汪佳龍，謝 衛(wèi)，沈 佳

(上海海事大學，上海 201306)

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船用五相永磁同步推進電動機的設計與分析

汪佳龍，謝 衛(wèi)，沈 佳

(上海海事大學，上海 201306)

根據(jù)五相永磁同步推進電機的性能指標要求，初步完成電動機的主要尺寸及永磁體設計，并運用Ansoft RMxprt模塊快速生成永磁電機模型，導入到Ansoft Maxwell 2D中建立了五相永磁電機的二維有限元仿真模型，分析其空載及額定負載特性。仿真結(jié)果表明，該設計方案具有一定的合理性，為大功率多相電機的設計和分析提供了一定的理論基礎。

五相電機；永磁推進電機；Ansoft；有限元分析

0 引言

推進電機是船舶電力推進系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，目前常用的推進電機有直流電機、先進感應電機以及永磁同步電機，未來還將有高溫超導同步電機、超導單極直流電機等[1]。與其他推進電機相比，永磁同步電機憑借高效率、高功率密度、結(jié)構(gòu)簡單多樣、振動噪聲小等諸多優(yōu)點，正逐漸成為近中期船舶電力推進系統(tǒng)的理想動力推進裝置[2]。

現(xiàn)代船舶綜合電力系統(tǒng)的容量一般都很大，因此大多采用大容量多相電動機。多相電機能夠缺相運行，容錯能力更強[3]。近年來眾多學者也對多相電機進行了研究，但多集中于其控制方法的實現(xiàn)方面，且感應電機偏多，對于五相永磁同步電機的設計則很少涉及。五相永磁同步電機不僅能夠單獨作為船舶推進電機使用，還能夠以五相對稱繞組為基礎組成十相、十五相等更多相數(shù)的推進電機，因此對五相永磁同步電機的研究就具有一定的理論和實際意義。本文介紹了利用Ansoft軟件對五相永磁同步推進電機進行電磁設計并對其進行分析的一般過程。

1 五相永磁同步推進電機的電磁設計

1.1 額定數(shù)據(jù)和性能指標

本文所設計的推進電機額定功率達到1 000 kW，若采用低壓電網(wǎng)供電，則電流會很大，從而損耗很大，效率低；若采用高壓電網(wǎng)，則對系統(tǒng)器件要求較高；目前對于中大容量的船舶電力系統(tǒng)，主流趨勢是采用中壓電網(wǎng)供電，IEEE規(guī)定的標準中壓等級有3 300 V、4 000 V、6 000 V等[4]，本文采用的是6 000 V電壓等級。所設計電機的額定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 額定數(shù)據(jù)

1.2 電機主要尺寸設計

永磁電機的主要尺寸包括定子內(nèi)徑Di1和定子鐵心有效長度lef，它們可由式(1) ～式(3)聯(lián)合估算得到[5]：

(1)

(2)

(3)

1.3 永磁體材料選擇和設計

推進電機使用的永磁材料主要為釹鐵硼和釤鈷兩種。釹鐵硼磁能積較高，價格便宜，但溫度系數(shù)偏大，居里溫度低。釤鈷居里溫度較高，溫度系數(shù)小，但價格貴，磁能積低[6]。本文采用的是釹鐵硼稀土永磁材料，牌號為N38H，20 ℃時，剩磁密度Br20=1.24 T，矯頑力Hc20=900 kA/m，相對回復磁導率μr=1.096 4。計算剩磁密度Br=[1+(t-20)αBr](1-IL)Br20=1.158 T，式中Br的可逆溫度系數(shù)αBr=-0.12%K-1，預計永磁體工作溫度t=75 ℃。

永磁體結(jié)構(gòu)有表貼式、內(nèi)置切向式和內(nèi)置徑向式等，本文采用表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。永磁體磁化方向長度hM可由式(4)初步預估得到：

(4)

式中：Ks為電動機的飽和系數(shù)，其值為1.05～1.3，初選1.2；Kδ為氣隙系數(shù)，初選1.2；bm0為永磁體的空載工作點，即空載時磁感應強度的標幺值，一般取0.60～0.85，初選0.8；σ0為空載漏磁系數(shù)，是空載時的總磁通與主磁通之比，比例取1.2。

1.4 定子槽數(shù)和定子繞組設計

當相數(shù)、極數(shù)一定時，定子槽數(shù)取決于每極每相槽數(shù)q。由于推進電機極數(shù)較多，極距相對較小，q不宜取值太大，在實際應用中多采用分數(shù)槽繞組，能夠降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動。此外，對于五相電機，其可選擇的槽數(shù)為5的倍數(shù)，即Z=5k,k=1,2,3,…。綜合考慮，最終選擇定子槽數(shù)為45槽。

每相串聯(lián)導體數(shù)Nφ1和每槽導體數(shù)Na1可由式(5)、式(6)計算得到，其中a1為并聯(lián)支路數(shù)。

(5)

(6)

2 基于等效磁路法的計算結(jié)果

根據(jù)上一節(jié)中計算得到的數(shù)據(jù)在Ansoft RMxprt模塊中建立永磁同步推進電機的基本模型。RMxprt模塊是基于等效磁路法的電機設計模塊。對所建立的電機模型進行求解計算，電機的主要設計參數(shù)及計算結(jié)果如表2所示。

表2 電機主要設計參數(shù)及計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，可以看出電機的效率超過94%，滿足設計要求。定子繞組系數(shù)為0.710 95，稍微偏小，這是由于短距繞組的緣故。

3 有限元分析

由于RMxprt模塊采用的是等效磁路法，因此其計算精度較低，為更加精確地計算電機參數(shù)，可將其導入到Maxwell 2D中進行有限元計算仿真。RMxprt模塊目前只能對三相電機模型計算，因此在Maxwell 2D模型中，還應添加線圈，使三相電機變成五相電機，并相應地添加五相電壓激勵或電流激勵。添加完線圈后，根據(jù)五相電機的繞組分布圖重新分配每相所占槽數(shù)，并定義每槽中上下層繞組的極性及導體數(shù)。

3.1 空載特性分析

永磁電機在理想空載的情況下，其電樞電流為零。因此，將各相繞組添加數(shù)值為零的電流激勵，即可得到空載狀態(tài)下的電機特性。圖1給出了空載時氣隙磁密的波形，圖2對空載氣隙磁密進行了傅立葉分析，可以看出其基波幅值為0.979 7 T。圖3為齒槽轉(zhuǎn)矩，由定子齒槽與永磁體相互作用產(chǎn)生，與定子繞組電流無關(guān)，完全由電機結(jié)構(gòu)造成，其平均值為0，幅值約為140。圖4為空載感應電動勢。

圖1 空載氣隙磁密

圖2 空載氣隙磁密傅立葉分析

圖3 空載齒槽轉(zhuǎn)矩

圖4 空載感應電動勢

從圖5中可以看出，空載時定子齒部磁密最大值約為1.4 T，定子軛部磁密最大值約為1.5 T，磁密大小合理。從圖6也可以看出空載時，電機的磁力線分布均勻。

圖5 空載磁密云圖

圖6 空載磁力線

3.2 負載特性分析

對五相電機添加額定電壓激勵，并進行有限元分析，得到額定負載下磁密云圖和磁力線分別如圖7、圖8所示。額定負載時定子齒部磁密最大值約為2.4 T，定子軛部磁密最大值約為2.3 T，與空載運行時有所增加，說明額定運行時，電樞反應使得電機處于增磁狀態(tài)。

電機氣隙磁密波形如圖9所示，可見與空載時相比氣隙磁密有所畸變，這是由負載時的電樞反應引起的。圖10為負載轉(zhuǎn)矩波形。圖11為五相負載感應電動勢，并對其中D相感應電動勢進行傅立葉分析，如圖12所示，可以看出D相感應電動勢的諧波很小，可以忽略，從而說明電機設計較合理。

圖7 負載磁密云圖

圖8 負載磁力線

圖9 負載氣隙磁密

圖10 負載轉(zhuǎn)矩

圖11 五相負載感應電動勢

圖12 D相感應電動勢傅立葉分析

4 結(jié)語

本文根據(jù)給定的永磁同步推進電機的性能指標，介紹了大容量五相永磁同步推進電機的一般設計過程，并應用Ansoft軟件對其進行了有限元分析，根據(jù)空載及負載仿真結(jié)果，驗證了電機電磁設計方案的合理性，為大功率多相永磁同步電機的電磁設計提供了一定的參考依據(jù)。

[1]華斌,周艷紅,謝冰若,等.電機技術(shù)在艦船電力推進系統(tǒng)中的應用研究[J].微電機,2015,48(5).

[2]任修明,楊德望.船舶交流永磁推進電機的研究[J].艦船科學技術(shù),2003,25(1).

[3]吳新振,王東,郭云珺，等.多相電機定子繞組組合模式對磁動勢與參數(shù)的影響[J].中國電機工程學報,2014,34(18).

[4]Khersonsky Y. New IEEE Standards for Ships[C]. Electric ship Technologies symposium, 2011:424-429.

[5]陳世坤.電機設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2000.

[6]喬鳴忠,于飛,張曉鋒.船舶電力推進技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2013.

汪佳龍，1991年生，男，上海海事大學電力電子與電力傳動專業(yè)研究生在讀，主要從事船舶推進電機的設計研究。