機(jī)槳一體化推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

劉建波 黃劉瑋 李耕

（1. 海軍駐上海江南造船集團(tuán)有限責(zé)任公司軍代室，上海 202150；2. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

由于傳統(tǒng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的效率低、噪聲高、占用空間大、可靠性低以及靈活性差等問題日漸突出，人們將目光轉(zhuǎn)向更先進(jìn)的推進(jìn)方式—電力推進(jìn)，吊艙的出現(xiàn)則被視為電力推進(jìn)領(lǐng)域的里程碑。然而，上述推進(jìn)方式仍不能完全勝任，人們迫切需要一種新的推進(jìn)模式來改善船舶舒適性和推進(jìn)器體積，以及滿足軍事上對艦船和潛艇隱身、推進(jìn)性能的苛刻要求。

機(jī)槳一體化裝置，又稱電機(jī)推進(jìn)器綜合體（Integrated Motor Propulsor，簡稱 IMP），是隨著吊艙技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域中的新型推進(jìn)形式。其設(shè)計(jì)思想是螺旋槳外緣與電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)緣相接，電機(jī)定子外緣與機(jī)座外罩內(nèi)緣相接，整個(gè)裝置作為獨(dú)立的單元置于船舶和潛艇的底部或尾部（有時(shí)可置于船體內(nèi)部），直接放在水中[1-4]。

本文針對自行設(shè)計(jì)的一臺22.5 kW機(jī)槳一體化推進(jìn)電機(jī)展開研究，建立推進(jìn)電機(jī)的有限元計(jì)算模型，采用適合此類特殊電機(jī)電磁場計(jì)算方法，對電機(jī)的空載及負(fù)載磁場分布、空載反電勢、氣隙磁密以及負(fù)載時(shí)的運(yùn)行特性進(jìn)行研究，得到的計(jì)算結(jié)果可作為此類電機(jī)設(shè)計(jì)的參考。

1 機(jī)槳一體化推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的機(jī)漿一體化水下推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主要由機(jī)座、管道狀吸聲機(jī)構(gòu)和電機(jī)螺旋槳一體化裝置三部分組成，在機(jī)座和管道間有橡膠減震隔離層。在轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌有螺旋槳（泵葉），水泵沒有中心軸，轉(zhuǎn)子的定位和支撐是由氣隙中的軸向和徑向軸承完成的；定轉(zhuǎn)子氣隙間有水流過，帶來良好冷卻條件的同時(shí)，也提高了對絕緣材料性能的要求。

圖1 機(jī)槳一體化水下推進(jìn)器示意圖

電機(jī)部分的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

該永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體布置采用Halbach結(jié)構(gòu)，每極有兩塊磁鋼構(gòu)成，其中一塊為徑向充磁，另一塊切向充磁。采用Halbach結(jié)構(gòu)可使電機(jī)氣隙磁密得到加強(qiáng)，而轉(zhuǎn)子軛部磁密反而減小。轉(zhuǎn)子軛部采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的背環(huán)與槳葉為同一個(gè)鑄件體，均為不導(dǎo)磁的黃銅材料。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 IPM推進(jìn)電機(jī)電磁場計(jì)算

電機(jī)電磁場的計(jì)算一般歸結(jié)為某些偏微分方程的求解。求解偏微分方程必須結(jié)合具體問題的特定邊界條件才能獲得唯一的解答。求解的過程較為復(fù)雜，考慮到實(shí)心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)精度高的要求，本文采用有限元法對電機(jī)的電磁場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。電機(jī)在如圖2所示的一對極內(nèi)，穩(wěn)態(tài)電磁場的問題可表示成邊值問題為：

式中：Ω為求解區(qū)域，S2為第二類邊界；L為電機(jī)內(nèi)各媒質(zhì)分界線。

圖2 永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

剖分單元采用了精度較高的曲邊四邊形，它的邊可以不是直線。在單元內(nèi)任一點(diǎn)的磁位A，可以認(rèn)為是該單元的四個(gè)節(jié)點(diǎn)磁位的函數(shù)，因此可以構(gòu)成一個(gè)磁位插值函數(shù)。對式（1）進(jìn)行求解，可以得到電機(jī)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的矢量磁位值A(chǔ)Z，進(jìn)而，可獲得電機(jī)內(nèi)各點(diǎn)的磁密和相繞組電勢。

其中電機(jī)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的磁密可表示為：

一個(gè)電樞繞組線圈邊的一根導(dǎo)體單位長度的平均電勢可表示為：

其中，Ab為槽面積。如果線圈邊劃分為ne個(gè)單元（有N1匝），則一個(gè)線圈邊的平均電勢為：

其中：參數(shù)lef為鐵心有效長度，s為單元面積，i, j ,m,n 為四邊形單元的節(jié)點(diǎn)號，各繞組的電勢都是由線圈邊電勢組成的，可得相繞組電勢：

由式（5）可知，相繞組電勢與電樞長度、匝數(shù)、及電機(jī)磁場有關(guān)[5-19]。

在計(jì)算過程中，定轉(zhuǎn)子的相對運(yùn)動采用運(yùn)動氣隙邊界法，斜槽采用疊加法[10]加以考慮。

3 電磁計(jì)算結(jié)果與分析

采用上述方法，對自行設(shè)計(jì)的22.5 kW機(jī)槳一體化水下推進(jìn)器進(jìn)行電磁分析與計(jì)算。

圖3為永磁機(jī)槳一體化推進(jìn)器的二維模型圖，電機(jī)的轉(zhuǎn)子具有較小的厚度，轉(zhuǎn)子上的永磁體為Halback陣列形式。為便于觀察和說明，這里沒有畫出較為復(fù)雜的密封及安裝示意圖。

圖3 永磁機(jī)槳一體化裝置二維模型圖

為節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，取電機(jī)的八分之一的二維模型作為電磁場研究對象。

空載和額定負(fù)載時(shí)，永磁電機(jī)磁場分布如圖4和圖5所示。

圖6為空載氣隙磁密波形圖，從圖中可清晰地看到齒槽效應(yīng)的結(jié)果。圖7為空載反電勢及其基波。

圖8～10為電機(jī)在額定負(fù)載下，定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的波形圖。

圖4 空載情況下電機(jī)磁場分布

圖5 額定負(fù)載情況下電機(jī)磁場分布

圖6 空載氣隙磁密

圖7 空載反電勢及其基波

5 結(jié)論

本文針對新型IMP式的推進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的永磁電機(jī)，并采用有限元法對電機(jī)電磁場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在計(jì)算過程中計(jì)及了電機(jī)定、轉(zhuǎn)子相對運(yùn)動和定子斜槽等因數(shù)。通過理論分析和計(jì)算得到如下結(jié)論：

圖8 額定負(fù)載時(shí)定子電流波形圖

圖9 額定負(fù)載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩圖

圖10 額定負(fù)載時(shí)電機(jī)起動過程

（1）本文對自行設(shè)計(jì)的大氣隙、Halbach轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的新型一體化推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行電磁場有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足工程設(shè)計(jì)需要，所使用的方法有助于縮短設(shè)計(jì)和試驗(yàn)周期，進(jìn)一步節(jié)約成本。

（2）除電磁場外，一體化推進(jìn)器在水下運(yùn)行時(shí)還涉及到溫度場和流體場，所以如何準(zhǔn)確分析一體化推進(jìn)器中的溫度分布以及建立與之對應(yīng)的多場耦合研究方法是本文后續(xù)工作的重點(diǎn)。

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