船用五相永磁同步推進電動機的設(shè)計與分析

汪佳龍，謝 衛(wèi)，沈 佳

(上海海事大學(xué)，上海 201306)

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船用五相永磁同步推進電動機的設(shè)計與分析

汪佳龍，謝 衛(wèi)，沈 佳

(上海海事大學(xué)，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(shè)計，并運用Ansoft RMxprt模塊快速生成永磁電機模型，導(dǎo)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(shè)計方案具有一定的合理性，為大功率多相電機的設(shè)計和分析提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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(yīng)電機以及永磁同步電機，未來還將有高溫超導(dǎo)同步電機、超導(dǎo)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(xué)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(yīng)電機偏多，對于五相永磁同步電機的設(shè)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(chǔ)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(shè)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(shè)計

1.1 額定數(shù)據(jù)和性能指標

本文所設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)磁導(dǎo)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(yù)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(yù)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(dǎo)體數(shù)Nφ1和每槽導(dǎo)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(shè)計模塊。對所建立的電機模型進行求解計算，電機的主要設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果如表2所示。

表2 電機主要設(shè)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(shè)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(dǎo)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(yīng)添加線圈，使三相電機變成五相電機，并相應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)引起的。圖10為負載轉(zhuǎn)矩波形。圖11為五相負載感應(yīng)電動勢，并對其中D相感應(yīng)電動勢進行傅立葉分析，如圖12所示，可以看出D相感應(yīng)電動勢的諧波很小，可以忽略，從而說明電機設(shè)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(yīng)電動勢

圖12 D相感應(yīng)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(shè)計過程，并應(yīng)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(shè)計方案的合理性，為大功率多相永磁同步電機的電磁設(shè)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(yīng)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(xué)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(xué)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(shè)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(xué)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(shè)計研究。