水下探測器的推進電機損耗和溫升分析

李思源，夏加寬，王天海，魏明倫

應用研究

水下探測器的推進電機損耗和溫升分析

李思源，夏加寬，王天海，魏明倫

(沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870)

永磁同步推進電機 凸極率 損耗 溫度場

0 引言

隨著海洋事業對高性能電機的需求增大，高功率電機逐漸成為發展和研究的對象。推進電機被廣泛應用于艦船和水下裝備，推進電機主要有直流電機，交流電機和永磁電機等。永磁同步電機具有結構簡單，效率高，運行可靠等優點，適用于水下推進電機。但是永磁電機定子繞組中電流較大，導致定子繞組銅耗較大，從而使繞組溫升較高。高速旋轉的永磁電機中氣隙磁密較大，從而增加鐵芯損耗以及永磁體中的渦流損耗。永磁推進電機體積較小，因此永磁推進電機向高速和高效發展必須考慮損耗問題，對比不同永磁推進電機的損耗和溫升結果具有重要意義[1]。

目前電機設計過程中，電機損耗和溫升問題的關注程度遠不及電磁場分析[2-3]，其實兩者是密切相關的。上述文獻對永磁電機的損耗和溫升計算進行大量研究，為進一步對永磁推進電機溫升研究打下基礎。但針對永磁推進電機，特別是應用于水下的內置式永磁推進電機的相鄰磁極間距對多物理場影響研究還比較少，但溫升對于電機設計和提高電機的功率密度至關重要。

本文以內置式V型永磁推進電機為研究對象，以有限元仿真平臺為基礎，并建立了電機三維仿真模型，對比分析不同相鄰磁極間距時永磁推進電機的電磁性能，損耗和溫升，總結出不同相鄰磁極間距對永磁推進電機的電磁場，損耗和溫度場等多物理場的影響。驗證電機設計的準確性并得到性能較好的電機設計方案，對于水下小功率永磁推進電機的設計提供一定參考價值。

1 永磁同步推進電機結構分析

圖1 永磁同步推進電機截面圖

圖2 內置V型轉子結構

表1 永磁同步推進電機主要參數

1.1 相鄰磁極間距對弱磁能力的影響

改變相鄰磁極間距會導致交、直軸電感變化，從而改變凸極率和電磁轉矩。通過Ansys有限元仿真，計算電機在不同相鄰磁極間距時，電機交軸電感、直軸電感、凸極率以及電磁轉矩的變化規律，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 電感隨相鄰磁極間距變化規律

隨著相鄰磁極間距的增大，直軸電感變化不明顯，但是交軸電感隨著相鄰磁極間距的增加而增加，因此電機的凸極率也隨著相鄰磁極間距的增加而增加。直軸磁路集中于永磁體垂直中心線附近，每極永磁體垂直中心線的磁阻特性是影響直軸電感的重要因素。隨著相鄰磁極間距的變化，永磁體軸線的磁阻特性變化不大，因此直軸電感變化不大。交軸磁路集中于相鄰磁極的物理中心線上，隨著相鄰磁極間距的增加，交軸磁阻減小，因此交軸電感增大。凸極率即電機交軸電感與直軸電感的比值隨著相鄰磁極間距的增大總體呈現波動上升趨勢。一般來說，永磁同步推進電機的凸極率可以體現該電機凸極效應的強弱，而凸極效應的強弱會直接影響永磁同步推進電機電磁轉矩的大小，凸極效應越明顯則電磁轉矩越大。

圖4 凸極率隨相鄰磁極間距變化規律

圖5 轉矩隨相鄰磁極間距變化規律

2 推進電機發熱分析

熱量的傳遞主要包括熱傳遞、熱對流以及熱輻射三種基本方式[3]。基于永磁同步推進電機，定子繞組產生熱量，一部分通過絕緣層傳導至與繞組密切接觸的定子鐵心，定子鐵心再與外界通過熱交換的方式將熱量散出去；另一部分通過絕緣層，由熱對流的方式通過氣隙傳遞給轉子，再由轉子通過熱傳遞的方式傳遞給永磁體，最后通過轉子與外界通過熱對流的方式把熱量散到空氣中。以上過程中，熱傳導和熱對流在熱傳遞中占據主要作用。

2.1 熱源的確定

電機損耗是溫度場的熱源，損耗分析是電機溫度場分析的基礎，也是提高電機效率的主要方式。電機損耗計算的準確性直接影響電機溫升的精度[4]。因此，本文主要研究電流在永磁推進電機定子繞組中產生的銅耗、交變磁場在永磁體中引起的渦流損耗對溫升的影響。

2.1.1 定子繞組銅耗

銅耗是電機運行時電流在定子繞組中產生的損耗，是影響電機溫度的主要因素。對于三相繞組電機，假設電流在導線上均勻分布[5]，則總銅耗可以表示為

式中，為繞組中的相電流；為每相繞組電阻。對于本文的永磁同步推進電機的銅耗通過上式計算，結果為325 W。

2.1.2永磁體渦流損耗

永磁同步推進電機中的永磁體處在隨時間變化的交變磁場中，永磁體內部產生渦流。永磁體的橫截面為矩形，永磁體渦流損耗[6]計算公式可表示為

2.1.3 定子鐵耗和轉子鐵耗

電機定、轉子的鐵心由硅鋼片構成。在電機運行時，定、轉子鐵心處于復雜變化的磁場中，變化的磁場使硅鋼片產生磁滯損耗和渦流損耗即鐵心損耗，鐵耗[7]的計算公式可表示為

圖6 永磁同步推進電機損耗曲線

2.2 電機散熱系數的確定

散熱系數由很多方面決定，主要與流體的溫度和流體的流速有關，精準計算散熱系數存在難度。多數電機企業都根據長期試驗積累，總結出電機表面的散熱系數公式，本文設計的永磁同步推進電機部分散熱系數計算如下。

2.2.1 電機定轉子間的散熱系數

電機定子和轉子之間存在氣隙，氣隙中的空氣傳遞定、轉子間的熱量，但是傳熱系數計算比較困難。導熱系數一般采用等效計算，即定子和轉子表面之間建立對流連接。等效對流傳熱系數的數值主要由電機轉子半徑，電機轉速和氣隙長度決定[8]，可表示為