高速永磁推進電動機系統發展現狀及展望

王堅強，王 嘉

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高速永磁推進電動機系統發展現狀及展望

王堅強1，王 嘉2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢數字工程研究所，武漢 430074）

在電力推進系統中，可采用高速永磁推進電機滿足高轉矩密度和高功率密度的應用要求。本文分析了高速永磁推進電機顯著特點，介紹了機械齒輪減速、同軸磁齒輪減速，PDD準直驅式永磁電動機，磁懸浮軸承和無軸承電機工作原理。展望了高速永磁推進電機系統的發展趨勢。

高速永磁電機 機械齒輪 磁齒輪 PDD永磁電機 磁懸浮

0 引言

隨著綜合電力推進技術的發展，對推進電機的要求越來越高，除滿足調速和推進功率的需求外，高功率密度、高轉矩密度、低噪聲也是重要的技術指標。在最近20年，永磁電機技術的發展集中體現在下列高功率密度永磁電機上：

1）橫向磁通永磁同步電動機 PM transverse flux motor (TFM)；

2）盤式無刷永磁電動機 PM brushless disc type motors（DTM）；

3）獨立集中繞組無刷永磁電動機（近極槽配合永磁電動機）PM brushless machines with non-overlapping concentrated coils。

上述永磁電機在功率密度上有了很大的提高，但由于推進螺旋槳需要低轉速，低轉速限制了永磁電機在功率密度上進一步提高。

依據相關報道[1]，現在低速永磁電機功率達到65 MW。與此同時, 又有報道稱[2]，現在高速永磁電動機應用越來越廣泛，最高速度已達到1 000 000 rpm。兆瓦級高速永磁電機具有更高的功率密度和更小的體積，在船舶電力推進上有更廣闊的應用前景。以一個20 MW、10 000 rpm的永磁電動機為例，其重量只有3 488 kg[3]。而英國Roll-Royce公司設計的20 MW、180 rpm的高功率密度永磁電動機重量有65噸。

由于高速永磁電機的功率密度大，定子散熱面積小、損耗密度高，必須采用不同于傳統電機的定子材料與冷卻結構進行設計。

高速電機的轉子要承受很大的離心力和一定的熱應力，而永磁體的抗拉強度往往較低，因此必須進行轉子的強度分析，需要采用高強度的材料進行結構保護設計。

高速電機的轉子支承系統比較復雜，高轉速下轉子易因不平衡和共振產生較大的振動，甚至會使轉子嚴重變形，需要進行轉子動力學分析。普通電機軸承不能直接用于高速電機，需根據應用場合和技術條件要求選擇高速滾珠軸承、空氣軸承或磁懸浮軸承等適用于高速場合的軸承。

國內的沈陽工業大學、哈爾濱工業大學、北京交通大學等科研院所以及國外的一些科研機構對高速永磁電機的結構進行了深入研究，重點分析了其電磁性能、溫度場分布和動力學分布。為高速電機設計提供了有益的經驗。

船舶高速永磁推進電動機，為了滿足推進螺旋槳低轉速要求，需要一個減速機構。這個減速機構可以是一個機械齒輪箱，也可以是磁齒輪箱，或則是設計成磁復合結構的準驅動永磁電機。

這樣設計的目的是要在高速電機中完成電磁能量轉換，將電能變為機械能，縮小電機體積和重量，實現高功率密度。再通過減速機構降速以滿足螺旋槳低轉速推進要求，實現高轉矩密度。這就要求我們除完成高速永磁設計外，還要考慮減速機構設計和磁懸浮設計。

1 機械齒輪減速

圖1 機械齒輪箱結構圖

圖1是機械齒輪箱結構圖，它由太陽輪、行星輪、外圓輪和負載輪組成。太陽輪連接電機驅動端，電機驅動太陽輪旋轉，太陽輪帶動行星輪轉動，使負載輪跟隨旋轉，負載輪與負載連接。負載輪與太陽輪的旋轉方向一致。

在太陽輪、負載輪、行星輪和外圓輪之間，有下列關系式成立[4]。

式中，n為太陽輪轉速，l為負載輪轉速，N為外圓輪齒數，N為太陽輪齒數，N為行星輪齒數。

以20 MW、10 000 rpm的永磁電動機為例，其轉矩為19 kN·m。若要滿足20 MW、150 rpm推進螺旋槳的要求，需要1:66的減速齒輪，輸出轉矩為1 270 kN·m。1:66的減速齒輪一級減速很難實現，需要2級減速。2級減速齒輪的總重量為25 000 kg[3]。這樣，20 MW高速永磁電動機和齒輪箱系統總重量約30噸。與低速永磁電動機相比重量減少一半，功率密度提高一倍。

采用機械齒輪箱減速的最大缺點是機械噪聲大。為降低機械噪聲，有學者建議采用永磁齒輪箱減速。

2 同軸永磁齒輪減速

同軸永磁齒輪概念由K.Atallah在2001年提出，其結構如圖2所示，它由內轉子、調磁塊和外轉子組成。內轉子外表面安裝有永磁體，外轉子內表面也安裝有永磁體，調磁塊由導磁材料制成。調磁塊靜止固定，當高速永磁電動機驅動內轉子轉動時，內轉子外表面的永磁體產生的旋轉磁場，經過調磁塊調制，產生諧波磁場，其中最強的低序諧波磁場極對數與外轉子內表面永磁體磁場極對數相等，兩者相互作用產生轉矩，帶動外轉子轉動，實現減速效果。與其它的磁性齒輪相比，其突出優點是所有永磁體同時參與了轉矩的傳遞，轉矩密度大大提高。

圖2 同軸永磁齒輪箱

我們知道，在均勻氣隙中，永磁體產生的氣隙徑向磁密為[5]：

式中：p為內轉子永磁體極對數；ω為內轉子旋轉角速度；b為磁密分布的徑向傅里葉系數。當氣隙中有調磁鐵塊時，氣隙徑向磁導函數(調制函數)可表示為：

式中：N為調磁鐵塊數；λ為調制函數的徑向傅里葉系數。由式(3)、式(4)可以得出經過調制后的氣隙徑向磁密：

從上式可以得出，調制后的氣隙徑向磁密，其空間諧波的極對數p如下：

式中，=1，3，5，…，∞；=0，±1，±2，±3，…，±∞。而且可以得出磁密空問諧波的旋轉角速度ω為：

由上式可知，由于引入了調磁塊，即k≠0，氣隙磁密空間諧波的旋轉角速度已不同于永磁體所在的內轉子旋轉角速度。因此，要使內、外轉子轉速不同，必須為非零值，并且外轉子永磁體的極對數，必須等于≠0時的一個空間諧波的極對數。因為=l，=-1的組合，可以產生除基波之外的幅值最大的空間諧波，那么外轉子的極對數o就必須等于N-p，進而就可以給出齒輪速比為：

式中，n內轉子轉速，o外轉子轉速，N為調磁塊數量，p內轉子永磁體極對數。

同軸永磁齒輪可以設計成徑向同軸結構[6],如圖3(a)所示，也可以設計成軸向同軸結構，如圖圖3(b)所示。

對20 MW、10 000 rpm高速永磁電機，采用2級永磁齒輪，達到1: 66的減速要求，2級減速永磁齒輪的總重量為40噸[3]。這樣，20 MW高速永磁電動機和齒輪箱系統總重量約45噸。比采用機械齒輪箱系統總重量要高一些。

3 PDD準直驅式永磁電動機

現代驅動系統一直傾向于直接驅動，這樣可以省去機械齒輪傳動系統，消除機械齒輪的振動噪聲，減少機械損耗，獲得更高的系統效率，節約能源。但是用于直接驅動電機為了輸出更大的轉矩，一般體積、重量較大。磁齒輪具有低噪音、高效率、便于維護、高可靠性以及過載保護等優點，引起了大家的普遍關注。為了獲得更高的傳動性能，最新的研究成果是將高速永磁電動機和磁齒輪設計在一個結構中，形成準直驅式永磁電動機（Pseudo Direct Drive 簡稱PDD）。

為了更好的利用磁齒輪的內部空間，將一臺外轉子高速永磁電機和一臺磁齒輪整合在一起構成磁復合電機PDD，如圖4所示為英國Magnomatics公司開發的集成磁齒輪的PDD電動機。它將磁齒輪的內轉子設計成高速轉子，使高速永磁電機的外轉子和磁齒輪的內轉子實現同步高速旋轉，同時經過磁齒輪的調磁鐵塊的調制作用，在磁齒輪的外轉子上獲得低速大轉矩。

PDD電機具有3層氣隙，結構復雜；其磁場相互耦合，磁場分布也比較復雜，這給復合電機的分析帶來了一定的困難。普通的靜態電磁場只能計算復合電機的靜態特性，沒有辦法分析復合電機的動態特性。由于復合電機的內外轉子不是直接接觸的剛性連接，外轉子是一個隨動轉子，所以對其動態分析就顯得更加重要。為了獲得更加精確的復合電機動態性能，應充分考慮磁齒輪磁場和電機磁場的耦合問題。

PDD電機是磁齒輪傳動系統的發展，屬于磁齒輪傳動系統的范疇，PDD電機同時實現了高速電機的控制和系統的低速大轉矩輸出。英國Magnomatics公司開發了系列磁齒輪和集成了磁齒輪的PDD電動機。2009年9月，英國國防部MOD與Magnomatics公司簽定了合同，開發15 MW級用于綜合全電力推進的磁齒輪推進電動機。

圖4 PDD電機結構圖

4 高速永磁電動機磁懸浮技術

磁懸浮技術是指借助磁場力將被控對象(轉子)置于非機械接觸狀態的技術。該技術主要理論基礎是電磁場理論、電力電子技術及控制理論，依托現代電力電子器件及信號處理器件得以實現。有的高速永磁電機轉速超過10 000 rpm，機械軸承在高轉速時發熱嚴重，減小了電機的壽命，帶來較大的噪音。采用磁懸浮技術可以使電機轉子和定子之問沒有機械接觸，避免在轉子超高速旋轉情況下劇烈的機械磨損。并且無需潤滑，無污染，壽命較長。目前，磁懸浮技術已在磁懸浮列車、新型戰機矢量發動機電力集成功率單元、太空艙主發動機液氧渦輪泵及飛輪貯能等方面獲得了實際應用。

高速永磁電動機所采用的磁懸浮技術主要有兩種：一種是安裝磁懸浮軸承(Magnetic Bearing)，另一種是設計成無軸承電機(Bearingless Motor)。

1）磁懸浮軸承

磁懸浮軸承是利用磁場力將轉子懸浮于空中，實現轉子和定子之問沒有任何機械接觸的新型高性能軸承。

磁懸浮軸承的結構形式有多種，圖5是一種利用永磁體偏磁的結構，這種結構可以減小磁懸浮軸承的體積和重量。它主要由鐵芯、繞組、永磁體、機座、位置傳感器和控制裝置組成。它有2個鐵芯，鐵芯硅鋼片形狀如圖5(b)所示，鐵芯有4個磁極，每個磁極上裝有一個控制繞組。在2個鐵芯對應的磁極中間安裝有永磁體，永磁體通過機座、兩邊鐵芯磁極和軸組成磁路，對軸形成偏磁力。偏磁力用于支撐轉子自由懸浮，并通過控制繞組電流進行穩定控制。通有電流的控制繞組會依據電流大小產生相應的恢復電磁力，保持轉軸在中心位置。由于繞組產生的是恢復力，線圈繞組和通過的電流并不需要太大。

圖5 磁懸浮軸承結構框圖

圖6 控制裝置結構框圖

控制裝置如圖6所示，當軸的位置發生變化時，位置傳感器給控制器發出反饋信號，控制磁懸浮軸承繞組電流隨之變化，以使軸保持在氣隙的中心位置。

磁懸浮軸承的懸浮力主要由永磁體磁場和控制繞組電流磁場共同產生的麥克斯韋力，每個麥克斯韋力單元可表示為式（9）。

式中，d為麥克斯韋力單元力，為氣隙磁密，d為轉子表面單元面積，0是空氣中的磁導率。

2）無軸承電機

將磁懸浮軸承中產生懸浮力的繞組和交流電機產生電磁轉矩的繞組一起嵌入到電機定子槽中，使懸浮力繞組產生的磁場和電機轉矩繞組產生的旋轉磁場合成一個整體，采用磁場定向控制策略分別獨立控制電機的旋轉和轉軸的穩定懸浮，這樣就可以減小磁懸浮軸承支承高速電機在電機兩端的磁軸承所占的軸向空間，這就是無軸承電機的基本思想[7,8]。

永磁型無軸承電機是在普通永磁同步電機的基礎上，在定子中嵌入懸浮繞組而成。假設轉矩繞組為P對極，懸浮繞組為P對極，要在永磁電機中產生磁懸浮力，需滿足等式（10）[9]：

式中，ω、ω分別為轉矩繞組和懸浮繞組的電流角頻率。

永磁型無軸承電機的兩套繞組布置方式有2中，一種是集中繞組布置方式，如圖7(a)所示；另一種是分布繞組布置方式，如圖7(b)所示。圖中，UM、VM、WM表示3相轉矩繞組，UB、VB、WB表示3相懸浮繞組。N、N分別為轉矩繞組和懸浮繞組每相串聯有效匝數。當電機中有兩套繞組時，依據電磁場理論，會產生兩種電磁力，它們是洛倫茲力和麥克斯韋力。在永磁磁極產生的磁場中，轉矩繞組產生的洛倫茲力形成轉矩，驅動電機旋轉；懸浮繞組產生的洛倫茲力是磁懸浮力。麥克斯韋力也產生兩種力，一種是由于轉子偏心引起的單邊磁拉力，另一種是由于懸浮繞組通電造成磁場不均衡而產生的可控磁懸浮力。徑向磁懸浮力由式(11)表述[9]：

圖8 無軸承永磁電機調速原理圖

式中，k =πPPL2/(8 rμWkWk)；k=3PWk/(4rWk)。k、k麥克斯韋力和洛倫茲力常數，F、F是徑向磁懸浮力在x軸和y軸上的分量，i、i是懸浮繞組電流在d-q坐標系的分量，ψ、ψ是轉矩繞組和轉子永磁體共同產生的氣隙磁鏈在d-q坐標系的分量，L2是懸浮繞組的互感，W和W是轉矩繞組和懸浮繞組匝數，k、k是轉矩繞組和懸浮繞組的繞組系數，為轉子有效長度，為轉子半徑。

三相無軸承永磁電機典型的調速系統原理框圖如圖8所示。它有兩套控制回路，一個是對磁懸浮位移進行矢量控制，另一個是對轉速進行矢量控制。

5 總結與展望

兆瓦級高速永磁電機具有更高的功率密度和更小的體積，在船舶電力推進上有更廣闊的應用前景。高速永磁電機作為電力推進使用需要齒輪箱降速，以滿足螺旋槳低速推進要求。降速齒輪箱可以是機械齒輪、磁齒輪或設計成PDD準直驅式永磁電動機。機械齒輪具有體積小、重量輕，但機械噪聲大的特點，在噪聲指標要求比較高的情況下，磁齒輪的選擇就更加重要。PDD準直驅式永磁電動機是目前技術研究、發展的熱點，但由于其結構緊湊、復雜，在實際應用中PDD的結構優化設計、電磁設計和散熱設計等方面還有許多技術需要突破。在通常情況下，高速永磁電機機械軸承在高轉速時發熱嚴重，減小了電機的壽命，帶來較大的噪音，需要采用磁懸浮技術設計。磁懸浮技術主要有磁懸浮軸承和無軸承電機兩種，磁懸浮控制力的大小和精度是高速永磁電機實際應用中所面臨的又一個挑戰。

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Current Status and Perspective of High-speed Permanent-magnet Propulsion-motor System

Wang Jiangqiang1, Wang Jia2

（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Digital Engineering Institute，wuhan 430074, China）

TM351

A

1003-4862（2018）08-0001-05

2018-06-01

王堅強（1963-），男，研究員。研究方向：電機。E-mail: 393916965@qq.com