水下探測(cè)器的推進(jìn)電機(jī)損耗和溫升分析

李思源，夏加寬，王天海，魏明倫

應(yīng)用研究

水下探測(cè)器的推進(jìn)電機(jī)損耗和溫升分析

李思源，夏加寬，王天海，魏明倫

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

永磁同步推進(jìn)電機(jī) 凸極率 損耗 溫度場(chǎng)

0 引言

隨著海洋事業(yè)對(duì)高性能電機(jī)的需求增大，高功率電機(jī)逐漸成為發(fā)展和研究的對(duì)象。推進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于艦船和水下裝備，推進(jìn)電機(jī)主要有直流電機(jī)，交流電機(jī)和永磁電機(jī)等。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于水下推進(jìn)電機(jī)。但是永磁電機(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。高速旋轉(zhuǎn)的永磁電機(jī)中氣隙磁密較大，從而增加鐵芯損耗以及永磁體中的渦流損耗。永磁推進(jìn)電機(jī)體積較小，因此永磁推進(jìn)電機(jī)向高速和高效發(fā)展必須考慮損耗問(wèn)題，對(duì)比不同永磁推進(jìn)電機(jī)的損耗和溫升結(jié)果具有重要意義[1]。

目前電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電機(jī)損耗和溫升問(wèn)題的關(guān)注程度遠(yuǎn)不及電磁場(chǎng)分析[2-3]，其實(shí)兩者是密切相關(guān)的。上述文獻(xiàn)對(duì)永磁電機(jī)的損耗和溫升計(jì)算進(jìn)行大量研究，為進(jìn)一步對(duì)永磁推進(jìn)電機(jī)溫升研究打下基礎(chǔ)。但針對(duì)永磁推進(jìn)電機(jī)，特別是應(yīng)用于水下的內(nèi)置式永磁推進(jìn)電機(jī)的相鄰磁極間距對(duì)多物理場(chǎng)影響研究還比較少，但溫升對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)和提高電機(jī)的功率密度至關(guān)重要。

本文以內(nèi)置式V型永磁推進(jìn)電機(jī)為研究對(duì)象，以有限元仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，并建立了電機(jī)三維仿真模型，對(duì)比分析不同相鄰磁極間距時(shí)永磁推進(jìn)電機(jī)的電磁性能，損耗和溫升，總結(jié)出不同相鄰磁極間距對(duì)永磁推進(jìn)電機(jī)的電磁場(chǎng)，損耗和溫度場(chǎng)等多物理場(chǎng)的影響。驗(yàn)證電機(jī)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性并得到性能較好的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，對(duì)于水下小功率永磁推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定參考價(jià)值。

1 永磁同步推進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)分析

圖1 永磁同步推進(jìn)電機(jī)截面圖

圖2 內(nèi)置V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表1 永磁同步推進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)

1.1 相鄰磁極間距對(duì)弱磁能力的影響

改變相鄰磁極間距會(huì)導(dǎo)致交、直軸電感變化，從而改變凸極率和電磁轉(zhuǎn)矩。通過(guò)Ansys有限元仿真，計(jì)算電機(jī)在不同相鄰磁極間距時(shí)，電機(jī)交軸電感、直軸電感、凸極率以及電磁轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 電感隨相鄰磁極間距變化規(guī)律

隨著相鄰磁極間距的增大，直軸電感變化不明顯，但是交軸電感隨著相鄰磁極間距的增加而增加，因此電機(jī)的凸極率也隨著相鄰磁極間距的增加而增加。直軸磁路集中于永磁體垂直中心線附近，每極永磁體垂直中心線的磁阻特性是影響直軸電感的重要因素。隨著相鄰磁極間距的變化，永磁體軸線的磁阻特性變化不大，因此直軸電感變化不大。交軸磁路集中于相鄰磁極的物理中心線上，隨著相鄰磁極間距的增加，交軸磁阻減小，因此交軸電感增大。凸極率即電機(jī)交軸電感與直軸電感的比值隨著相鄰磁極間距的增大總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，永磁同步推進(jìn)電機(jī)的凸極率可以體現(xiàn)該電機(jī)凸極效應(yīng)的強(qiáng)弱，而凸極效應(yīng)的強(qiáng)弱會(huì)直接影響永磁同步推進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小，凸極效應(yīng)越明顯則電磁轉(zhuǎn)矩越大。

圖4 凸極率隨相鄰磁極間距變化規(guī)律

圖5 轉(zhuǎn)矩隨相鄰磁極間距變化規(guī)律

2 推進(jìn)電機(jī)發(fā)熱分析

熱量的傳遞主要包括熱傳遞、熱對(duì)流以及熱輻射三種基本方式[3]。基于永磁同步推進(jìn)電機(jī)，定子繞組產(chǎn)生熱量，一部分通過(guò)絕緣層傳導(dǎo)至與繞組密切接觸的定子鐵心，定子鐵心再與外界通過(guò)熱交換的方式將熱量散出去；另一部分通過(guò)絕緣層，由熱對(duì)流的方式通過(guò)氣隙傳遞給轉(zhuǎn)子，再由轉(zhuǎn)子通過(guò)熱傳遞的方式傳遞給永磁體，最后通過(guò)轉(zhuǎn)子與外界通過(guò)熱對(duì)流的方式把熱量散到空氣中。以上過(guò)程中，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流在熱傳遞中占據(jù)主要作用。

2.1 熱源的確定

電機(jī)損耗是溫度場(chǎng)的熱源，損耗分析是電機(jī)溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)，也是提高電機(jī)效率的主要方式。電機(jī)損耗計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響電機(jī)溫升的精度[4]。因此，本文主要研究電流在永磁推進(jìn)電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生的銅耗、交變磁場(chǎng)在永磁體中引起的渦流損耗對(duì)溫升的影響。

2.1.1 定子繞組銅耗

銅耗是電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流在定子繞組中產(chǎn)生的損耗，是影響電機(jī)溫度的主要因素。對(duì)于三相繞組電機(jī)，假設(shè)電流在導(dǎo)線上均勻分布[5]，則總銅耗可以表示為

式中，為繞組中的相電流；為每相繞組電阻。對(duì)于本文的永磁同步推進(jìn)電機(jī)的銅耗通過(guò)上式計(jì)算，結(jié)果為325 W。

2.1.2永磁體渦流損耗

永磁同步推進(jìn)電機(jī)中的永磁體處在隨時(shí)間變化的交變磁場(chǎng)中，永磁體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。永磁體的橫截面為矩形，永磁體渦流損耗[6]計(jì)算公式可表示為

2.1.3 定子鐵耗和轉(zhuǎn)子鐵耗

電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的鐵心由硅鋼片構(gòu)成。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子鐵心處于復(fù)雜變化的磁場(chǎng)中，變化的磁場(chǎng)使硅鋼片產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗即鐵心損耗，鐵耗[7]的計(jì)算公式可表示為

圖6 永磁同步推進(jìn)電機(jī)損耗曲線

2.2 電機(jī)散熱系數(shù)的確定

散熱系數(shù)由很多方面決定，主要與流體的溫度和流體的流速有關(guān)，精準(zhǔn)計(jì)算散熱系數(shù)存在難度。多數(shù)電機(jī)企業(yè)都根據(jù)長(zhǎng)期試驗(yàn)積累，總結(jié)出電機(jī)表面的散熱系數(shù)公式，本文設(shè)計(jì)的永磁同步推進(jìn)電機(jī)部分散熱系數(shù)計(jì)算如下。

2.2.1 電機(jī)定轉(zhuǎn)子間的散熱系數(shù)

電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，氣隙中的空氣傳遞定、轉(zhuǎn)子間的熱量，但是傳熱系數(shù)計(jì)算比較困難。導(dǎo)熱系數(shù)一般采用等效計(jì)算，即定子和轉(zhuǎn)子表面之間建立對(duì)流連接。等效對(duì)流傳熱系數(shù)的數(shù)值主要由電機(jī)轉(zhuǎn)子半徑，電機(jī)轉(zhuǎn)速和氣隙長(zhǎng)度決定[8]，可表示為