永磁容錯輪緣推進電機的設計與分析

馬 瑞，朱景偉，徐曉輝

(大連海事大學，大連 116026)

0 引 言

隨著海上貿易的蓬勃發(fā)展，船舶噸位越來越大，推進器功率也隨之增大，伴隨而來的是越來越大的推進軸系，擠占了船舶空間，增加了船舶噪聲。因此出現了吊艙推進器，但吊艙推進器不易維護，降低了船舶壽命。輪緣推進電機是一種新式吊艙推進器，應用集成化思想將電機與螺旋槳一體化設計[1]，易于安裝維護。2015年在上海國際海事博覽會上，德國Vioth公司和英國Rolls-Royce公司分別展出了1 000 kW和1 600 kW的輪緣推進電機[2]。

目前，輪緣推進電機內置集成電機，主要為無刷直流電動機和永磁同步電動機[3-5]，無刷直流電動機具有輸出轉矩脈動大的缺點；而傳統(tǒng)的永磁同步電動機雖然克服了無刷直流電動機轉矩脈動大的缺點，但是無故障容錯能力。由于輪緣推進電機浸沒于水下，在水下長期工作，當電機繞組發(fā)生開路、短路等電氣故障時，船舶將失去推進動力。永磁容錯電機既具有永磁同步電動機的優(yōu)點，同時又具有故障容錯能力。因此，本文將對集成電機推進器用永磁容錯輪緣推進電機(以下簡稱FTPM-RDM)進行設計分析。

1 FTPM-RDM結構特點

FTPM-RDM結構如圖1所示。螺旋槳焊接在轉子環(huán)內側，定子安裝在導管中，定、轉子之間通過水潤滑軸承傳遞徑向、軸向推力。為了減小推進電機體積并滿足螺旋槳尺寸，定轉子軛部較薄，因此電機磁極僅能采用表貼式結構。由于水下環(huán)境復雜，具有極強的腐蝕能力，永磁體由樹脂等防腐材料包裹，磁極外有一層保護套筒，用來固定和保護磁極[6-7]。

圖1 FTPM-RDM結構示意圖

考慮到保護材料厚度，FTPM-RDM相較于傳統(tǒng)永磁電機，氣隙擴大2～3倍[8]。為了避免大氣隙對推進電機的影響，降低定、轉子軛部磁負荷，往往采用非常規(guī)的多磁極方案。此外螺旋槳帶動水流進入大氣隙，帶走了定子繞組產生的熱量，因此推進電機可以具有較高的電流密度[9]。

FTPM-RDM采用集中式定子繞組，電樞齒與隔離齒交替排列，繞組繞制在電樞齒上，每相繞組間有隔離齒，繞組所產生熱量通過定子表面?zhèn)鬟f到海水中，每相繞組由獨立的H橋供電，實現了物理、磁、熱、電氣的隔離[10]。同時，通過增大槽口漏感，使得 FTPM-RDM具有大電感來抑制短路電流。FTPM-RDM可以有效地隔離故障相。

2 FTPM-RDM主要參數選擇

本文設計的FTPM-RDM主要參數如下：額定功率1.5kW，直流母線電壓170V，額定轉速600 r/min，額定轉矩23.87 N·m，短路電流不大于額定電流的1.3倍，齒槽轉矩脈動不超過額定轉矩的1%。

2.1 FTPM-RDM相數選擇

為了提高電機冗余程度，FTPM-RDM往往采用多相設計方案。電機槽數為2km，m為電機相數，k為正整數。在僅考慮永磁體激磁效應的情況下，任何相數的FTPM-RDM內的磁力線以及徑向磁密都是對稱分布的，即每隔180°機械角度氣隙磁密幅值相等。在僅考慮電樞繞組激磁并采用相位差為360°/m電角度的正弦波供電時，2km槽FTPM-RDM在k為偶數時結構對稱，每180°機械角度對應相同相，氣隙徑向磁密對稱分布；在k為奇數時，氣隙徑向磁密對稱性與2m槽FTPM-RDM相同。2m槽FTPM-RDM中的氣隙徑向磁密如圖2所示。由圖2可知，在k為奇數時，只有偶數相FTPM-RDM的氣隙徑向磁密是對稱分布的。綜上所述，同時考慮永磁體激磁和電樞繞組激磁，km為偶數時氣隙徑向磁密對稱分布，徑向磁拉力平衡。

(a) 3相6槽

(b) 4相8槽

(c) 5相10槽

(d) 6相12槽

相數越多，FTPM-RDM的冗余能力越強，但增加相數需要增加控制器數量，意味著更高的控制成本。綜合考慮電機噪聲、冗余能力以及控制成本，本文選擇使用6相FTPM-RDM，即m=6。

2.2 FTPM-RDM極槽數選擇

由于FTPM-RDM采用集中繞組，其短距系數為1，則2km槽FTPM-RDM繞組系數計算公式如下：

(1)

式中：kwn為第n次諧波的繞組系數。

根據電機運行原理，僅有n=p次諧波，p為極對數，能夠與永磁體作用產生平均電磁轉矩。

2km槽6相FTPM-RDM定子繞組正繞連接，每兩個相鄰同相繞組n次諧波磁動勢相位相差360°·n/k電角度，所以除了k的整數倍次諧波，其它次諧波相互抵消。

FTPM-RDM采用6相對稱繞組，可能產生k，k(6a±1)次諧波(a=1，2，3，…)[11]。

繞組磁動勢總諧波含量THD定義如下：

(2)

式中：kwn為第n次諧波的繞組系數;p為極對數，p次諧波為基波。則6相2km槽FTPM-RDM不同極對數下的基波繞組系數kw1及總諧波含量THD如表1所示。

表1 6相2km槽FTPM-RDM不同極對數下基波繞組系數及總諧波含量

為了獲得較大的基波繞組系數以及減少氣隙磁動勢的諧波含量，6相FTPM-RDM選擇5k對極，考慮到FTPM-RDM多磁極結構，本文選擇48槽40極方案，即k=4，p=20。

2.3 FTPM-RDM影響繞組自感的主要參數

FTPM-RDM在其它參數不變的情況下，利用有限元仿真，得到繞組自感，隨槽口寬度bs0和槽口厚度hs0變化曲面，如圖3所示。

圖3 繞組自感隨槽口寬度和槽口厚度變化曲面

由圖3可見，減小槽口寬度，增加槽口厚度，可以增加繞組自感。由于工程上對槽口寬度和槽口厚度限制較多，因此需要研究其它可能對繞組自感造成影響的參數。

2km槽FTPM-RDM每槽導體數計算公式如下：

(3)

式中：nt為每槽導體數；E0為空載反電動勢；nN為額定轉速；φm為每極氣隙基波總磁通。

則每極氣隙基波總磁通計算公式如下：

(4)

式中：bδ1m為基波氣隙磁密幅值；Da為定子內徑；leff為定子軸向長度，定子內徑選定后通常不變。

已知槽口漏感簡化計算公式[12]：

(5)

式中：μ0為真空磁導率。

假設leff減小為1/k，維持空載反電動勢恒定，由式(3)、式(4)可知，每槽導體數變?yōu)樵瓉淼膋倍；由式(5)可知，若其它參數不變，則Ls0σ變?yōu)樵瓉淼膋倍?？梢酝ㄟ^降低軸向長度來增加槽口漏感，從而增加繞組自感。可見，FTPM-RDM的大電感可以通過降低槽口寬度，增加槽口厚度，降低軸向長度來實現。其結構具體表現為深而窄的槽口，外形扁平。

3 有限元仿真分析

根據上述參數選擇原則，FTPM-RDM主要結構參數如表2所示。

表2 FTPM-RDM結構參數

FTPM-RDM通過改變表貼式永磁體離心高度來優(yōu)化性能，仿真分析最優(yōu)離心高度為84mm。由于螺旋槳一般采用不導磁材料，故沒有在模型中考慮。而集中式繞組電機端部較短，端部效應可以忽略，因此僅建立二維仿真模型。

3.1 FTPM-RDM磁密分布

優(yōu)化后FTPM-RDM空載磁密分布如圖4所示，軛部磁密小于1.61T，齒部磁密小于1.3T，鐵心不飽和，滿足約束條件。

圖4 FTPM-RDM空載磁密分布圖

3.2 FTPM-RDM空載反電動勢與齒槽轉矩脈動

優(yōu)化后空載反電動勢E0如圖5所示，波形近似正弦分布，其有效值為90.8V，滿足設計要求。引入離心高度對永磁體進行優(yōu)化，空載反電動勢諧波畸變率由6.88%降低到0.85%。

圖5 空載反電動勢波形圖

一般集中繞組的齒槽轉矩Tcog脈動較小，不需要斜槽等特殊方式來減少齒槽轉矩脈動[14]。FTPM-RDM齒槽轉矩脈動如圖6所示，優(yōu)化后齒槽轉矩脈動小于額定轉矩的1%，滿足設計要求。

圖6 齒槽轉矩脈動波形圖

3.3 FTPM-RDM繞組電感與容錯能力

FTPM-RDM繞組電感L如圖7所示，FTPM-RDM的自感為20.2mH，繞組互感值約為自感值的1%，可見FTPM-RDM具有極其良好的磁隔離能力。

圖7 繞組電感波形圖

采用電流滯環(huán)控制策略，額定負載時電流I如圖8所示，有效值為2.8A，A相短路時短路電流Is如圖9所示，有效值為3.54A。短路電流小于額定電流的1.3倍，滿足設計要求。

圖8 額定電流波形圖

圖9 短路電流波形圖

短路電流通過互感在正常相感應出電壓Eg，對正常相造成影響，A相短路時短路電流在其它相感應出的電壓如圖10所示。感應電壓很小，FTPM-RDM能夠隔離故障相。

圖10 短路電流感應出的電壓波形圖

4 結 語

本文研究了一種新型FTPM-RDM結構，確定了FTPM-RDM主要參數的選取原則。該電機的主要特點是電機外形扁平，采用單層集中式隔離繞組和深而窄的槽口結構。本文分析了FTPM-RDM主要參數對電機性能的影響。有限元仿真結果表明，該電機具有故障容錯能力，并能夠有效抑制繞組的短路電流。FTPM-RDM可用于對電力推進系統(tǒng)可靠性要求高的水下航行器中。