MD－W5040 水下推進器外轉子電機設計與分析*

毛政祥，黃 誠，盧 東，馮振富，周志偉

（1.江門馬丁電機科技有限公司，廣東江門 529000；2.五邑大學智能制造學部，廣東江門 529020）

0 引言

水下推進形式基于其載體的整體結構特征和工作環境不同可分為為多種形式，如電機推進、液壓推進、噴射推進、仿生推進等。電機推進是以電機為驅動源，帶動螺旋槳的葉片旋轉，由水的反作用力實現推進［1－2］。永磁電機具有結構簡單、體積小及可靠性高等特點，在小型水下機器人中廣泛應用。根據其轉子位置，電機分為內轉子與外轉子電機。外轉子結構為轉子在外，定子在內，具有定子激磁電流小，力能指標高、易于調速和節能效果好等特點，在相同體積和電參數條件下，外轉子氣隙直徑較大，比內轉子轉動慣量大、散熱好、節省銅線、效率和輸出功率高等［3－4］。

文獻［5－8］分別對直驅風機葉輪的外轉子電機、電動汽車輪轂電機、帶式輸送機直驅電機電磁、齒槽轉矩、定轉子氣隙磁場、輸出轉矩與徑向力波、電機溫升等進行了分析研究，不同程度地提高了電機的使用性能。

本文設計了一款外轉子結構的MD－W5040 水下推進器電機，分析了其結構特點，并采用ANSYS Maxwell 對其負載工況下的磁特性、電機穩態負載下的磁熱耦合場進行了分析，得到電機各部件在穩態負載下的溫度，對電機設計合理性進行了驗證，最后對試制的電機物理樣機進行了測試分析。

1 水下推進器電機結構設計

水下推進器對電機性能要求與MT－W5040 電機主要設計參數如表1～2 所示，設計電機額定功率為250 W。整機模型與結構如圖1～2 所示。

圖1 電機整機外觀

圖2 電機剖面結構

表1 水下推進器電機性能要求

表2 MT－W5040 水下推進器電機主要參數

MD－W5040電機結構設計：（1）考慮表貼式永磁體結構緊湊、質量輕，有較高的磁能積和磁場穩定性，能在高溫高速運轉的環境下保持穩定磁場強度等特點［4－5］，電機中的永磁體采用表貼式結構置于轉子內壁；（2）轉子杯由轉軸、后端蓋、機殼組成聯為一體，其轉軸與后端蓋、后端蓋與機殼均為緊固聯接，過盈值分別為0.01～0.03 mm和0.02～0.04 mm，測試兩對配合面的脫出力分別為≥100 kg和200 kg，滿足要求；（3）定子部分設計將定子鐵心壓裝至前端蓋上，使結構更加緊湊，定子鐵心與前端蓋為過盈配合，過盈量為0.01～0.02 mm，脫出力大于或等于50 kg；（4）推進器的螺旋槳安裝在電機轉軸上，為平衡推進器產生的軸向力前端蓋兩端各安裝3 個軸承，有效提高軸承壽命。

2 建立模型及電磁仿真分析

2.1 建立Maxwell 2D仿真模型

采用Maxwell軟件內置RMxpet 模塊建模。簡化軸承和繞組后，賦予定子鐵心材料為35JN300、繞組為銅、永磁體為釹鐵硼N38H，可得Maxwell 2D 模型如圖3 所示。電機網格劃分時先對定子和氣隙進行網格加密，其余部件按軟件默認網格來劃分，如圖4 所示。

圖3 電機仿真模

圖4 網格劃

2.2 負載工況下的電磁仿真分析

電機負載磁密是電機的一個重要參數，反映電機的負載能力和性能。水下推進器電機負載磁密如圖5 所示，電機定子軛部負載磁密為1.3 T 左右，永磁體處磁密約為0.78 T，低于硅鋼片飽和磁密。

圖5 負載磁密云圖

齒部最大磁密可反映電機的磁路設計是否合理，磁密過低，其輸出功率會受到影響，而磁密過高則會導致電機發熱嚴重，甚至燒毀。圖6 所示為負載時電機定子齒部磁密圖，定子齒部最大磁密低于1.6 T。

圖6 負載定子齒部磁密

電機負載輸出轉矩可以用來衡量電機的工作能力和適用范圍。水下推進器電機負載輸出轉矩如圖7 所示，電機零轉矩啟動，仿真運行1.25 ms 后趨于平穩，轉矩平均值達到0.8 N·m，峰值為0.87 N·m，表明電機負載時平滑性能較好。

圖7 負載電機輸出轉矩

3 電機電磁－熱耦合仿真分析

3.1 建立Fluent溫度場3D仿真模型

對于永磁電機，永磁體溫升直接影響電機的電磁性能，過高的溫升甚至會引起永磁體的不可逆退磁，縮短使用壽命。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［7，9］。電機負載時穩態運行所產生的溫升大小可判斷電機設計的合理性，減少或避免電機由于高溫而造成的損壞和故障，以及實際負載運行時永磁體溫度而導致永磁體退磁，確保電機工作性能與使用壽命。本文通過求出電機在負載時的損耗，將這些損耗以熱源的形式加載至Fluent流體場模塊中進行磁熱耦合分析，計算電機穩態負載溫度［10－11］。

溫度場仿真分析時只關注與溫度相關的物理特性，Workbench軟件可準確地估計導熱系數、比熱容等物理參數，其中一部分可能具備固有的特征，而另一部分卻很難準確測量，因此只能依靠經驗公式來計算。對電機模型的材料屬性設置在Engineering Data 模塊中進行，在該模塊中可自由地設置材料物理屬性，表2 所示為電機材料的屬性值。

表2 水下推進器電機主要參數

簡化后的溫度分析模型如圖8 所示，將模型導入SpaceClaim中，完成轉子機殼和永磁體，定子繞組和空氣、繞組和定子鐵心等接觸面的設定，接觸條件設置為軟件自帶的Banded 條件，各個部件采用手動網格剖分。劃分網格后的模型如圖9 所示。

圖8 溫度場分析模型

圖9 劃分網格后的模型

3.2 負載損耗求解

當電流流向繞組時使電能轉化為熱能，從而導致繞組發熱。此外，繞組的銅線在傳輸電流的過程中也會產生一定的電磁場使銅線發熱。電機定子繞組銅損曲線如圖10 所示，分析表明，電機銅耗1.25 ms 時趨于穩定，平均值為10.73 W，穩定后損耗曲線呈規律性脈沖狀。

圖10 負載銅損

電機負載鐵損是指電機運行的電磁感應作用，使鐵心發生磁化和消磁的過程，產生的能量損耗，水下推進器電機鐵損曲線如圖11所示，波形呈周期性變化，均值為9.85 W。

圖11 負載鐵損

受永磁電機轉子體積和散熱的限制，渦流損耗引起的溫升會導致永磁體退磁或失磁，降低了電機運行的安全性與可靠性［12］。圖12 所示為永磁體渦流損耗計算結果，損耗均值為1.27 W，永磁體隨轉子轉動時，永磁體經過定子鐵心齒部時峰值為4 W。

圖12 負載渦流損耗

3.3 電機穩態負載溫度分析

在完成電機材料的熱傳導和邊界條件的設置、等效處理和熱源導入后可得溫度云圖，如圖13～16 所示。

圖13 定子鐵心溫度

圖13 所示為穩態負載時定子鐵心溫度云圖，鐵心溫度在127～128 ℃，定子軛部溫度為127 ℃，最高溫度區域出現在定子與繞組接觸的部分，繞組銅線纏繞在定子鐵心上，定子鐵心本身也存在渦流損耗，也是發熱源。圖14 所示為定子繞組在穩態負載時的溫度。負載時，繞組銅線電流增大，銅損也增加，而渦流損耗相對較小，銅損耗比渦流損耗大。分析可知，電機的最高溫度為128 ℃，集中與定子鐵心包裹處。

圖14 定子繞組溫度

圖15 所示為電機穩態負載運行時永磁體的溫度。工作時永磁體所處的磁場中會產生渦流會導致永磁體發熱［13－15］。仿真結果顯示永磁體在負載運行時最高溫度約為102 ℃，低于釹鐵硼N38H的退磁溫度120 ℃。轉子機殼處于電機最外面，約為95 ℃，如圖16 所示。同時，考慮電機在水下工作時，水會從轉、定子之間的縫隙進入電機內部，可進一步降低電機工作時產生的溫升。綜上，定子、繞組、轉子和永磁體的最高溫度均低于130 ℃，滿足表3所示的電機結構中絕緣結構的耐熱B級溫度要求。

圖15 永磁體溫度

圖16 轉子溫度

表3 常見電機和電機結構中絕緣結構的耐熱等級

4 性能測試與分析

測試目的：驗證W5040 水下推進器電機加載結果是否滿足表1 所示水下推進器電機性能要求。

測試裝置：MD－1 電機綜合測試裝置，該裝置配有數據采集與分析系統，如圖17 所示。

圖17 W5040水下推進器電機測試

測試按照GB／T 7345—2008《控制電機基本技術要求》、GB／T 21418—2008《永磁無刷電動機系統通用技術條件》和企業檢測標準執行［4－5］。對編號為1、2、3的物理樣機分別進行3次測試后，取均值如表4所示。結果表明，對電機施加額定電壓、電流時，電機轉速、扭矩，以及電機效率均滿足表1中水下推進器對電機的性能要求。

表4 W5040 水下推進器電機性能測試結果

5 結束語

（1）本文設計了一款12 槽14 極、250 W 的外轉子水下推進器直流永磁電機，分析了其結構特點。

（2）建立了電機仿真分析模型，計算了電機的磁場磁密、輸出轉矩、負載損耗等，并將損耗作為熱源在Fluent進行了電機在穩態負載下的溫度計算，驗證了該電機模型設計的合理性。

（3）對試制的電機物理樣機進行了測試分析，結果表明在額定電壓、電流時，電機轉速為3 078 r／min，輸出功率為258 W，扭矩為0.8 N·m，效率為78.8%，滿足水下推進器對驅動電機的性能要求。