基于Ansoft Maxwell的水下無人航行器雙體對轉(zhuǎn)電機建模與仿真

張明，周俊，查智，曾明

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

基于Ansoft Maxwell的水下無人航行器雙體對轉(zhuǎn)電機建模與仿真

張明，周俊，查智，曾明

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

雙體對轉(zhuǎn)電機在艦船等對轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文運用Ansoft Maxwell 2D軟件建立了雙體對轉(zhuǎn)電機的有限元模型，在雙體對轉(zhuǎn)電機有限元模型瞬態(tài)仿真的基礎(chǔ)上對有限元結(jié)果進行了分析和討論，證明了雙體對轉(zhuǎn)電機有限元建模以及分析計算的正確性，為水下無人航行器（UUV）推進系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計提供了理論參考。

UUV 雙體對轉(zhuǎn)電機 有限元 Maxwell

0 引言

目前，水下無人航行器（UUV）在海洋探索研究以及國防等領(lǐng)域中正發(fā)揮著越來越重要的作用，水下無人航行器（UUV）航行過程中需要消除陀螺效應(yīng)，以穩(wěn)定航行姿態(tài)，因此較多的水下無人航行器（UUV）采用對轉(zhuǎn)螺旋槳推進系統(tǒng)[2]。對轉(zhuǎn)螺旋槳推進系統(tǒng)主要有三種實現(xiàn)方式：單軸電機通過行星齒輪轉(zhuǎn)換為雙機械輸出、定子轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)產(chǎn)生雙機械輸出、雙體對轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生雙機械輸出。其中，行星齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低；定子轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)的電機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且無法完全消除陀螺效應(yīng)；雙體對轉(zhuǎn)電機增加了1個電機，但提高了螺旋槳的推進功率，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，另外，2個電機獨立運行，互為熱備份。

雙體對轉(zhuǎn)電機由前后兩臺同軸無刷直流電機組成，兩臺電機同軸安裝于機殼內(nèi)部，前端電機轉(zhuǎn)軸部分為中空，作為雙體對轉(zhuǎn)電機的外軸，用于安裝對轉(zhuǎn)螺旋槳后槳；后端電機轉(zhuǎn)軸通過前端電機中空軸，作為雙體對轉(zhuǎn)電機的內(nèi)軸，用于安裝對轉(zhuǎn)螺旋槳前槳。雙體對轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1 雙體對轉(zhuǎn)電機有限元模型的建立

1.1 基本假設(shè)

1) 采用二維場模擬實際磁場；選取直角坐標(biāo)系和國際單位制。2) 對定子槽口、定子扇形片的圓角及磁極沖片部分圓角、倒角等細微之處作近似處理。3) 忽略端部效應(yīng)，磁場沿軸向均勻分布。4) 電機外部磁場所占分量甚小，可以忽略。定子外表面圓周為零矢位面。5) 不計交變磁場在導(dǎo)電材料中如定子繞組、鐵芯沖片及機座中的渦流反應(yīng)。

1.2 雙體對轉(zhuǎn)電機幾何模型的生成

建立電機有限元模型的常用方法有兩種：一是利用Autocad或者Solidworks等繪圖軟件繪制出電機的幾何圖形，然后導(dǎo)入到Maxwell 2D；二是利用RMxprt獲得電機的精確模型，然后再導(dǎo)入Maxwell 2D進行FEA計算。本文采用的是第二種方法，得到的雙體對轉(zhuǎn)電機2D有限元模型如圖2所示。

本文中雙體對轉(zhuǎn)電機樣機整體采用6槽4極結(jié)構(gòu)，使用分數(shù)槽集中繞組方案。電機定子鐵芯以及轉(zhuǎn)子鐵芯均采用川崎35JNE250矽鋼片，樣機的主要參數(shù)如表1所示。

1.3 雙體對轉(zhuǎn)電機驅(qū)動電路模型

該雙體對轉(zhuǎn)電機樣機采用的是無刷直流電機方案，因而需要采用逆變器作為激勵源。對逆變器的建模，方法之一就是調(diào)用Ansoft Maxwell Circuit Editor提供的壓控開關(guān)(Voltage Controlled Switch)模塊和Diode模塊，按照實際電路驅(qū)動系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行連接，即可很方便地搭建出三相全橋逆變電路，逆變器根據(jù)開關(guān)管觸發(fā)邏輯模塊提供的信號，順序?qū)ê完P(guān)斷，產(chǎn)生方波電流輸出。另外，樣機是由前后兩臺同軸安裝無刷直流電機組成，所以本文需要采用兩套獨立的逆變電路對其供電。雙體對轉(zhuǎn)電機場路耦合示意圖如圖3所示。

2 雙體對轉(zhuǎn)電機仿真結(jié)果分析

樣機在額定情況下，即在母線電壓為72 VDC、負載轉(zhuǎn)矩為18 N.m的情況下進行了有限元分析計算，結(jié)果如圖4～圖9所示，其中圖4為樣機在額定工況下磁感應(yīng)強度分布圖，圖5為樣機在額定工況下矢量磁感應(yīng)強度分布圖，圖6為樣機在額定負載下相電壓曲線，圖7為樣機在額定負載下相電流曲線，圖8為樣機在額定負載下轉(zhuǎn)矩曲線，圖9為樣機在額定負載下轉(zhuǎn)速曲線。

電機樣機額定工況下的有限元仿真結(jié)果顯示，樣機磁場分布較為合理，無磁路飽和現(xiàn)象，如圖4、圖5所示；樣機相反電勢和相電流曲線如圖6、圖7所示，相電壓幅值為45 V，相電流穩(wěn)定后有效值為12.5561 A；由于樣機為雙體結(jié)構(gòu)，且獨立控制，電機額定負載啟動后，雙體對轉(zhuǎn)電機內(nèi)外軸均可以很快進入穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速大小約為±747 rpm（方向定義：軸視，順時針為內(nèi)軸正向、外軸負向，逆時針為內(nèi)軸負向、外軸正向，下同），如圖9所示，與理想額定轉(zhuǎn)速有0.6%的誤差，屬于正常情況。

3 樣機的實驗測試

上文對雙體對轉(zhuǎn)電機進行了FEA建模和分析計算，為了對雙體對轉(zhuǎn)電機模型和仿真結(jié)果作進一步的驗證，進行了樣機的實驗測試。樣機在額定工況下的實測轉(zhuǎn)速為±732 rpm，相電流和線電壓如圖10和圖11所示，其中圖10為樣機相電流穩(wěn)態(tài)波形，電流大小為13.6 A；圖11為樣機線電壓穩(wěn)態(tài)波形，其最大值約為72 V。

對比可見，雙體對轉(zhuǎn)電機樣機實測數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)果有一定差距，雙體對轉(zhuǎn)電機仿真結(jié)果額定轉(zhuǎn)速為±747 rpm、相電流為12.5561 A、相電壓為45 V，實測結(jié)果則為轉(zhuǎn)速±732 rpm、相電流13.6 A、線電壓72 V，其中相電壓、線電壓之間由于存在換算關(guān)系，可以認為基本一致，而轉(zhuǎn)速和電流結(jié)果差異較大。經(jīng)過分析，實測轉(zhuǎn)速偏低、實測電流偏大原因可能有兩點：一方面，樣機是原理樣機，加工及裝配精度較低，加大了整機損耗；另一方面，在實際測試中，負載不穩(wěn)定，可能略大于要求的18 N.m額定負載值。

4 結(jié)論

本文分析了水下無人航行器（UUV）推進用雙體對轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)的特點，建立了Ansoft Maxwell 2D環(huán)境下的雙體對轉(zhuǎn)電機有限元模型，并運用Ansoft Maxwell 2D軟件對雙體對轉(zhuǎn)電機進行了瞬態(tài)有限元分析計算。本文所建立的有限元模型能夠較好地模擬真實雙體對轉(zhuǎn)電機的各種特性，仿真結(jié)果與理論分析一致，該仿真模型為進一步研究雙體對轉(zhuǎn)推進電機的控制策略和運行特性打下了基礎(chǔ)。

[4] 張林森. 推進用永磁對轉(zhuǎn)無刷直流電機的MATLAB仿真. 電機與控制應(yīng)用[J]，2010.

[5] 李燕. 對轉(zhuǎn)永磁同步推進電機的Matlab建模與仿真.微電機[J]，2011.

[6] 李宏. 采用PMBLDC的AUV對轉(zhuǎn)螺旋槳推進系統(tǒng)建模與仿真. 系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007.

Modeling and Simulation of Dual Contra-rotating Motors for UUV By Using Ansoft Maxwell 2D

Zhang Ming，Zhou Jun，Zha Zhi，Zeng Ming
（The 710th Research Institute，Yichang 443003, Hubei, China）

Dual contra-rotating motors have extensive application foreground in the propelling system of warship etc. The FEA model of double body contra-rotating motor is established by Ansoft in Maxwell 2D, and the FEA results prove the validity of the FEA model and computation, which provides the theory references for the development and design of the underwater unmanned vehicle (UUV).

UUV；dualcontra-rotating motors；FEA；Maxwell

TM351

A

1003-4862（2014）03-0033-03

2013-09-22

張明(1986-),男，工程師。研究方向：電機工程。