點。通過圖7可以判斷電機是否存在局部過飽和點，據此調整電機的設計參數。

3.2.3 電機的空載分析

圖4 永磁無刷直流電機的有限元模型

圖5 電機網格剖分模型

圖6 電機磁力線分布

圖7 電機磁密分布

通過對空載條件下電機的瞬變電磁場進行仿真求解，可以得到電機的轉矩、轉速、繞組電流波形仿真曲線如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 電機轉矩隨時間變化曲線

圖9 電機轉速隨時間變化曲線

圖10 電機繞組電流隨時間變化曲線

3.2.4 電機的負載分析

通過對負載條件下電機的瞬變電磁場進行仿真求解，可以得到電機的轉矩、轉速、繞組電流波形仿真曲線，如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 電機轉矩隨時間變化曲線

圖12 電機轉速隨時間變化曲線

圖13 電機繞組電流隨時間變化曲線

4 無刷直流電機齒槽轉矩的抑制

齒槽轉矩又稱定位轉矩，是定子鐵芯的齒槽與轉子永磁體相互作用而產生的磁阻轉矩，為永磁電機特有的一種現象。齒槽轉矩雖然不會使電機的平均有效轉矩增加或減少，但它引起速度波動、電機振動和噪聲，特別是輕負荷和低速時顯得更明顯[1]。對Ansoft RMxprt模塊下電機磁路模型進行參數化分析，通過優化極弧系數與槽口寬度以降低齒槽轉矩。

4.1電機極弧系數的優化

分數槽電機最佳極弧系數計算公式如下[7]：

(6)

式中：N=Nc/2p，Nc為電機槽數Z與磁極數2p的最小公倍數；k2為考慮磁極邊沿漏磁的因數，與磁極的間距、氣隙大小等因素有關，可取0.01～0.03。為了獲得盡可能大的氣隙磁通而增加輸出轉矩，磁極弧長對磁極的比值應盡可能取得高一些，所以K1宜取為1[8]。本文設計的電機槽數Z=12，磁極數2p=10，取k1=1，最佳極弧系數的取值范圍為0.81～0.83。

將Ansoft RMxprt模塊下電機磁路模型中永磁體厚度設為hm=4.5 mm，定子槽口寬度設為bs0=2 mm，極弧系數的取值范圍為0.4～1，進行參數化分析，仿真結果如圖14所示。

圖14 不同極弧系數的齒槽轉矩

由圖14可知電機的最佳極弧系數為0.81，與公式計算的結果相符合。

4.2電機槽口寬度的優化

對永磁無刷直流電機而言，齒槽轉矩可以認為是由轉子每個磁極中心與對應的定子鐵芯槽口之間產生不平衡力矩疊加所形成的，而每個不平衡力矩的大小很大程度上取決于定子槽的開口寬度，因此選擇合適的槽口寬度可以顯著抑制齒槽轉矩，改善電機的轉矩品質[9]。在上一步優化的基礎上，即極弧系數設為αp=0.81，定子槽口寬度bs0的取值范圍為1～10 mm，進行參數化分析，仿真結果如圖15所示。

圖15 不同槽口寬度的齒槽轉矩

由圖15可知，當定子槽口寬度bs0取6.1 mm時，電機的齒槽轉矩降至最低。但考慮到電機的槽口增大，漏磁會相應增加，所以取bs0=4.1 mm。

5 結束語

本文設計了一種用于深海潛水器推進的充油式無刷直流電機，電機的額定功率為6 kW，額定轉速6 000 r/min。利用等效磁路法初步確定了電機的設計參數，然后在Ansoft Maxwell 2D模塊下面建立有限元分析模型，對電機的磁力線分布、磁場分布以及電機的空載特性與負載特性進行了分析，驗證電機設計是否合理。有限元仿真的結果比較符合電機的技術要求。最后通過對電機的極弧系數與槽口寬度的優化，以降低電機的齒槽轉矩，提高電機的性能。

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[2] 張 琛. 直流無刷電動機原理及應用[M]. 北京：機械工業出版社，1996:2-6.

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[8] 楊玉波，王秀和，丁婷婷，等. 極弧系數組合優化的永磁電機齒槽轉矩削弱方法[J]. 中國電機工程學報，2007，27(6)：7-11.

[9] 董仕鎮，馬 雋，沈建新. 減小齒槽轉矩的永磁電動機槽口優化設計[J]. 微電機，2007，40(12)：1-3.

Design of Oil-filled Brushless DC Motor for Deepwater Propulsion

HU Yan，REN Shuanghua，HAN Huai

(College of Electrical Engineering，Shenyang University of Technonlgy，Shenyang，Liaoning 110870，China)

TM33

A

1004-7913(2017)07-0005-05

2017-04-28)

胡 巖(1964)，女，博士，教授，研究方向為電工理論與新技術,特種電機及其控制。