水下探测器的推进电机损耗和温升分析

2022-08-12李思源夏加宽王天海魏明伦

船电技术 2022年7期

关键词：磁极永磁体永磁

李思源，夏加宽，王天海，魏明伦

应用研究

水下探测器的推进电机损耗和温升分析

李思源，夏加宽，王天海，魏明伦

(沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870)

永磁同步推进电机凸极率损耗温度场

0 引言

随着海洋事业对高性能电机的需求增大，高功率电机逐渐成为发展和研究的对象。推进电机被广泛应用于舰船和水下装备，推进电机主要有直流电机，交流电机和永磁电机等。永磁同步电机具有结构简单，效率高，运行可靠等优点，适用于水下推进电机。但是永磁电机定子绕组中电流较大，导致定子绕组铜耗较大，从而使绕组温升较高。高速旋转的永磁电机中气隙磁密较大，从而增加铁芯损耗以及永磁体中的涡流损耗。永磁推进电机体积较小，因此永磁推进电机向高速和高效发展必须考虑损耗问题，对比不同永磁推进电机的损耗和温升结果具有重要意义[1]。

目前电机设计过程中，电机损耗和温升问题的关注程度远不及电磁场分析[2-3]，其实两者是密切相关的。上述文献对永磁电机的损耗和温升计算进行大量研究，为进一步对永磁推进电机温升研究打下基础。但针对永磁推进电机，特别是应用于水下的内置式永磁推进电机的相邻磁极间距对多物理场影响研究还比较少，但温升对于电机设计和提高电机的功率密度至关重要。

本文以内置式V型永磁推进电机为研究对象，以有限元仿真平台为基础，并建立了电机三维仿真模型，对比分析不同相邻磁极间距时永磁推进电机的电磁性能，损耗和温升，总结出不同相邻磁极间距对永磁推进电机的电磁场，损耗和温度场等多物理场的影响。验证电机设计的准确性并得到性能较好的电机设计方案，对于水下小功率永磁推进电机的设计提供一定参考价值。

1 永磁同步推进电机结构分析

图1 永磁同步推进电机截面图

图2 内置V型转子结构

表1 永磁同步推进电机主要参数

1.1 相邻磁极间距对弱磁能力的影响

改变相邻磁极间距会导致交、直轴电感变化，从而改变凸极率和电磁转矩。通过Ansys有限元仿真，计算电机在不同相邻磁极间距时，电机交轴电感、直轴电感、凸极率以及电磁转矩的变化规律，如图3、图4和图5所示。

图3 电感随相邻磁极间距变化规律

随着相邻磁极间距的增大，直轴电感变化不明显，但是交轴电感随着相邻磁极间距的增加而增加，因此电机的凸极率也随着相邻磁极间距的增加而增加。直轴磁路集中于永磁体垂直中心线附近，每极永磁体垂直中心线的磁阻特性是影响直轴电感的重要因素。随着相邻磁极间距的变化，永磁体轴线的磁阻特性变化不大，因此直轴电感变化不大。交轴磁路集中于相邻磁极的物理中心线上，随着相邻磁极间距的增加，交轴磁阻减小，因此交轴电感增大。凸极率即电机交轴电感与直轴电感的比值随着相邻磁极间距的增大总体呈现波动上升趋势。一般来说，永磁同步推进电机的凸极率可以体现该电机凸极效应的强弱，而凸极效应的强弱会直接影响永磁同步推进电机电磁转矩的大小，凸极效应越明显则电磁转矩越大。

图4 凸极率随相邻磁极间距变化规律

图5 转矩随相邻磁极间距变化规律

2 推进电机发热分析

热量的传递主要包括热传递、热对流以及热辐射三种基本方式[3]。基于永磁同步推进电机，定子绕组产生热量，一部分通过绝缘层传导至与绕组密切接触的定子铁心，定子铁心再与外界通过热交换的方式将热量散出去；另一部分通过绝缘层，由热对流的方式通过气隙传递给转子，再由转子通过热传递的方式传递给永磁体，最后通过转子与外界通过热对流的方式把热量散到空气中。以上过程中，热传导和热对流在热传递中占据主要作用。