机桨一体化推进电机的设计与分析

刘建波 黄刘玮 李耕

（1. 海军驻上海江南造船集团有限责任公司军代室，上海 202150；2. 海军工程大学电气与信息工程学院，武汉 430033）

0 引言

由于传统船舶推进系统的效率低、噪声高、占用空间大、可靠性低以及灵活性差等问题日渐突出，人们将目光转向更先进的推进方式—电力推进，吊舱的出现则被视为电力推进领域的里程碑。然而，上述推进方式仍不能完全胜任，人们迫切需要一种新的推进模式来改善船舶舒适性和推进器体积，以及满足军事上对舰船和潜艇隐身、推进性能的苛刻要求。

机桨一体化装置，又称电机推进器综合体（Integrated Motor Propulsor，简称 IMP），是随着吊舱技术的发展而出现在船舶电力推进领域中的新型推进形式。其设计思想是螺旋桨外缘与电机转子内缘相接，电机定子外缘与机座外罩内缘相接，整个装置作为独立的单元置于船舶和潜艇的底部或尾部（有时可置于船体内部），直接放在水中[1-4]。

本文针对自行设计的一台22.5 kW机桨一体化推进电机展开研究，建立推进电机的有限元计算模型，采用适合此类特殊电机电磁场计算方法，对电机的空载及负载磁场分布、空载反电势、气隙磁密以及负载时的运行特性进行研究，得到的计算结果可作为此类电机设计的参考。

1 机桨一体化推进电机设计

所设计的机浆一体化水下推进器的结构示意图如图1所示。主要由机座、管道状吸声机构和电机螺旋桨一体化装置三部分组成，在机座和管道间有橡胶减震隔离层。在转子内部嵌有螺旋桨（泵叶），水泵没有中心轴，转子的定位和支撑是由气隙中的轴向和径向轴承完成的；定转子气隙间有水流过，带来良好冷却条件的同时，也提高了对绝缘材料性能的要求。

图1 机桨一体化水下推进器示意图

电机部分的基本结构参数如表1所示。

表1 电机基本结构参数

该永磁电机转子上的永磁体布置采用Halbach结构，每极有两块磁钢构成，其中一块为径向充磁，另一块切向充磁。采用Halbach结构可使电机气隙磁密得到加强，而转子轭部磁密反而减小。转子轭部采用实心结构，转子的背环与桨叶为同一个铸件体，均为不导磁的黄铜材料。其结构如图2所示。

2 IPM推进电机电磁场计算

电机电磁场的计算一般归结为某些偏微分方程的求解。求解偏微分方程必须结合具体问题的特定边界条件才能获得唯一的解答。求解的过程较为复杂，考虑到实心转子永磁同步电动机设计精度高的要求，本文采用有限元法对电机的电磁场进行数值计算。电机在如图2所示的一对极内，稳态电磁场的问题可表示成边值问题为：

式中：Ω为求解区域，S2为第二类边界；L为电机内各媒质分界线。

图2 永磁电机结构示意图

剖分单元采用了精度较高的曲边四边形，它的边可以不是直线。在单元内任一点的磁位A，可以认为是该单元的四个节点磁位的函数，因此可以构成一个磁位插值函数。对式（1）进行求解，可以得到电机内各节点的矢量磁位值AZ，进而，可获得电机内各点的磁密和相绕组电势。

其中电机内各节点的磁密可表示为：

一个电枢绕组线圈边的一根导体单位长度的平均电势可表示为：

其中，Ab为槽面积。如果线圈边划分为ne个单元（有N1匝），则一个线圈边的平均电势为：

其中：参数lef为铁心有效长度，s为单元面积，i, j ,m,n 为四边形单元的节点号，各绕组的电势都是由线圈边电势组成的，可得相绕组电势：

由式（5）可知，相绕组电势与电枢长度、匝数、及电机磁场有关[5-19]。

在计算过程中，定转子的相对运动采用运动气隙边界法，斜槽采用叠加法[10]加以考虑。

3 电磁计算结果与分析

采用上述方法，对自行设计的22.5 kW机桨一体化水下推进器进行电磁分析与计算。

图3为永磁机桨一体化推进器的二维模型图，电机的转子具有较小的厚度，转子上的永磁体为Halback阵列形式。为便于观察和说明，这里没有画出较为复杂的密封及安装示意图。

图3 永磁机桨一体化装置二维模型图

为节省计算资源和时间，取电机的八分之一的二维模型作为电磁场研究对象。

空载和额定负载时，永磁电机磁场分布如图4和图5所示。

图6为空载气隙磁密波形图，从图中可清晰地看到齿槽效应的结果。图7为空载反电势及其基波。

图8～10为电机在额定负载下，定子电流、电磁转矩以及转速的波形图。

图4 空载情况下电机磁场分布

图5 额定负载情况下电机磁场分布

图6 空载气隙磁密

图7 空载反电势及其基波

5 结论

本文针对新型IMP式的推进电机特点，设计了一种新型的永磁电机，并采用有限元法对电机电磁场进行数值计算，在计算过程中计及了电机定、转子相对运动和定子斜槽等因数。通过理论分析和计算得到如下结论：

图8 额定负载时定子电流波形图

图9 额定负载时电磁转矩图

图10 额定负载时电机起动过程

（1）本文对自行设计的大气隙、Halbach转子结构的新型一体化推进电机进行电磁场有限元计算，计算结果满足工程设计需要，所使用的方法有助于缩短设计和试验周期，进一步节约成本。

（2）除电磁场外，一体化推进器在水下运行时还涉及到温度场和流体场，所以如何准确分析一体化推进器中的温度分布以及建立与之对应的多场耦合研究方法是本文后续工作的重点。

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