MD－W5040 水下推進(jìn)器外轉(zhuǎn)子電機(jī)設(shè)計(jì)與分析*

毛政祥，黃 誠，盧 東，馮振富，周志偉

（1.江門馬丁電機(jī)科技有限公司，廣東江門 529000；2.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020）

0 引言

水下推進(jìn)形式基于其載體的整體結(jié)構(gòu)特征和工作環(huán)境不同可分為為多種形式，如電機(jī)推進(jìn)、液壓推進(jìn)、噴射推進(jìn)、仿生推進(jìn)等。電機(jī)推進(jìn)是以電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，帶動(dòng)螺旋槳的葉片旋轉(zhuǎn)，由水的反作用力實(shí)現(xiàn)推進(jìn)［1－2］。永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小及可靠性高等特點(diǎn)，在小型水下機(jī)器人中廣泛應(yīng)用。根據(jù)其轉(zhuǎn)子位置，電機(jī)分為內(nèi)轉(zhuǎn)子與外轉(zhuǎn)子電機(jī)。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)子在外，定子在內(nèi)，具有定子激磁電流小，力能指標(biāo)高、易于調(diào)速和節(jié)能效果好等特點(diǎn)，在相同體積和電參數(shù)條件下，外轉(zhuǎn)子氣隙直徑較大，比內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、散熱好、節(jié)省銅線、效率和輸出功率高等［3－4］。

文獻(xiàn)［5－8］分別對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)葉輪的外轉(zhuǎn)子電機(jī)、電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)、帶式輸送機(jī)直驅(qū)電機(jī)電磁、齒槽轉(zhuǎn)矩、定轉(zhuǎn)子氣隙磁場、輸出轉(zhuǎn)矩與徑向力波、電機(jī)溫升等進(jìn)行了分析研究，不同程度地提高了電機(jī)的使用性能。

本文設(shè)計(jì)了一款外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的MD－W5040 水下推進(jìn)器電機(jī)，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并采用ANSYS Maxwell 對(duì)其負(fù)載工況下的磁特性、電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)載下的磁熱耦合場進(jìn)行了分析，得到電機(jī)各部件在穩(wěn)態(tài)負(fù)載下的溫度，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，最后對(duì)試制的電機(jī)物理樣機(jī)進(jìn)行了測試分析。

1 水下推進(jìn)器電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下推進(jìn)器對(duì)電機(jī)性能要求與MT－W5040 電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1～2 所示，設(shè)計(jì)電機(jī)額定功率為250 W。整機(jī)模型與結(jié)構(gòu)如圖1～2 所示。

圖1 電機(jī)整機(jī)外觀

圖2 電機(jī)剖面結(jié)構(gòu)

表1 水下推進(jìn)器電機(jī)性能要求

表2 MT－W5040 水下推進(jìn)器電機(jī)主要參數(shù)

MD－W5040電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：（1）考慮表貼式永磁體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，有較高的磁能積和磁場穩(wěn)定性，能在高溫高速運(yùn)轉(zhuǎn)的環(huán)境下保持穩(wěn)定磁場強(qiáng)度等特點(diǎn)［4－5］，電機(jī)中的永磁體采用表貼式結(jié)構(gòu)置于轉(zhuǎn)子內(nèi)壁；（2）轉(zhuǎn)子杯由轉(zhuǎn)軸、后端蓋、機(jī)殼組成聯(lián)為一體，其轉(zhuǎn)軸與后端蓋、后端蓋與機(jī)殼均為緊固聯(lián)接，過盈值分別為0.01～0.03 mm和0.02～0.04 mm，測試兩對(duì)配合面的脫出力分別為≥100 kg和200 kg，滿足要求；（3）定子部分設(shè)計(jì)將定子鐵心壓裝至前端蓋上，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，定子鐵心與前端蓋為過盈配合，過盈量為0.01～0.02 mm，脫出力大于或等于50 kg；（4）推進(jìn)器的螺旋槳安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，為平衡推進(jìn)器產(chǎn)生的軸向力前端蓋兩端各安裝3 個(gè)軸承，有效提高軸承壽命。

2 建立模型及電磁仿真分析

2.1 建立Maxwell 2D仿真模型

采用Maxwell軟件內(nèi)置RMxpet 模塊建模。簡化軸承和繞組后，賦予定子鐵心材料為35JN300、繞組為銅、永磁體為釹鐵硼N38H，可得Maxwell 2D 模型如圖3 所示。電機(jī)網(wǎng)格劃分時(shí)先對(duì)定子和氣隙進(jìn)行網(wǎng)格加密，其余部件按軟件默認(rèn)網(wǎng)格來劃分，如圖4 所示。

圖3 電機(jī)仿真模

圖4 網(wǎng)格劃

2.2 負(fù)載工況下的電磁仿真分析

電機(jī)負(fù)載磁密是電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，反映電機(jī)的負(fù)載能力和性能。水下推進(jìn)器電機(jī)負(fù)載磁密如圖5 所示，電機(jī)定子軛部負(fù)載磁密為1.3 T 左右，永磁體處磁密約為0.78 T，低于硅鋼片飽和磁密。

圖5 負(fù)載磁密云圖

齒部最大磁密可反映電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)是否合理，磁密過低，其輸出功率會(huì)受到影響，而磁密過高則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒毀。圖6 所示為負(fù)載時(shí)電機(jī)定子齒部磁密圖，定子齒部最大磁密低于1.6 T。

圖6 負(fù)載定子齒部磁密

電機(jī)負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩可以用來衡量電機(jī)的工作能力和適用范圍。水下推進(jìn)器電機(jī)負(fù)載輸出轉(zhuǎn)矩如圖7 所示，電機(jī)零轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，仿真運(yùn)行1.25 ms 后趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩平均值達(dá)到0.8 N·m，峰值為0.87 N·m，表明電機(jī)負(fù)載時(shí)平滑性能較好。

圖7 負(fù)載電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

3 電機(jī)電磁－熱耦合仿真分析

3.1 建立Fluent溫度場3D仿真模型

對(duì)于永磁電機(jī)，永磁體溫升直接影響電機(jī)的電磁性能，過高的溫升甚至?xí)鹩来朋w的不可逆退磁，縮短使用壽命。永磁電機(jī)定子繞組中電流較大，導(dǎo)致定子繞組銅耗較大，從而使繞組溫升較高［7，9］。電機(jī)負(fù)載時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所產(chǎn)生的溫升大小可判斷電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，減少或避免電機(jī)由于高溫而造成的損壞和故障，以及實(shí)際負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁體溫度而導(dǎo)致永磁體退磁，確保電機(jī)工作性能與使用壽命。本文通過求出電機(jī)在負(fù)載時(shí)的損耗，將這些損耗以熱源的形式加載至Fluent流體場模塊中進(jìn)行磁熱耦合分析，計(jì)算電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)載溫度［10－11］。

溫度場仿真分析時(shí)只關(guān)注與溫度相關(guān)的物理特性，Workbench軟件可準(zhǔn)確地估計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等物理參數(shù)，其中一部分可能具備固有的特征，而另一部分卻很難準(zhǔn)確測量，因此只能依靠經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算。對(duì)電機(jī)模型的材料屬性設(shè)置在Engineering Data 模塊中進(jìn)行，在該模塊中可自由地設(shè)置材料物理屬性，表2 所示為電機(jī)材料的屬性值。

表2 水下推進(jìn)器電機(jī)主要參數(shù)

簡化后的溫度分析模型如圖8 所示，將模型導(dǎo)入SpaceClaim中，完成轉(zhuǎn)子機(jī)殼和永磁體，定子繞組和空氣、繞組和定子鐵心等接觸面的設(shè)定，接觸條件設(shè)置為軟件自帶的Banded 條件，各個(gè)部件采用手動(dòng)網(wǎng)格剖分。劃分網(wǎng)格后的模型如圖9 所示。

圖8 溫度場分析模型

圖9 劃分網(wǎng)格后的模型

3.2 負(fù)載損耗求解

當(dāng)電流流向繞組時(shí)使電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致繞組發(fā)熱。此外，繞組的銅線在傳輸電流的過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁場使銅線發(fā)熱。電機(jī)定子繞組銅損曲線如圖10 所示，分析表明，電機(jī)銅耗1.25 ms 時(shí)趨于穩(wěn)定，平均值為10.73 W，穩(wěn)定后損耗曲線呈規(guī)律性脈沖狀。

圖10 負(fù)載銅損

電機(jī)負(fù)載鐵損是指電機(jī)運(yùn)行的電磁感應(yīng)作用，使鐵心發(fā)生磁化和消磁的過程，產(chǎn)生的能量損耗，水下推進(jìn)器電機(jī)鐵損曲線如圖11所示，波形呈周期性變化，均值為9.85 W。

圖11 負(fù)載鐵損

受永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子體積和散熱的限制，渦流損耗引起的溫升會(huì)導(dǎo)致永磁體退磁或失磁，降低了電機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性［12］。圖12 所示為永磁體渦流損耗計(jì)算結(jié)果，損耗均值為1.27 W，永磁體隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，永磁體經(jīng)過定子鐵心齒部時(shí)峰值為4 W。

圖12 負(fù)載渦流損耗

3.3 電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)載溫度分析

在完成電機(jī)材料的熱傳導(dǎo)和邊界條件的設(shè)置、等效處理和熱源導(dǎo)入后可得溫度云圖，如圖13～16 所示。

圖13 定子鐵心溫度

圖13 所示為穩(wěn)態(tài)負(fù)載時(shí)定子鐵心溫度云圖，鐵心溫度在127～128 ℃，定子軛部溫度為127 ℃，最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在定子與繞組接觸的部分，繞組銅線纏繞在定子鐵心上，定子鐵心本身也存在渦流損耗，也是發(fā)熱源。圖14 所示為定子繞組在穩(wěn)態(tài)負(fù)載時(shí)的溫度。負(fù)載時(shí)，繞組銅線電流增大，銅損也增加，而渦流損耗相對(duì)較小，銅損耗比渦流損耗大。分析可知，電機(jī)的最高溫度為128 ℃，集中與定子鐵心包裹處。

圖14 定子繞組溫度

圖15 所示為電機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁體的溫度。工作時(shí)永磁體所處的磁場中會(huì)產(chǎn)生渦流會(huì)導(dǎo)致永磁體發(fā)熱［13－15］。仿真結(jié)果顯示永磁體在負(fù)載運(yùn)行時(shí)最高溫度約為102 ℃，低于釹鐵硼N38H的退磁溫度120 ℃。轉(zhuǎn)子機(jī)殼處于電機(jī)最外面，約為95 ℃，如圖16 所示。同時(shí)，考慮電機(jī)在水下工作時(shí)，水會(huì)從轉(zhuǎn)、定子之間的縫隙進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可進(jìn)一步降低電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的溫升。綜上，定子、繞組、轉(zhuǎn)子和永磁體的最高溫度均低于130 ℃，滿足表3所示的電機(jī)結(jié)構(gòu)中絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱B級(jí)溫度要求。

圖15 永磁體溫度

圖16 轉(zhuǎn)子溫度

表3 常見電機(jī)和電機(jī)結(jié)構(gòu)中絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱等級(jí)

4 性能測試與分析

測試目的：驗(yàn)證W5040 水下推進(jìn)器電機(jī)加載結(jié)果是否滿足表1 所示水下推進(jìn)器電機(jī)性能要求。

測試裝置：MD－1 電機(jī)綜合測試裝置，該裝置配有數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，如圖17 所示。

圖17 W5040水下推進(jìn)器電機(jī)測試

測試按照GB／T 7345—2008《控制電機(jī)基本技術(shù)要求》、GB／T 21418—2008《永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)通用技術(shù)條件》和企業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［4－5］。對(duì)編號(hào)為1、2、3的物理樣機(jī)分別進(jìn)行3次測試后，取均值如表4所示。結(jié)果表明，對(duì)電機(jī)施加額定電壓、電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩，以及電機(jī)效率均滿足表1中水下推進(jìn)器對(duì)電機(jī)的性能要求。

表4 W5040 水下推進(jìn)器電機(jī)性能測試結(jié)果

5 結(jié)束語

（1）本文設(shè)計(jì)了一款12 槽14 極、250 W 的外轉(zhuǎn)子水下推進(jìn)器直流永磁電機(jī)，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（2）建立了電機(jī)仿真分析模型，計(jì)算了電機(jī)的磁場磁密、輸出轉(zhuǎn)矩、負(fù)載損耗等，并將損耗作為熱源在Fluent進(jìn)行了電機(jī)在穩(wěn)態(tài)負(fù)載下的溫度計(jì)算，驗(yàn)證了該電機(jī)模型設(shè)計(jì)的合理性。

（3）對(duì)試制的電機(jī)物理樣機(jī)進(jìn)行了測試分析，結(jié)果表明在額定電壓、電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 078 r／min，輸出功率為258 W，扭矩為0.8 N·m，效率為78.8%，滿足水下推進(jìn)器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求。