高速永磁推進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

王堅(jiān)強(qiáng)，王 嘉

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高速永磁推進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

王堅(jiān)強(qiáng)1，王 嘉2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢數(shù)字工程研究所，武漢 430074）

在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，可采用高速永磁推進(jìn)電機(jī)滿足高轉(zhuǎn)矩密度和高功率密度的應(yīng)用要求。本文分析了高速永磁推進(jìn)電機(jī)顯著特點(diǎn)，介紹了機(jī)械齒輪減速、同軸磁齒輪減速，PDD準(zhǔn)直驅(qū)式永磁電動(dòng)機(jī)，磁懸浮軸承和無軸承電機(jī)工作原理。展望了高速永磁推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

高速永磁電機(jī) 機(jī)械齒輪 磁齒輪 PDD永磁電機(jī) 磁懸浮

0 引言

隨著綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，對推進(jìn)電機(jī)的要求越來越高，除滿足調(diào)速和推進(jìn)功率的需求外，高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、低噪聲也是重要的技術(shù)指標(biāo)。在最近20年，永磁電機(jī)技術(shù)的發(fā)展集中體現(xiàn)在下列高功率密度永磁電機(jī)上：

1）橫向磁通永磁同步電動(dòng)機(jī) PM transverse flux motor (TFM)；

2）盤式無刷永磁電動(dòng)機(jī) PM brushless disc type motors（DTM）；

3）獨(dú)立集中繞組無刷永磁電動(dòng)機(jī)（近極槽配合永磁電動(dòng)機(jī)）PM brushless machines with non-overlapping concentrated coils。

上述永磁電機(jī)在功率密度上有了很大的提高，但由于推進(jìn)螺旋槳需要低轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)速限制了永磁電機(jī)在功率密度上進(jìn)一步提高。

依據(jù)相關(guān)報(bào)道[1]，現(xiàn)在低速永磁電機(jī)功率達(dá)到65 MW。與此同時(shí), 又有報(bào)道稱[2]，現(xiàn)在高速永磁電動(dòng)機(jī)應(yīng)用越來越廣泛，最高速度已達(dá)到1 000 000 rpm。兆瓦級高速永磁電機(jī)具有更高的功率密度和更小的體積，在船舶電力推進(jìn)上有更廣闊的應(yīng)用前景。以一個(gè)20 MW、10 000 rpm的永磁電動(dòng)機(jī)為例，其重量只有3 488 kg[3]。而英國Roll-Royce公司設(shè)計(jì)的20 MW、180 rpm的高功率密度永磁電動(dòng)機(jī)重量有65噸。

由于高速永磁電機(jī)的功率密度大，定子散熱面積小、損耗密度高，必須采用不同于傳統(tǒng)電機(jī)的定子材料與冷卻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子要承受很大的離心力和一定的熱應(yīng)力，而永磁體的抗拉強(qiáng)度往往較低，因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度分析，需要采用高強(qiáng)度的材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)保護(hù)設(shè)計(jì)。

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)比較復(fù)雜，高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子易因不平衡和共振產(chǎn)生較大的振動(dòng)，甚至?xí)罐D(zhuǎn)子嚴(yán)重變形，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析。普通電機(jī)軸承不能直接用于高速電機(jī)，需根據(jù)應(yīng)用場合和技術(shù)條件要求選擇高速滾珠軸承、空氣軸承或磁懸浮軸承等適用于高速場合的軸承。

國內(nèi)的沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京交通大學(xué)等科研院所以及國外的一些科研機(jī)構(gòu)對高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，重點(diǎn)分析了其電磁性能、溫度場分布和動(dòng)力學(xué)分布。為高速電機(jī)設(shè)計(jì)提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

船舶高速永磁推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，為了滿足推進(jìn)螺旋槳低轉(zhuǎn)速要求，需要一個(gè)減速機(jī)構(gòu)。這個(gè)減速機(jī)構(gòu)可以是一個(gè)機(jī)械齒輪箱，也可以是磁齒輪箱，或則是設(shè)計(jì)成磁復(fù)合結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。

這樣設(shè)計(jì)的目的是要在高速電機(jī)中完成電磁能量轉(zhuǎn)換，將電能變?yōu)闄C(jī)械能，縮小電機(jī)體積和重量，實(shí)現(xiàn)高功率密度。再通過減速機(jī)構(gòu)降速以滿足螺旋槳低轉(zhuǎn)速推進(jìn)要求，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩密度。這就要求我們除完成高速永磁設(shè)計(jì)外，還要考慮減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁懸浮設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械齒輪減速

圖1 機(jī)械齒輪箱結(jié)構(gòu)圖

圖1是機(jī)械齒輪箱結(jié)構(gòu)圖，它由太陽輪、行星輪、外圓輪和負(fù)載輪組成。太陽輪連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽輪旋轉(zhuǎn)，太陽輪帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使負(fù)載輪跟隨旋轉(zhuǎn)，負(fù)載輪與負(fù)載連接。負(fù)載輪與太陽輪的旋轉(zhuǎn)方向一致。

在太陽輪、負(fù)載輪、行星輪和外圓輪之間，有下列關(guān)系式成立[4]。

式中，n為太陽輪轉(zhuǎn)速，l為負(fù)載輪轉(zhuǎn)速，N為外圓輪齒數(shù)，N為太陽輪齒數(shù)，N為行星輪齒數(shù)。

以20 MW、10 000 rpm的永磁電動(dòng)機(jī)為例，其轉(zhuǎn)矩為19 kN·m。若要滿足20 MW、150 rpm推進(jìn)螺旋槳的要求，需要1:66的減速齒輪，輸出轉(zhuǎn)矩為1 270 kN·m。1:66的減速齒輪一級減速很難實(shí)現(xiàn)，需要2級減速。2級減速齒輪的總重量為25 000 kg[3]。這樣，20 MW高速永磁電動(dòng)機(jī)和齒輪箱系統(tǒng)總重量約30噸。與低速永磁電動(dòng)機(jī)相比重量減少一半，功率密度提高一倍。

采用機(jī)械齒輪箱減速的最大缺點(diǎn)是機(jī)械噪聲大。為降低機(jī)械噪聲，有學(xué)者建議采用永磁齒輪箱減速。

2 同軸永磁齒輪減速

同軸永磁齒輪概念由K.Atallah在2001年提出，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由內(nèi)轉(zhuǎn)子、調(diào)磁塊和外轉(zhuǎn)子組成。內(nèi)轉(zhuǎn)子外表面安裝有永磁體，外轉(zhuǎn)子內(nèi)表面也安裝有永磁體，調(diào)磁塊由導(dǎo)磁材料制成。調(diào)磁塊靜止固定，當(dāng)高速永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子外表面的永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，經(jīng)過調(diào)磁塊調(diào)制，產(chǎn)生諧波磁場，其中最強(qiáng)的低序諧波磁場極對數(shù)與外轉(zhuǎn)子內(nèi)表面永磁體磁場極對數(shù)相等，兩者相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速效果。與其它的磁性齒輪相比，其突出優(yōu)點(diǎn)是所有永磁體同時(shí)參與了轉(zhuǎn)矩的傳遞，轉(zhuǎn)矩密度大大提高。

圖2 同軸永磁齒輪箱

我們知道，在均勻氣隙中，永磁體產(chǎn)生的氣隙徑向磁密為[5]：

式中：p為內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)；ω為內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；b為磁密分布的徑向傅里葉系數(shù)。當(dāng)氣隙中有調(diào)磁鐵塊時(shí)，氣隙徑向磁導(dǎo)函數(shù)(調(diào)制函數(shù))可表示為：

式中：N為調(diào)磁鐵塊數(shù)；λ為調(diào)制函數(shù)的徑向傅里葉系數(shù)。由式(3)、式(4)可以得出經(jīng)過調(diào)制后的氣隙徑向磁密：

從上式可以得出，調(diào)制后的氣隙徑向磁密，其空間諧波的極對數(shù)p如下：

式中，=1，3，5，…，∞；=0，±1，±2，±3，…，±∞。而且可以得出磁密空問諧波的旋轉(zhuǎn)角速度ω為：

由上式可知，由于引入了調(diào)磁塊，即k≠0，氣隙磁密空間諧波的旋轉(zhuǎn)角速度已不同于永磁體所在的內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。因此，要使內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同，必須為非零值，并且外轉(zhuǎn)子永磁體的極對數(shù)，必須等于≠0時(shí)的一個(gè)空間諧波的極對數(shù)。因?yàn)?l，=-1的組合，可以產(chǎn)生除基波之外的幅值最大的空間諧波，那么外轉(zhuǎn)子的極對數(shù)o就必須等于N-p，進(jìn)而就可以給出齒輪速比為：

式中，n內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，o外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，N為調(diào)磁塊數(shù)量，p內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)。

同軸永磁齒輪可以設(shè)計(jì)成徑向同軸結(jié)構(gòu)[6],如圖3(a)所示，也可以設(shè)計(jì)成軸向同軸結(jié)構(gòu)，如圖圖3(b)所示。

對20 MW、10 000 rpm高速永磁電機(jī)，采用2級永磁齒輪，達(dá)到1: 66的減速要求，2級減速永磁齒輪的總重量為40噸[3]。這樣，20 MW高速永磁電動(dòng)機(jī)和齒輪箱系統(tǒng)總重量約45噸。比采用機(jī)械齒輪箱系統(tǒng)總重量要高一些。

3 PDD準(zhǔn)直驅(qū)式永磁電動(dòng)機(jī)

現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直傾向于直接驅(qū)動(dòng)，這樣可以省去機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，消除機(jī)械齒輪的振動(dòng)噪聲，減少機(jī)械損耗，獲得更高的系統(tǒng)效率，節(jié)約能源。但是用于直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)為了輸出更大的轉(zhuǎn)矩，一般體積、重量較大。磁齒輪具有低噪音、高效率、便于維護(hù)、高可靠性以及過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，引起了大家的普遍關(guān)注。為了獲得更高的傳動(dòng)性能，最新的研究成果是將高速永磁電動(dòng)機(jī)和磁齒輪設(shè)計(jì)在一個(gè)結(jié)構(gòu)中，形成準(zhǔn)直驅(qū)式永磁電動(dòng)機(jī)（Pseudo Direct Drive 簡稱PDD）。

為了更好的利用磁齒輪的內(nèi)部空間，將一臺外轉(zhuǎn)子高速永磁電機(jī)和一臺磁齒輪整合在一起構(gòu)成磁復(fù)合電機(jī)PDD，如圖4所示為英國Magnomatics公司開發(fā)的集成磁齒輪的PDD電動(dòng)機(jī)。它將磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成高速轉(zhuǎn)子，使高速永磁電機(jī)的外轉(zhuǎn)子和磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)同步高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)經(jīng)過磁齒輪的調(diào)磁鐵塊的調(diào)制作用，在磁齒輪的外轉(zhuǎn)子上獲得低速大轉(zhuǎn)矩。

PDD電機(jī)具有3層氣隙，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；其磁場相互耦合，磁場分布也比較復(fù)雜，這給復(fù)合電機(jī)的分析帶來了一定的困難。普通的靜態(tài)電磁場只能計(jì)算復(fù)合電機(jī)的靜態(tài)特性，沒有辦法分析復(fù)合電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。由于復(fù)合電機(jī)的內(nèi)外轉(zhuǎn)子不是直接接觸的剛性連接，外轉(zhuǎn)子是一個(gè)隨動(dòng)轉(zhuǎn)子，所以對其動(dòng)態(tài)分析就顯得更加重要。為了獲得更加精確的復(fù)合電機(jī)動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)充分考慮磁齒輪磁場和電機(jī)磁場的耦合問題。

PDD電機(jī)是磁齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，屬于磁齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的范疇，PDD電機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高速電機(jī)的控制和系統(tǒng)的低速大轉(zhuǎn)矩輸出。英國Magnomatics公司開發(fā)了系列磁齒輪和集成了磁齒輪的PDD電動(dòng)機(jī)。2009年9月，英國國防部MOD與Magnomatics公司簽定了合同，開發(fā)15 MW級用于綜合全電力推進(jìn)的磁齒輪推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

圖4 PDD電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4 高速永磁電動(dòng)機(jī)磁懸浮技術(shù)

磁懸浮技術(shù)是指借助磁場力將被控對象(轉(zhuǎn)子)置于非機(jī)械接觸狀態(tài)的技術(shù)。該技術(shù)主要理論基礎(chǔ)是電磁場理論、電力電子技術(shù)及控制理論，依托現(xiàn)代電力電子器件及信號處理器件得以實(shí)現(xiàn)。有的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速超過10 000 rpm，機(jī)械軸承在高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，減小了電機(jī)的壽命，帶來較大的噪音。采用磁懸浮技術(shù)可以使電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之問沒有機(jī)械接觸，避免在轉(zhuǎn)子超高速旋轉(zhuǎn)情況下劇烈的機(jī)械磨損。并且無需潤滑，無污染，壽命較長。目前，磁懸浮技術(shù)已在磁懸浮列車、新型戰(zhàn)機(jī)矢量發(fā)動(dòng)機(jī)電力集成功率單元、太空艙主發(fā)動(dòng)機(jī)液氧渦輪泵及飛輪貯能等方面獲得了實(shí)際應(yīng)用。

高速永磁電動(dòng)機(jī)所采用的磁懸浮技術(shù)主要有兩種：一種是安裝磁懸浮軸承(Magnetic Bearing)，另一種是設(shè)計(jì)成無軸承電機(jī)(Bearingless Motor)。

1）磁懸浮軸承

磁懸浮軸承是利用磁場力將轉(zhuǎn)子懸浮于空中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之問沒有任何機(jī)械接觸的新型高性能軸承。

磁懸浮軸承的結(jié)構(gòu)形式有多種，圖5是一種利用永磁體偏磁的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以減小磁懸浮軸承的體積和重量。它主要由鐵芯、繞組、永磁體、機(jī)座、位置傳感器和控制裝置組成。它有2個(gè)鐵芯，鐵芯硅鋼片形狀如圖5(b)所示，鐵芯有4個(gè)磁極，每個(gè)磁極上裝有一個(gè)控制繞組。在2個(gè)鐵芯對應(yīng)的磁極中間安裝有永磁體，永磁體通過機(jī)座、兩邊鐵芯磁極和軸組成磁路，對軸形成偏磁力。偏磁力用于支撐轉(zhuǎn)子自由懸浮，并通過控制繞組電流進(jìn)行穩(wěn)定控制。通有電流的控制繞組會依據(jù)電流大小產(chǎn)生相應(yīng)的恢復(fù)電磁力，保持轉(zhuǎn)軸在中心位置。由于繞組產(chǎn)生的是恢復(fù)力，線圈繞組和通過的電流并不需要太大。

圖5 磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)框圖

圖6 控制裝置結(jié)構(gòu)框圖

控制裝置如圖6所示，當(dāng)軸的位置發(fā)生變化時(shí)，位置傳感器給控制器發(fā)出反饋信號，控制磁懸浮軸承繞組電流隨之變化，以使軸保持在氣隙的中心位置。

磁懸浮軸承的懸浮力主要由永磁體磁場和控制繞組電流磁場共同產(chǎn)生的麥克斯韋力，每個(gè)麥克斯韋力單元可表示為式（9）。

式中，d為麥克斯韋力單元力，為氣隙磁密，d為轉(zhuǎn)子表面單元面積，0是空氣中的磁導(dǎo)率。

2）無軸承電機(jī)

將磁懸浮軸承中產(chǎn)生懸浮力的繞組和交流電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的繞組一起嵌入到電機(jī)定子槽中，使懸浮力繞組產(chǎn)生的磁場和電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場合成一個(gè)整體，采用磁場定向控制策略分別獨(dú)立控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定懸浮，這樣就可以減小磁懸浮軸承支承高速電機(jī)在電機(jī)兩端的磁軸承所占的軸向空間，這就是無軸承電機(jī)的基本思想[7,8]。

永磁型無軸承電機(jī)是在普通永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，在定子中嵌入懸浮繞組而成。假設(shè)轉(zhuǎn)矩繞組為P對極，懸浮繞組為P對極，要在永磁電機(jī)中產(chǎn)生磁懸浮力，需滿足等式（10）[9]：

式中，ω、ω分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的電流角頻率。

永磁型無軸承電機(jī)的兩套繞組布置方式有2中，一種是集中繞組布置方式，如圖7(a)所示；另一種是分布繞組布置方式，如圖7(b)所示。圖中，UM、VM、WM表示3相轉(zhuǎn)矩繞組，UB、VB、WB表示3相懸浮繞組。N、N分別為轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組每相串聯(lián)有效匝數(shù)。當(dāng)電機(jī)中有兩套繞組時(shí)，依據(jù)電磁場理論，會產(chǎn)生兩種電磁力，它們是洛倫茲力和麥克斯韋力。在永磁磁極產(chǎn)生的磁場中，轉(zhuǎn)矩繞組產(chǎn)生的洛倫茲力形成轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；懸浮繞組產(chǎn)生的洛倫茲力是磁懸浮力。麥克斯韋力也產(chǎn)生兩種力，一種是由于轉(zhuǎn)子偏心引起的單邊磁拉力，另一種是由于懸浮繞組通電造成磁場不均衡而產(chǎn)生的可控磁懸浮力。徑向磁懸浮力由式(11)表述[9]：

圖8 無軸承永磁電機(jī)調(diào)速原理圖

式中，k =πPPL2/(8 rμWkWk)；k=3PWk/(4rWk)。k、k麥克斯韋力和洛倫茲力常數(shù)，F、F是徑向磁懸浮力在x軸和y軸上的分量，i、i是懸浮繞組電流在d-q坐標(biāo)系的分量，ψ、ψ是轉(zhuǎn)矩繞組和轉(zhuǎn)子永磁體共同產(chǎn)生的氣隙磁鏈在d-q坐標(biāo)系的分量，L2是懸浮繞組的互感，W和W是轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組匝數(shù)，k、k是轉(zhuǎn)矩繞組和懸浮繞組的繞組系數(shù)，為轉(zhuǎn)子有效長度，為轉(zhuǎn)子半徑。

三相無軸承永磁電機(jī)典型的調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖8所示。它有兩套控制回路，一個(gè)是對磁懸浮位移進(jìn)行矢量控制，另一個(gè)是對轉(zhuǎn)速進(jìn)行矢量控制。

5 總結(jié)與展望

兆瓦級高速永磁電機(jī)具有更高的功率密度和更小的體積，在船舶電力推進(jìn)上有更廣闊的應(yīng)用前景。高速永磁電機(jī)作為電力推進(jìn)使用需要齒輪箱降速，以滿足螺旋槳低速推進(jìn)要求。降速齒輪箱可以是機(jī)械齒輪、磁齒輪或設(shè)計(jì)成PDD準(zhǔn)直驅(qū)式永磁電動(dòng)機(jī)。機(jī)械齒輪具有體積小、重量輕，但機(jī)械噪聲大的特點(diǎn)，在噪聲指標(biāo)要求比較高的情況下，磁齒輪的選擇就更加重要。PDD準(zhǔn)直驅(qū)式永磁電動(dòng)機(jī)是目前技術(shù)研究、發(fā)展的熱點(diǎn)，但由于其結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中PDD的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、電磁設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)等方面還有許多技術(shù)需要突破。在通常情況下，高速永磁電機(jī)機(jī)械軸承在高轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，減小了電機(jī)的壽命，帶來較大的噪音，需要采用磁懸浮技術(shù)設(shè)計(jì)。磁懸浮技術(shù)主要有磁懸浮軸承和無軸承電機(jī)兩種，磁懸浮控制力的大小和精度是高速永磁電機(jī)實(shí)際應(yīng)用中所面臨的又一個(gè)挑戰(zhàn)。

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Current Status and Perspective of High-speed Permanent-magnet Propulsion-motor System

Wang Jiangqiang1, Wang Jia2

（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Wuhan Digital Engineering Institute，wuhan 430074, China）

TM351

A

1003-4862（2018）08-0001-05

2018-06-01

王堅(jiān)強(qiáng)（1963-），男，研究員。研究方向：電機(jī)。E-mail: 393916965@qq.com