环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机设计与分析

苟婷婷， 孙丹丹， 王双虎

(中国飞行试验研究院，陕西 西安　710089)



环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机设计与分析

苟婷婷， 孙丹丹， 王双虎

(中国飞行试验研究院，陕西 西安710089)

开展集成电机推进器技术研究，对水下航行器性能的提高及相关领域研究的进步具有非同寻常的意义。为了提高环驱式集成电机推进器性能，对环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机的结构及设计方法进行了研究。利用解析方法计算永磁无刷直流电动机气隙磁场分布，使用等效磁路法的相关结论获取电机电磁参数，给出定转子参数、电气参数以及电机损耗的确定方法，并对所设计的电机利用电机电磁场有限元分析软件MagNet进行了磁场分析计算，给出电机空载磁场分布、额定运行时反电势波形、电机负载电压波形及电机负载转矩波形，验证了设计的结果满足集成电机推进器的设计要求。

无人水下航行器；环驱式集成电机推进器；永磁无刷直流电动机；电机设计；电磁场分析

0　引　言

无人水下航行器是一种主要以潜艇或水面舰艇为搭载、布放、支援平台，能够长时间在水下自主远程航行的智能化装置，主要用于反潜战、海洋调查等军事和民用领域[1]。未来无人水下航行器的发展趋势是向大深度、远航程、智能化方向发展，解决无人水下航行器动力推进技术是实现该目标的关键。传统动力推进装置多为分体式结构，体积、重量大，效率低，噪声大。近年来，国外出现了一种新型动力电机和推进器结构一体化的动力推进装置——集成电机推进器(Intergrated Motor Propulsor，简称IMP)。由于其结构紧凑、效率高、振动噪声低、冷却条件好、无需动密封、可模块化设计和拆装的优点，在目前的水下航行器领域中已成为引人瞩目的研究热点。

目前，国外已出现成熟的商业化集成电机推进器产品。德国VIOTH公司[2]推出两种商用无桨毂式集成电机推进器(Voith Inline Thruster，简称VIT和Voith Inline Propulsor，简称VIP)，额定功率有50 kW～1 500 kW共8个系列。英国Rolls-Royce公司[3]推出一种新型集成电机推进器，推进器采用永磁电机作为动力源，有1 000 kW和1 600 kW两种配置。国内对集成电机推进器的研究还停留在原理样机研制阶段，西北工业大学安斌等[4]完成集成电机推进器原理样机研制，驱动电机采用有位置传感器的永磁无刷直流电动机，额定功率160 W，转速750 转/分，采用ANSYS软件对电机电磁场进行有限元分析，给出其空载及负载性能。哈尔滨工程大学张强等[5]研究无刷直流电机在集成电机推进器中的应用及设计方法，文中设计了两种5.5 kW无刷直流电机，转子结构分别采用表面突出式和内置切向式，并对其性能进行对比分析。

本文介绍了环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机的设计方法，并利用有限元方法对电机进行稳态及瞬态分析，分析电机性能。

1　环驱式集成电机推进器结构

图1　环驱式集成电机推进器结构示意图

环驱式集成电机推进器主要由导管、无轮毂螺旋桨叶片、电枢、稀土磁钢、前后滑动轴承、轴承支架等部件组成，如图1所示。环驱式集成电机推进器将电机的转子与推进器螺旋桨叶片集成于一体，电机的定子集成于推进器的导管内，电机运行时，电机转子带动螺旋桨叶片旋转，产生推力，驱动航行器航行。推进器螺旋桨叶片采用无桨毂环驱形式，通过与前后导管固连的两个滑动轴承对其支撑，无后置导流叶片，可以充分利用螺旋桨桨毂部分所占空间，并且能防止叶片被外界杂质损坏。

2　电机结构设计

本文通过预取电机电枢内径、电枢长度、永磁体尺寸，利用解析方法计算永磁无刷直流电动机气隙磁场分布，使用等效磁路法的相关结论对电枢槽型尺寸、绕组参数等进行计算，获取电机电磁参数，并分析电机性能，如果电机性能不满足设计要求，则修改预取电机几何参数，重新计算，直到设计出满足要求的电机。

2.1永磁无刷直流电机气隙磁场的解析计算

图2　内转子永磁电机结构

对电机进行设计时，得到电机空载气隙磁密分布是设计的关键。对于内转子永磁电机而言，已知电机电枢内径、电枢长度、气隙长度、永磁体厚度、永磁体极弧系数、磁化方向及永磁体参数，利用解析方法计算气隙及永磁体内磁密分布。内转子永磁电机结构示意图如图2所示。本文在二维极坐标系下建立内转子永磁电机气隙磁密计算的解析方法。

2.2定转子结构确定

2.4电机损耗计算方法

对于两相导通星形三相六状态的永磁无刷直流电机，其铜损为pcop=2I2RCu。式中RCu为电机每相电阻。

2.5电机效率

3　电机性能分析

电磁场有限元分析是对电机设计结果校核的一个过程，采用有限元方法对电机性能及电磁场分布进行分析，对设计方案合理性进行判断。MagNet软件是专用的电机电磁场有限元分析软件，本文利用MagNet软件对设计的某型环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机进行分析。利用MagNet软件进行电机磁场分析的步骤分为：建模、设定材料、求解模型几何剖分、激励源及边界条件的加载、求解类型的选择、求解和后处理。电机的主要参数见表1。

表1　电机主要参数

3.1电机稳态分析

图3　电机剖分模型图

图4　电机磁力线分布及磁密分布云图

图5　电机一对极下气隙磁密分布波形

建立永磁无刷直流电动机有限元分析模型，电机有限元网格如图3所示，通过MagNet软件稳态求解器对电机空载稳态磁场进行分析，求得电机磁力线分布及磁密分布云图如图4所示。从电机磁力线分布图中可以看出，电机各部分磁力线分布良好，漏磁较少；从电机磁密分布云图中可以看出电机转子轭及电枢齿槽口部分略有饱和，但饱和程度较低，电枢齿部及电枢轭部没有饱和。在设计时，为了节省推进器径向空间并使螺旋桨叶片具有更大的直径，有意减小转子轭厚度，使转子轭部分出现轻微饱和，虽然会增加永磁材料用量，但是可以有效提高螺旋桨对推进器径向空间的利用率，提高推进器效率，并且转子轭及槽口部分的饱和对电机性能的影响有限。通过对电机稳态磁场的分布的分析可以看出电机磁路设计合理。

利用MagNet软件中“Field Arc Graph”工具可以得到一对极下气隙磁密分布波形如图5所示，由图可知，电机气隙磁密分布呈梯形波分布，符合永磁无刷直流电机对气隙磁场的要求，利用复化Simpson数值积分方法求得对应极弧平均的气隙磁密平均值为0.62 T，每极磁通量为8.45×10-4Wb，与设计预期相符。

3.2电机瞬态分析

图6　电机以额定转速运行时A、B、C三相每支路反电势波形

为了验证电机电气部分参数(主要是绕组匝数及绕组排布规律)设计的合理性，本文使用MagNet软件瞬态求解器对电机进行瞬态求解。首先根据电机绕组展开图及绕组参数生成电机线圈及每相绕组，并设置转子旋转速度，计算得出电机在额定转速下三相反电动势波形，如图6所示。

图7　负载A相电压波形

图8　负载转矩波形

根据三相反电势波形图确定导通次序，设置转子负载，电机从0转/分起动，得到A相负载电压波形如图7所示，电机负载转矩波形如图8所示。由图可以看出，电磁转矩在24 N·m左右波动，基本满足设计需求。从图中可以看出电机转矩波动较大，这主要是由于仿真分析时没有设置转子斜槽，实际加工时，通常将电机电枢斜一个槽处理，可以有效消除电机转矩波动。

4　结束语

本文介绍了环驱式集成电机推进器的结构特点，给出了环驱式集成电机推进器用永磁无刷直流电动机的设计方法，并对设计电机的磁场进行了有限元分析校核。通过本文的研究与分析可以得出以下结论：

(1) 本文所设计的电机方案磁场分布合理，气隙磁感应强度、反电势波形、电磁转矩等符合集成电机推进器对电机结构的要求,可以应用于工程加工。

(2) 本文提出的使用解析方法计算电机气隙磁密结合等效磁路法对电机进行设计的方法具有很强的实用性，比传统电机设计方法更适合用于电机优化设计。

(3) 使用MagNet软件对电机磁场进行分析，对电机设计具有很大的指导作用，可以校核电机设计方案的优劣，节省时间和资源。

[1] 马伟锋, 胡震. AUV的研究现状与发展趋势[J]. 火力与指挥控制, 2008, 33(6): 10-13.

[2] Voith Inline Thruster/Voith Inline Propeller[EB/OL]. [EB/OL]. 2013-02-10[2014- 11-20]. http://voith.com/en/products-services/power-transmission/voith-inline-thruster-voith-inline-propeller-11014.html.[3] BRUNVOLL. RIM DRIVEN THRUSTERS (RDT)[EB/OL].2005-6-5[2014-11-20]. http://www.brunvoll.no/product/the-complete-thruster-system/products-193.

[4] 安斌, 石秀华, 宋绍忠. 新型水下集成电机推进器的特种电机研究[J]. 微特电机, 2005, 33(1): 8-10.

[5] 张强, 程鹏, 张敬南. 无刷直流电动机在集成电机推进器中的应用及设计[J]. 微特电机, 2010,38(3): 16-17.

Design and Analysis of a Permanent Magnet Brushless DC Motor for the Loop-driven Integrated Motor Propulsor

GOU Ting-ting，SUN Dan-dan，WANG Shuang-hu

(China Aviation Experiment Academy, Xi’an Shaanxi 710089, China)

Technical research on the integrated motor propulsor plays an extraordinary role in the improvement of underwater vehicle performance as well as the progress in related research fields. In order to improve the performance of the loop-driven integrated motor propulsor, this paper studies the structure and design methods of a permanent magnet brushless DC motor. Air-gap magnetic field distribution of the permanent magnet brushless DC motor is calculated in the analytic method. Related conclusions of the equivalent magnetic circuit method are used to obtain electromagnetic parameters of the motor. This paper gives the method for determining parameters of the stator and rotor, electrical parameters and motor loss. It uses magnet field finite element analysis software MagNet to carry out field analysis and calculation for the designed motor, and gives no-load magnetic field distribution of the motor, back EMF waveform in rated operation, motor load voltage waveform, and motor load torque waveform. It is verified that the design result can meet the design requirement of the integrated motor propulsor.

unmanned underwater vehicle; loop-driven integrated motor propulsor;permanent magnet brushless DC motor; motor design; magnetic field analysis

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.001

TM351

A

1000-3886(2016)02-0001-03

苟婷婷(1985-)，女，陕西咸阳人，硕士生，工程师，研究方向：试验机设计改装与方法研究；孙丹丹(1988-)，女，陕西澄城人，学士/大学本科，工程师，研究方向：试验机设计改装与方法研究；王双虎(1984-)，男，甘肃庆阳人，学士，工程师，研究方向：试验机设计改装与方法研究。

定稿日期: 2015-07-28