双转子对转轴向磁场永磁电机的设计与分析

钱 乐

(中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

十八大提出“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”[1]，发展高性能水下航行器对强化我国海洋装备力量有重要的战略意义。水下航行器的最大航速和最大航行时间是重要的性能指标，其在很大程度上是由水下推进电机的性能来保证。发展高性能水下推进电机已成为重点研究任务。

将两个螺旋桨前后布置在同一轴线上，驱动两个螺旋桨同速反向对转，可保持被推进物体在水下或者水面上的平衡，能克服单个螺旋桨高速旋转易造成航行器侧翻的不足[2]，也能使前螺旋桨产生的涡动能量被后螺旋桨利用，用于增强水下推进系统的推进动力。对转螺旋桨，如图1所示，已被广泛用于船舶推进和鱼雷等水下航行器驱动。

图1 对转螺旋桨

对转永磁电机拓扑主要分为两类：径向磁通共定子式双转子电机、轴向磁通共定子式双转子电机。

美国Wisconsin大学LIPO教授提出了一种径向磁通共定子式双转子永磁电机[3]，电机的拓扑结构如图2所示。该电机内外转子共用一个定子，定子上布置相互独立的两套线圈。该电机的优势是结构简单、加工工艺支撑性好、制造成本低，但内、外转子的设计较为复杂、输出转矩不平衡、散热困难，其采用径向结构，轴向长度长，结构不紧凑。因此，这种结构的电机不利于集成在水下推进系统中。

图2 电机拓扑结构图

轴向磁场永磁电机与传统径向磁场电机的区别在于其气隙呈平面型，气隙磁场沿轴向分布。它具有结构紧凑、轴向长度短、功率密度高、效率高、质量轻等优点，适合集成于对空间要求高的场合。

轴向磁场永磁电机的拓扑结构众多，主要分为两类：一类是TORUS结构的盘式电机，由n+1个转子和n个定子组成；另一类是KAMAN结构的盘式电机，由n个转子和n+1个定子组成[4]。如图3所示，也可根据电机定子与转子的数目不同，分为以下几种拓扑结构：(a)单定子单转子结构；(b)双转子单定子结构；(c)双定子单转子结构；(d)多盘式结构。

图3 轴向磁场永磁电机分类

国内学者提出一种盘式对转双转子单定子永磁同步电机[4]，其拓扑结构如图4所示。电机定子位于两个转子中间，只采用一套交叉环绕在定子上三相绕组。两个转子对转运行需要通入一组对称三相电流，这样在定子两侧会产生方向相反、大小相同的两个旋转磁场，两个永磁转子在旋转磁场的作用下同步跟随旋转[5]。该电机保持了轴向磁场电机结构紧凑的优势，但这种结构绕组嵌绕方式复杂，增加定子盘制作成本，定子盘需采用无齿槽结构，且定子、绕组强度不高。

图4 交叉环形绕组对转盘式电机

针对以上问题，本文首先提出了一种双转子对转轴向磁场永磁电机拓扑，其采用轴向磁场永磁电机作为基本拓扑，以确保电机结构紧凑，易于在水下推进系统中集成；且保持定子以及绕组工艺与传统轴向磁场永磁电机一致，减少设计难度、加工难度；最后，对提出的双转子对转轴向磁场永磁电机进行有限元建模、仿真、分析，验证其电磁设计的有效性和正确性。

1 电机的结构与原理

1.1 电机基本结构

本文的双转子对转轴向磁场永磁电机采用两个独立的单定子单转子轴向磁场永磁电机结合形成，如图5所示，中间使用非导磁结构件连接，两个独立的定子盘对应的电枢绕组采用不同连接方式，两侧绕组相序相反，使得两个定子盘产生同速反向的旋转磁场，从而带动转子运动，形成对转结构。

图5 电机基本结构

由于两个独立的单定子单转子的轴向磁场永磁电机之间采用非导磁材料连接，各自的磁路不会交叉耦合，磁路首先由永磁体N极发出，穿过N极处气隙，进入定子齿，再到达定子背轭，穿过背轭后，再依次经过定子齿、S极处气隙、S极永磁体，再通过转子背轭回到永磁体N极形成磁通路。两侧电机磁路相互独立，且沿非导磁结构件对称，如图6所示。

图6 电机磁路示意图

这种结构轴向尺寸小，电机结构紧凑，占用空间小，易于在对空间要求高的场合集成。电枢绕组安装在定子上，无碳刷滑环结构，故障率低，稳定性强，适合应用在可靠性要求高的水下推进、风力发电等场合。虽然单定子单转子轴向磁场永磁电机有单边磁拉力的问题，但本文的电机使用非导磁材料将两个独立电机连接，左右两侧产生的单边磁拉力抵消，同样具有稳定性。

1.2 电机运行原理

轴向磁场永磁电机两个转子盘要形成对转运动，需要在定子两侧气隙产生两个同速反向的旋转磁场。本文的双转子对转轴向磁场永磁电机两个定子的绕线方式示意图，如图7所示。其中左右两侧带有字母的方块表示电枢绕组，假设左侧绕组设置为正向，可以看出，右侧绕组更换了A相和B相的嵌放位置，即实现了定子两个绕组的相序相反。

图7 电机绕组连接示意图

从数学推导来分析产生旋转磁场产生的原理。取A相绕组的轴线作为空间电角度θ的坐标原点，并选择A相电流达到最大值的瞬间作为时间的零点，则三相绕组流过的电流分别：

(1)

式中：I为相电流；ω为电角频率。

A、B、C三相各自磁动势基波：

(2)

式中：Fφ1为每相磁动势基波幅值。

进一步化简式(2)得到：

(3)

将fA1、fB1、fC1相加，得到三相合成磁动势：

(4)

结合图8，易看出，在交换A、C相绕组位置后，通入三相对称电流，可在定子两侧气隙中产生一组转速相同、方向相反的旋转磁场。

图8 同速反向旋转磁场产生的原理

2 双转子对转轴向磁场永磁电机的设计

电机的尺寸方程是电机设计初期确定关键参数的重要依据。本文的双转子对转轴向磁场永磁电机结构拆分为两个单定子单转子轴向磁场永磁电机单元，完成每个电机单元的设计，将绕组正确连接，再将两个电机使用非导磁材料固定在一起。

忽略电枢绕组铜耗，电机的输出功率P可以表示[6]：

(5)

式中：η为电机的效率；m为电机的相数；T为电机的电周期；e(t)为相反电动势；i(t)为相电流；Epk和Ipk分别为相反电动势和相电流幅值。kp为电功率波形系数，定义：

(6)

式中：fe(t)=e(t)/Epk；fi(t)=i(t)/Ipk。

相反电动势幅值可以表示：

(7)

式中：Ke为电机绕组系数；f为电机频率；αp为极弧系数；Bg为气隙磁密；Ns为相绕组匝数；Do和Di分别为电机外径和内径。

轴向磁场电机的电负荷可以表示[7]：

(8)

式中：Da为定子铁心内外径平均值。

相电流峰值可以表示：

(9)

将各式整合代入，可得电机输出功率表达式：

(10)

本文研究的双转子对转轴向磁场永磁电机用于水下航行器的驱动，额定转速设计为800 r/min，对应输出为90 N·m，结合需求以及尺寸方程，确定电机基本尺寸；本文电机选用10极12槽的结构。电机基本尺寸参数如表1所示。

表1 电机主要尺寸和电机参数

3 双转子对转轴向磁场永磁电机的有限元分析

3.1 电机本体三维有限元建模

本文的双转子对转轴向磁场永磁电机磁场较为立体、复杂，只能借助三维电磁场对其进行分析。

电机的有限元模型与网格剖分如图9所示。三维有限元模型计算时间较长，为提高计算效率，由于电机结构的对称性，满足周期性边界条件，取电机1/2模型进行计算。

图9 三维有限元模型

3.2 有限元计算结果分析

图10为选取本文的双转子对转轴向磁场永磁电机一个电周期中三个时间点得到的磁密云图。平均半径处的两侧气隙磁密具有较好的对称性，如图11所示，且气隙磁密幅值接近1 T。

图10 磁密云图

图11 定子两侧气隙磁密

图12、图13分别为电机空载情况下的磁链以及反电动势波形。反电动势波形的幅值在80 V左右。

图12 磁链波形

图13 反电动势波形

图14为两个转子的转矩波形，采用id=0控制，此时给定有效值为100 A的三相对称正弦电流。从图14中可以看出，两个转子转矩方向相反，大小相等，与前文分析的同速反向旋转磁场带动两个转子对转的结论一致。

图14 转矩波形

4 结 语

本文描述了目前发展水下航行推进器的重要意义以及对转螺旋桨在水下推进领域的重要地位，对目前对转电机的发展进行了概述，针对现有对转电机在水下推进器中集成的瓶颈，提出一种双转子对转轴向磁场永磁电机拓扑结构。它采用两个独立单定子单转子轴向磁场永磁电机连接在一起，具有轴向尺寸小、结构紧凑、占用空间小、易于在对空间要求高的场合集成。电枢绕组安装在定子上，无碳刷滑环结构，故障率低，稳定性强，左右两侧产生的单边磁拉力抵消，可靠性高。

分析了尺寸方程对电机设计的重要意义，并对电机的结构尺寸方程进行了相应的数学推导，确定了电机的基本结构尺寸参数关系。

对本文的电机进行三维有限元仿真，对气隙磁密、磁链、反电动势、转矩进行计算，结果与理论分析具有较好的一致性，同时也体现本电机良好的性能。

因此，本文的电机为轴向磁场永磁电机在水下航行器中的应用提供新思路，在水下推进系统中具有较大应用前景和价值。