輪緣式推進器電機結構優(yōu)化技術研究

中圖分類號：U664.3 文獻標志碼：A

Research on Structural Optimization Technology of RimDriven ThrusterMotors

LIU Xiangming， QIU Xiangyao（GuangzhouHGMarineCO.，LTD.，Guangzhou511495，China）

Abstract： Therimthruster adopts the integrated motor technology， which is greatlydiferent fromthe traditional motor.Inthis paper，ANSYS Maxwellfinite element method is used to studythe infuence of thredesign parameters of permanent magnet motor structure，namely，stator slot width，electrode arccoefficient and centrifugal height on the performance of tooth pitch torque.The response surface method is creatively proposed to significantly reduce the tooth pitch torque and torque pulsation，optimize the stability of permanent magnet motor torque and effectively improve the efficiency of rim motor.

Key words： rim driven thruster; permanent magnet motor; cogging torque; motor efficiency

1 引言

輪緣式推進器系指采用集成電機技術，取消傳統(tǒng)的機械傳動軸系，將輪緣驅動電機與螺旋槳、軸承等部件進行集成一體化設計制造的推進裝置。它以電力驅動輪緣電機內轉子，通過軸承將轉子上螺旋槳產(chǎn)生的推力傳導至船體，從而推動船舶前進。

輪緣式推進器取代傳統(tǒng)有軸系的螺旋槳推進器，是船用推進系統(tǒng)領域的革命性創(chuàng)新。

輪緣式推進器電機屬于大直徑、薄壁、高功率密度的永磁同步電機，如圖1所示。在設計、加工、運行特性上，均與傳統(tǒng)電機存在較大的差異。本文從輪緣電機的結構入手，分析定子槽型、磁鋼形狀對齒槽轉矩等電機性能的影響，創(chuàng)造性地提出了響應面法，大幅減弱了齒槽轉矩和轉矩脈動，提高了永磁電機轉矩的平穩(wěn)性。通過多參數(shù)優(yōu)化，有效提高了輪緣電機的效率。

2 輪緣式推進器的結構簡介

如圖2所示，輪緣式推進器由機殼、定子、推力和徑向軸承、轉子、螺旋槳葉五大部件構成：

1）電機定子和轉子均由絕緣、防腐蝕的材料緊密包裹，不與水接觸；

2）螺旋槳葉直接固定在電機的轉子內圈；

3）水潤滑推力和徑向軸承固定在定子上，支撐螺旋槳和承受推力。

3輪緣式推進器的主要優(yōu)點

輪緣式推進器集永磁電機和螺旋槳于一體，去掉了傳統(tǒng)的傳動軸和齒輪箱，其特點是無齒輪、無密封、無軸系、無附體，具有高效率、低噪音、重量輕、無泄漏等優(yōu)勢，能夠大幅降低船舶的振動和噪音，增加船舶艙容，優(yōu)化船舶線形設計，提高船舶可靠性，增加經(jīng)濟效益。

1）效率高：不需要齒輪、艉軸、變速箱等傳動機構，沒有傳動效率損失；無槳轂，空泡少，且線速度高的槳葉外緣面積大，打水效率高；環(huán)形電機作為導管可以增加效率；槳葉前后無附體阻礙水流，因此環(huán)推的效率比傳統(tǒng)的電推進器推進效率高 8 % - 2 0 % 。

2）噪音低、振動小：沒有齒輪嚙合產(chǎn)生的噪音與振動，基本沒有機械噪音。

3）體積小重量輕，布局靈活，安裝方便：由于推進器高度集成、零部件少，因此體積、重量比傳統(tǒng)推進器減少 4 0 % 以上，且整體在艙外，可以節(jié)省大量船艙空間；而且推進器不需要傳統(tǒng)推進器的軸系連接發(fā)動機，可以方便地布局在任何位置，且非常方便安裝。

4）槳葉無纏繞、不易損壞：無槳轂的設計，不懼水草、漁網(wǎng)等水中異物纏繞；線速度高的槳葉外緣固定在轉子上且較寬、較厚，有機殼保護，不易損壞。

5）無需密封，對水體無任何污染：電機定子和轉子均由絕緣、防腐蝕的材料緊密包裹，作靜態(tài)密封，不需要傳統(tǒng)推進器的密封油，因此對水體完全無污染。

6）可靠性高：總體零部件少，且沒有齒輪、軸系等機械運動部件，可靠性高，維護簡單。

4電機結構參數(shù)對性能的影響分析

電機結構參數(shù)對其性能的影響是復雜且多維度的，不同的參數(shù)組合決定了電機的效率、功率密度、轉矩特性、溫升、噪聲等關鍵性能指標，通常以齒槽轉矩的型式體現(xiàn)。在輪緣式永磁同步電機的設計上，需對磁場走向、磁密分布進行研究，主要是對定子槽口寬度、極弧系數(shù)、離心高度等的影響因素進行分析和計算。在各因素綜合影響下對永磁同步電機進行電磁優(yōu)化設計。

根據(jù)上述分析，齒槽轉矩是永磁同步電機設計中必須權衡的關鍵因素，本文選擇定子槽口寬度 、極弧系數(shù) 以及離心高度h三個設計參數(shù)，采用AnsysMaxwell有限元法研究這些參數(shù)對齒槽轉矩的影響規(guī)律。

4.1定子槽口寬度對齒槽轉矩的影響

定子槽口寬度的弧長、弧度制與定子內徑之間的關系如圖3，定子槽口寬度的變化會引起氣隙相對磁導的改變，進而影響齒槽轉矩的大小。定子槽口寬度設計是重點，若槽口過寬則定子齒寬度減小，引起定子齒磁通飽和而增大鐵心磁阻；過窄會導致定子繞組嵌線困難。

在其它設計參數(shù)不變的情況下，僅改變定子槽口寬度得到齒槽轉矩波形，如圖4所示。圖4a）表示在不同槽口寬度時一個齒槽轉矩周期內的齒槽轉矩波形，圖4b）為齒槽轉矩幅值隨槽口寬度的變化曲線，可以看出齒槽轉矩幅值隨著槽口寬度的增加先增大后減小，因此，可以通過適當減小槽口寬度以削弱齒槽轉矩。

4.2極弧系數(shù)對齒槽轉矩的影響

永磁體極弧系數(shù)指每極永磁體的極弧寬度在一個極距中所占的比例。改變極弧系數(shù)會引起永磁體弧長的變化，從而影響氣隙中磁場的分布情況和氣隙磁密。極弧系數(shù)過小時，氣隙磁密降低，導致永磁電機電磁轉矩減小，因此，選取極弧系數(shù)的范圍在 0 . 6 ～ 0 . 9 □

在其它設計參數(shù)不變的情況下，僅改變極弧系數(shù)得到齒槽轉矩波形，如圖5所示。圖5a）為不同極弧系數(shù)時一個齒槽轉矩周期內的齒槽轉矩波形，圖 5 b ）為齒槽轉矩幅值隨極弧系數(shù)的變化曲線，可知隨著極弧系數(shù)的增加，齒槽轉矩幅值存在多個波峰和波谷，其中極弧系數(shù)為0.83時存在最優(yōu)極弧系數(shù)，齒槽轉矩幅值最小。

4.3離心高度對齒槽轉矩的影響

在原始模型中，使用內外徑同心式永磁體結構如圖6a）所示，永磁體內外徑圓心均位于 o 點，磁極在徑向等厚，厚度均為 。通過設定離心高度，永磁體內外徑偏心如圖6b）所示，內圓圓心位于 o 點，而外圓圓心偏移至 點，此時磁極厚度在徑向隨位置角的變化而改變，磁極徑向厚度不再為定值，永磁體為離心式永磁體。

當離心高度為零時永磁體為同心式，當離心高度不為零時永磁體徑向不等厚，離心高度越大磁極兩端越薄，氣隙磁密波形越接近正弦波。本項目選取離心高度在 0～3 5 m m 研究永磁電機齒槽轉矩的變化規(guī)律。在其它設計參數(shù)不變的情況下，僅改變離心高度得到齒槽轉矩波形，如圖7所示。圖7a）為不同離心高度時一個齒槽轉矩周期內的齒槽轉矩波形，圖7b）為齒槽轉矩幅值隨離心高度的變化曲線，可以看出隨著離心高度的不斷增加，齒槽轉矩幅值不斷減小。因此在設計永磁體時可以適當增加離心高度以削弱齒槽轉矩。

根據(jù)上述單參數(shù)仿真可知，適當減小槽口寬度、選取合適的極弧系數(shù)以及適當增加離心高度的方法均可削弱齒槽轉矩幅值。

5 基于響應面法的齒槽轉矩優(yōu)化

齒槽轉矩受到永磁電機眾多設計參數(shù)的綜合影響，僅通過單參數(shù)優(yōu)化難以實現(xiàn)電機齒槽轉矩幅值最小。為此，本項目采用響應面法，該方法具有試驗次數(shù)少、成本低等優(yōu)點。根據(jù)方差分析的原理利用響應面方法設計響應面試驗，開展電機齒槽轉矩多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，具體步驟如圖8所示。

1）電機轉矩性能多參數(shù)優(yōu)化

以有限元仿真結果作為構建響應面模型，以定子槽口寬度、極弧系數(shù)和離心高度為目標參數(shù)，以齒槽轉矩幅值為響應值，選取定子槽口寬度范圍 ，極弧系數(shù)范圍0.82＼～0.84，離心高度范圍 3 4～3 6 m m ，期望齒槽轉矩幅值最小，響應面試驗設計及結果如表1。

利用最小二乘法擬合出目標參數(shù)與響應值之間的回歸方程，在擬合出回歸模型后還需對模型利用方差分析進行有效性檢驗。圖9為齒槽轉矩響應面法預測值與有限元仿真值對比，圖中直線上的點橫、縱坐標相等，由于各數(shù)據(jù)點均在直線附近分布，表明預測值與數(shù)值仿真值十分接近，表明該預測方法精度較高。

由擬合的回歸模型繪制齒槽轉矩在自標參數(shù)兩兩交互時的響應面圖和等高線圖，如圖10所示，圖 1 0 a ）、圖 1 0 c ）中槽口寬度與極弧系數(shù)、極弧系數(shù)與離心高度兩組參數(shù)交互時響應面彎曲程度較大，等高線近似為橢圓，則這兩組參數(shù)間的交互作用對齒槽轉矩影響顯著；而圖 1 0 b ）中槽口寬度與離心高度交互時響應面彎曲程度較小，等高線近似為圓，則該組參數(shù)交互作用的影響不顯著。由圖10各響應面圖中信息總結出：齒槽轉矩隨槽口寬度的減小和離心高度的增大而減小且當極弧系數(shù)為0.84時存在最優(yōu)極弧系數(shù)，響應面模型擬合規(guī)律與有限元仿真規(guī)律一致。根據(jù)圖10各等高線圖中等高線的走向及顏色，可以看出離心高度對齒槽轉矩的影響程度最大，極弧系數(shù)次之，槽口寬度的影響程度最小。

以齒槽轉矩幅值最小作為優(yōu)化自標，結合圖10得到基于響應面法的最優(yōu)目標參數(shù)組合：槽口寬度 2 m m ！極弧系數(shù)0.84、離心高度 ，齒槽轉矩最優(yōu)解為 3 7 . 4 2 6 m N ? m 。根據(jù)DesignExpert軟件確定的最優(yōu)參數(shù)組合，在Maxwell中建立電機模型，經(jīng)有限元計算齒槽轉矩幅值為 3 7 . 5 0 m N? m ，齒槽轉矩的Ansys計算值與響應面法預測值之間的誤差僅為 0 . 1 9 8 % 。

2）電機轉矩性能對比

如表2所示，將原電機模型、單參數(shù)優(yōu)化模型以及多參數(shù)優(yōu)化模型的目標參數(shù)進行比較，分別在Ansys中建模計算并得出結果。

三種模型的齒槽轉矩和電磁轉矩對比情況如圖11所示。經(jīng)計算，單參數(shù)優(yōu)化模型與原模型相比齒槽轉矩減小了 4 3 . 6 1 % ，電磁轉矩減小 7 . 1 0 % ，轉矩脈動增大 1 . 4 2 % ；多參數(shù)優(yōu)化模型與原模型相比齒槽轉矩減小4 8 . 9 6 % ，電磁轉矩減小 6 . 0 8 % ，轉矩脈動減小 6 . 0 4 % 。綜上分析，兩種優(yōu)化模型與原模型相比都損失了部分電磁轉矩且大幅削弱了齒槽轉矩，但是單參數(shù)優(yōu)化模型增加了電機的轉矩脈動，而多參數(shù)優(yōu)化模型的轉矩脈動削弱，電磁轉矩的減小量也在可接受的范圍內。因此，基于響應面法的多參數(shù)優(yōu)化提升了電機的轉矩性能。

6 結論

與原模型相比，響應面法優(yōu)化模型齒槽轉矩幅值由 7 3 . 4 7 m N ? m 減小到 3 7 . 5 0 m N? m ，電磁轉矩由2.96 減小到 2 . 7 8 N ? m ，轉矩脈動由 8 . 4 4 % 減小到 7 . 9 3 % （20與單參數(shù)優(yōu)化模型相比，響應面法優(yōu)化模型齒槽轉矩幅值由 4 1 . 4 3 m N ? m 減小到 3 7 . 5 0 m N ? m ，電磁轉矩由2.75 增大到 2 . 7 8 N ? m ，轉矩脈動由 8 . 5 6 % 下降到 7 . 9 3 % 。多參數(shù)優(yōu)化模型在允許范圍內犧牲了一部分電磁轉矩輸出能力，但是，齒槽轉矩和轉矩脈動均被大幅削弱，優(yōu)化了永磁電機轉矩的平穩(wěn)性。通過多參數(shù)優(yōu)化，推進永磁電機效率可達到 9 6 % ，有效提高了輪緣電機的效率。

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