MD－W5040 水下推进器外转子电机设计与分析*

2024-01-09毛政祥冯振富周志伟

机电工程技术 2023年12期

毛政祥，黄诚，卢东，冯振富，周志伟

（1.江门马丁电机科技有限公司，广东江门 529000；2.五邑大学智能制造学部，广东江门 529020）

0 引言

水下推进形式基于其载体的整体结构特征和工作环境不同可分为为多种形式，如电机推进、液压推进、喷射推进、仿生推进等。电机推进是以电机为驱动源，带动螺旋桨的叶片旋转，由水的反作用力实现推进［1－2］。永磁电机具有结构简单、体积小及可靠性高等特点，在小型水下机器人中广泛应用。根据其转子位置，电机分为内转子与外转子电机。外转子结构为转子在外，定子在内，具有定子激磁电流小，力能指标高、易于调速和节能效果好等特点，在相同体积和电参数条件下，外转子气隙直径较大，比内转子转动惯量大、散热好、节省铜线、效率和输出功率高等［3－4］。

文献［5－8］分别对直驱风机叶轮的外转子电机、电动汽车轮毂电机、带式输送机直驱电机电磁、齿槽转矩、定转子气隙磁场、输出转矩与径向力波、电机温升等进行了分析研究，不同程度地提高了电机的使用性能。

本文设计了一款外转子结构的MD－W5040 水下推进器电机，分析了其结构特点，并采用ANSYS Maxwell 对其负载工况下的磁特性、电机稳态负载下的磁热耦合场进行了分析，得到电机各部件在稳态负载下的温度，对电机设计合理性进行了验证，最后对试制的电机物理样机进行了测试分析。

1 水下推进器电机结构设计

水下推进器对电机性能要求与MT－W5040 电机主要设计参数如表1～2 所示，设计电机额定功率为250 W。整机模型与结构如图1～2 所示。

图1 电机整机外观

图2 电机剖面结构

表1 水下推进器电机性能要求

表2 MT－W5040 水下推进器电机主要参数

MD－W5040电机结构设计：（1）考虑表贴式永磁体结构紧凑、质量轻，有较高的磁能积和磁场稳定性，能在高温高速运转的环境下保持稳定磁场强度等特点［4－5］，电机中的永磁体采用表贴式结构置于转子内壁；（2）转子杯由转轴、后端盖、机壳组成联为一体，其转轴与后端盖、后端盖与机壳均为紧固联接，过盈值分别为0.01～0.03 mm和0.02～0.04 mm，测试两对配合面的脱出力分别为≥100 kg和200 kg，满足要求；（3）定子部分设计将定子铁心压装至前端盖上，使结构更加紧凑，定子铁心与前端盖为过盈配合，过盈量为0.01～0.02 mm，脱出力大于或等于50 kg；（4）推进器的螺旋桨安装在电机转轴上，为平衡推进器产生的轴向力前端盖两端各安装3 个轴承，有效提高轴承寿命。

2 建立模型及电磁仿真分析

2.1 建立Maxwell 2D仿真模型

采用Maxwell软件内置RMxpet 模块建模。简化轴承和绕组后，赋予定子铁心材料为35JN300、绕组为铜、永磁体为钕铁硼N38H，可得Maxwell 2D 模型如图3 所示。电机网格划分时先对定子和气隙进行网格加密，其余部件按软件默认网格来划分，如图4 所示。

图3 电机仿真模

图4 网格划

2.2 负载工况下的电磁仿真分析

电机负载磁密是电机的一个重要参数，反映电机的负载能力和性能。水下推进器电机负载磁密如图5 所示，电机定子轭部负载磁密为1.3 T 左右，永磁体处磁密约为0.78 T，低于硅钢片饱和磁密。

图5 负载磁密云图

齿部最大磁密可反映电机的磁路设计是否合理，磁密过低，其输出功率会受到影响，而磁密过高则会导致电机发热严重，甚至烧毁。图6 所示为负载时电机定子齿部磁密图，定子齿部最大磁密低于1.6 T。

图6 负载定子齿部磁密

电机负载输出转矩可以用来衡量电机的工作能力和适用范围。水下推进器电机负载输出转矩如图7 所示，电机零转矩启动，仿真运行1.25 ms 后趋于平稳，转矩平均值达到0.8 N·m，峰值为0.87 N·m，表明电机负载时平滑性能较好。

图7 负载电机输出转矩

3 电机电磁－热耦合仿真分析

3.1 建立Fluent温度场3D仿真模型

对于永磁电机，永磁体温升直接影响电机的电磁性能，过高的温升甚至会引起永磁体的不可逆退磁，缩短使用寿命。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［7，9］。电机负载时稳态运行所产生的温升大小可判断电机设计的合理性，减少或避免电机由于高温而造成的损坏和故障，以及实际负载运行时永磁体温度而导致永磁体退磁，确保电机工作性能与使用寿命。本文通过求出电机在负载时的损耗，将这些损耗以热源的形式加载至Fluent流体场模块中进行磁热耦合分析，计算电机稳态负载温度［10－11］。

温度场仿真分析时只关注与温度相关的物理特性，Workbench软件可准确地估计导热系数、比热容等物理参数，其中一部分可能具备固有的特征，而另一部分却很难准确测量，因此只能依靠经验公式来计算。对电机模型的材料属性设置在Engineering Data 模块中进行，在该模块中可自由地设置材料物理属性，表2 所示为电机材料的属性值。

表2 水下推进器电机主要参数

简化后的温度分析模型如图8 所示，将模型导入SpaceClaim中，完成转子机壳和永磁体，定子绕组和空气、绕组和定子铁心等接触面的设定，接触条件设置为软件自带的Banded 条件，各个部件采用手动网格剖分。划分网格后的模型如图9 所示。

图8 温度场分析模型

图9 划分网格后的模型

3.2 负载损耗求解

当电流流向绕组时使电能转化为热能，从而导致绕组发热。此外，绕组的铜线在传输电流的过程中也会产生一定的电磁场使铜线发热。电机定子绕组铜损曲线如图10 所示，分析表明，电机铜耗1.25 ms 时趋于稳定，平均值为10.73 W，稳定后损耗曲线呈规律性脉冲状。

图10 负载铜损

电机负载铁损是指电机运行的电磁感应作用，使铁心发生磁化和消磁的过程，产生的能量损耗，水下推进器电机铁损曲线如图11所示，波形呈周期性变化，均值为9.85 W。

图11 负载铁损

受永磁电机转子体积和散热的限制，涡流损耗引起的温升会导致永磁体退磁或失磁，降低了电机运行的安全性与可靠性［12］。图12 所示为永磁体涡流损耗计算结果，损耗均值为1.27 W，永磁体随转子转动时，永磁体经过定子铁心齿部时峰值为4 W。

图12 负载涡流损耗

3.3 电机稳态负载温度分析

在完成电机材料的热传导和边界条件的设置、等效处理和热源导入后可得温度云图，如图13～16 所示。

图13 定子铁心温度

图13 所示为稳态负载时定子铁心温度云图，铁心温度在127～128 ℃，定子轭部温度为127 ℃，最高温度区域出现在定子与绕组接触的部分，绕组铜线缠绕在定子铁心上，定子铁心本身也存在涡流损耗，也是发热源。图14 所示为定子绕组在稳态负载时的温度。负载时，绕组铜线电流增大，铜损也增加，而涡流损耗相对较小，铜损耗比涡流损耗大。分析可知，电机的最高温度为128 ℃，集中与定子铁心包裹处。

图14 定子绕组温度

图15 所示为电机稳态负载运行时永磁体的温度。工作时永磁体所处的磁场中会产生涡流会导致永磁体发热［13－15］。仿真结果显示永磁体在负载运行时最高温度约为102 ℃，低于钕铁硼N38H的退磁温度120 ℃。转子机壳处于电机最外面，约为95 ℃，如图16 所示。同时，考虑电机在水下工作时，水会从转、定子之间的缝隙进入电机内部，可进一步降低电机工作时产生的温升。综上，定子、绕组、转子和永磁体的最高温度均低于130 ℃，满足表3所示的电机结构中绝缘结构的耐热B级温度要求。

图15 永磁体温度

图16 转子温度

表3 常见电机和电机结构中绝缘结构的耐热等级

4 性能测试与分析

测试目的：验证W5040 水下推进器电机加载结果是否满足表1 所示水下推进器电机性能要求。

测试装置：MD－1 电机综合测试装置，该装置配有数据采集与分析系统，如图17 所示。

图17 W5040水下推进器电机测试

测试按照GB／T 7345—2008《控制电机基本技术要求》、GB／T 21418—2008《永磁无刷电动机系统通用技术条件》和企业检测标准执行［4－5］。对编号为1、2、3的物理样机分别进行3次测试后，取均值如表4所示。结果表明，对电机施加额定电压、电流时，电机转速、扭矩，以及电机效率均满足表1中水下推进器对电机的性能要求。