不同槽极配合方案下的六相永磁容错轮缘推进电机性能研究

马 瑞，朱景伟，林乾宏，于 超，张延斌

(大连海事大学 船舶电气工程学院，辽宁 大连 116026)

0 引 言

轮缘推进器是一种高性能电力推进船舶推进器，它采用集成化思想，是将电机与螺旋桨一体化设计，具有体积小、重量轻、振动噪声小、效率高、易于控制等优点[1,2]。既可以作为推进电机使用，又可以作为潮汐能发电机使用。目前，轮缘推进器用电机主要包括交流感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机、高温超导交流同步电机等[3,6]。现有的轮缘推进器性能良好，但是并不具备故障容错能力。

永磁容错电机作为航空用电机首次出现，具有功率密度高，容错性能好等优点，能够在电气故障下继续稳定运行[7]。近年来，永磁容错电机技术飞速发展，其应用已经拓展到电动汽车、直升机绞车、医疗、海浪发电等领域[8-11]。轮缘推进器作为船舶主推进器，一旦发生故障，船舶只能在海上漂泊等待救援。因此，研究具有容错能力的永磁容错轮缘推进电机(FTPM-RDM)使得船舶在发生电气故障时能够返航维护具有实际意义与应用价值。FTPM-RDM通过非故障相来抵消故障相所造成的影响，因此要求FTPM-RDM每相的功率具有一定冗余。相数越多，FTPM-RDM冗余能力越强，但控制电路越复杂。综合考虑，六相FTPM-RDM被视为较优的选择[12]。由于FTPM-RDM定、转子轭部较薄，往往采用非常规的多磁极设计方案，多磁极FTPM-RDM存在较多极槽配合方案，设计比较灵活，需要对不同极槽配合方案进行比较分析，根据应用环境选择合适的极槽配合方案。

本文分析了FTPM-RDM的结构特点，给出六相FTPM-RDM可能存在的分布系数为1的极槽配合方案，并对其谐波进行分析。采用理论分析与场路耦合仿真相结合的形式比较一定槽数下不同极槽配合方案对六相FTPM-RDM性能的影响。

1 六相FTPM-RDM结构特点及谐波分析

1.1 FTPM-RDM结构特点

轮缘推进器具有如下结构特点[13]：

(1)轮缘推进器呈扁平结构，定、转子轭部较薄，螺旋桨直接焊接在转子上。

(2)为了降低定、转子轭部磁密，采用多磁极设计方案。由于转子轭部较薄，一般采用表贴式永磁体。

(3)采用大气隙方案，永磁体外由一层防腐物质包裹，并采用保护套筒固定永磁体。

(4)气隙中海水可以自由流溢，具有良好的散热性能。

FTPM-RDM是一种特殊结构的轮缘推进器，各相绕组间存在物理隔离、磁隔离、热隔离和电气隔离，其结构示意图如图1所示。

图1 FTPM-RDM结构示意图

除具有传统轮缘推进电机的特点外，FTPM-RDM需要采用单层集中式定子绕组，每相绕组间存在隔离齿，每相定子绕组采用独立的H桥逆变器供电。为了提高电机抑制短路电流的能力，采用深而窄的槽口设计增大槽口漏感。

1.2 六相FTPM-RDM绕组分布

六相FTPM-RDM中具有两套三相定子绕组，一套是A、B、C三相绕组，另一套为U、V、W三相绕组。由文献[8]可知分布系数不为1的结构抑制匝间短路电流的能力远不如分布系数为1的结构，因此本文仅对分布系数为1的结构进行研究。

分布系数为1的结构为单元电机的周期性重复，增加单元电机数目，槽数和极数成倍增加，单元电机数目为k时，其谐波次数为单元电机的k倍。分布系数为1的FTPM-RDM的绕组系数与短距系数相等，绕组系数为

(1)

式中，p为电机极对数，Qs为定子槽数。由式(1)可知，FTPM-RDM绕组系数不随单元电机数变化而发生改变。六相FTPM-RDM单元电机存在两种情况，一种为最少槽12槽结构，一种为每相存在正向和反向两个绕组的24槽结构。不同极槽配合下六相FTPM-RDM单元电机的绕组系数计算结果如表1所示。

表1 不同极槽配合下六相FTPM-RDM的绕组系数

考虑相序，不同极槽配合的六相FTPM-RDM单元电机绕组分布如图2所示。

图2 六相FTPM-RDM单元电机绕组分布图

图中(a)、(d)为双Y位移0°结构，(e)、(f)、(g)、(h)为双Y位移30°结构，(b)、(c)为双Y位移60°结构。

1.3 六相FTPM-RDM谐波分析

由文献[8]可知，图2中(e)、(f)、(g)、(h)结构视为半十二相电机进行分析。假设电机气隙均匀，不考虑定子齿槽的影响。当仅对A相某一齿上绕组施加余弦电流 时，在气隙中产生的磁动势分布如图3所示。

图3 A相某一齿上绕组在气隙中产生的磁动势分布图

气隙磁动势用傅里叶级数表示为

(2)

式中，I为电流幅值，ω为角频率，θm为定子圆周方向相对定子齿中心线的机械角度，nt为每槽导体数，n为谐波次数。

A相绕组产生的气隙磁动势的表达式为

(k-1)))cos(ωt)

(3)

由式(3)可知，每相绕组气隙磁动势仅存在kn次谐波，n=1，2，3…。其它相与A相类似，仅在时间和空间上相差一定电角度。

由和差化积公式可知，12∶8和12∶16槽极比结构含有k((2、4)+6a)次谐波，12∶10和12∶14槽极比结构含有k((1、5)+6a)次谐波，24∶14和24∶34槽极比结构含有k((5、7)+12a)次谐波，24∶22和24∶26槽极比结构含有k((1、11)+12a) 次谐波。

FTPM-RDM的谐波次数为单元电机谐波的k倍，谐波总量不随单元电机数变化而发生改变。其中，12∶8和12∶16槽极比结构中2k次谐波为转子转速的3倍，12∶10和12∶14槽极比结构中k次谐波为转子转速的6倍，24∶14和24∶34槽极比结构中5k次谐波为转子转速的2.4倍，24∶22和24∶26槽极比结构中k次谐波为转子转速的12倍。谐波与转子相对转速越大，永磁体涡流损耗越大。24∶22和24∶26结构中的k次谐波相对于基波转速最大，相同电流下产生的涡流损耗更多，需要采取永磁体分块等措施降低涡流损耗。

2 六相FTPM-RDM性能分析

单元电机数大于1的结构仅仅是单元电机在机械空间上的重复，因此一定槽数下不同极数FTPM-RDM性能的比较结论推广到其他槽数。为了包含所有可能存在的分布系数为1的极槽配合方案，本节以48槽六相FTPM-RDM为例搭建有限元仿真模型，采用相同的电机参数，仅改变极数和绕组分布方式。为了避免铁心饱和影响分析结果，假设每种结构下铁心磁密都不饱和。由于气隙磁密幅值随着极数增加而减小，当28极六相FTPM-RDM铁心不饱和时，其它极槽配合方案下铁心也不饱和。因此，所采用的FTPM-RDM仿真模型参数如表2所示。

表2 FTPM-RDM仿真模型参数

2.1 空载性能分析

本节基于Maxwell对FTPM-RDM进行仿真研究。随着永磁体数量的增加，永磁体漏磁系数随之增加，但由于绕组系数不同，并不是永磁体越少越好。不同极槽配合下空载反电动势基波幅值E和谐波畸变率THD如表3所示。

表3 空载反电动势基波幅值与谐波畸变率

由表3可知，40极结构和44极结构永磁体空载反电动势基波幅值较高，即绕组综合利用率高，但谐波畸变率较大。32极结构谐波畸变率较低，同时兼顾了永磁体和绕组综合利用率。

齿槽转矩脉动是衡量电机性能的一项重要指标，电机每旋转一个齿距，其周期数为

(4)

GCD(Qs,2p)为槽数与极数最大公约数，一个齿距内齿槽转矩脉动周期数和齿槽转矩脉动Tcog幅值如表4所示。

由表4可知，随着周期数增加，齿槽转矩脉动降。其中，44极结构、52极结构、68极结构齿槽转矩脉动很小，有限元计误差为主要成分，齿槽转矩脉动不呈周期性分布，故没有给出具体数值。

表4 齿槽转矩脉动周期数与幅值

为了使FTPM-RDM具有抑制短路电流能力和故障隔离能力，要求电机具有较大的绕组自感和较小的相间互感。以A相为例，空载下，绕组自感LAA与互感LAB、LAC、LAU、LAV、LAW有效值随极数变化如表5所示。

表5 A相自感与互感

仿真结果表明，绕组互感低于自感的1.1%，FTPM-RDM具有良好的相间磁隔离能力。具有正向和反向绕组的28极、44极、52极、68极结构互感最小，磁隔离能力更强。极数变化和绕组是否为正、反方向绕组结构会导致绕组自感发生改变，但这种变化并不明显。

2.2 抑制短路电流能力分析

FTPM-RDM短路电流计算公式如下所示：

(5)

式中，E0为空载反电动势，ωe为电角速度，Ls为绕组自感，R为绕组电阻。额定转速时绕组电阻可忽略不计，短路电流与空载反电动势、电角速度和绕组自感相关。仿真时通过外电路将FTPM-RDM相绕组端部短接模拟短路故障。不同极槽配合下A相短路电流有效值随速度变化如图4所示。

由图4可知，低速运行时绕组电阻不可忽略，短路电流低于高速运行时。高速运行时，绕组电阻忽略不计，短路电流基本不再随速度发生变化，且极数越多短路电流越小。因此，只要额定转速时短路电流在限定范围内，其它转速下的短路电流也满足要求。一定槽数下，极数越多抑制短路电流能力越强。

图4 不同极槽配合下短路电流随速度变化曲线

短路电流通过互感在正常相感应出电压EB、EC、EU、EV、EW，A相短路电流在无故障相感应出的电压有效值如表6所示。

表6 A相短路电流在无故障相感应出的电压有效值

由表6可知，A相短路电流在无故障相感应出的电压很小，结果表明FTPM-RDM具有良好的磁隔离能力。

2.3 损耗及效率分析

电机效率是衡量电机性能的重要指标，忽略开关损耗、机械损耗等其它损耗，基于Simplorer搭建外电路，每相由单独的H桥供电，采用电流滞环控制策略进行场路耦合仿真。额定负载及额定转速下FTPM-RDM的铜耗Pcu，铁耗Pfe，永磁体涡流损耗Pye以及效率η如表7所示：

表7 FTPM-RDM损耗及效率

由表7可知，与铜耗和铁耗相比，FTPM-RDM涡流损耗很小。由于频率和铁心磁密随极数变化规律相反，因此电机铁耗变化不明显。仿真结果表明，相同结构下40极结构具有最大的电机运行效率。

FTPM-RDM适用于海上发电、舰艇货船等领域。由于发电机对电能质量要求较高；舰艇要求推进电机性能好、噪声小、可靠性高；货船更重视成本。因此12:8槽极比适合作为发电机使用；24∶22槽极比结构适用于舰艇；12∶10槽极比结构适用于货船。

3 结 论

本文研究了六相FTPM-RDM的极槽配合和绕组分布，给出了单元电机具体的绕组分布形式，并对其谐波进行分析。本文对48槽结构的各种极槽配合方案的电机性能进行研究，得到的结论可以推广到具有相同槽极比的其它槽数六相FTPM-RDM中。本文结论如下：12∶8槽极比结构电机适用于发电机运行，可以作为潮汐能发电机使用。:22槽极比结构电机适用于对转矩脉动和故障容错能力要求高的军用船舶推进器中。12∶10槽极比结构电机适用于对于经济性要求较高的民用船舶推进器中。