深海推进用充油式无刷直流电机的设计

胡 岩，任双华，韩 怀

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)

深海推进用充油式无刷直流电机的设计

胡 岩，任双华，韩 怀

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)

设计了一种深海推进用6 kW充油式永磁无刷直流电机。介绍了充油式永磁无刷直流电机的结构特点，研究了电机主要尺寸的计算方法，电磁负荷的选取，定转子的结构特点及设计方法，永磁体的设计方法。根据深海潜水器的技术要求用等效磁路法初步确定永磁无刷直流电机的基本参数，再使用Ansoft Maxwell 2D建立了电机的二维有限元分析模型，分析电机在空载与额定负载情况下的性能。最后，分析了电机的齿槽转矩，给出了降低齿槽转矩常用的几种方法。

无刷直流电机；等效磁路法；有限元分析；齿槽转矩

Abstract:A 6 kW oil-filled permanent magnet brushless DC motor is designed. In this paper,the structure characteristics of oil-filled BLDC motor is presented;the calculation method of motormain dimensions is caculated; the selection of electromagnetic load, the structure characteristics and design method of the stator and rotor;the design method of the permanent magnet is studied. The basic parameters of the BLDC motor are determined by the equivalent magnetic circuit method according to the technical requirements. Then the finite element analysis model of the motor is established in Ansoft Maxwell 2D. The performance of the motor under the no-load and rated load condition is analyzed. Finally, it analyzes the cogging torque of the motor and presents several methods of reducing it.

Keywords：brushless DC motor; equivalent circuit method; finite element analysis; cogging torque

电机推进器作为深海潜水器的动力核心部件，其所用电机性能的优劣直接影响深海潜水器的运行性能与续航能力。由于深海潜水器的特殊工作环境，在设计推进电机时应注意如下五方面的要求：①密封性。海水具有很强的导电性，因此电机必须有严格的密封措施，不仅有静密封，在电机转轴伸出端也要有动密封装置。②耐压性。海底几km深度会产生几十MPa的高压，对电机形成严峻的考验。目前常用的措施是采用充油式压力平衡器来消除电机内外的压力差。③耐腐蚀性。海水具有强腐蚀性，电机结构上与海水相接触的部分必须采用抗腐蚀材料，如钛合金等。④功率密度高。推进电机的功率密度高可以减小深海潜水器的重量与体积，有利于减小在水中航行的阻力，也有利于续航能力的提高。⑤控制性能好。深海潜水器在水底作业时需要完成前进、后退、快速与慢速等推进动作，因此推进电机必须具有极佳的控制性能。

永磁无刷直流电机是随着电力电子技术与永磁材料技术发展而出现的新型机电一体化电机[1]。由电子换向替代了机械换向，避免了有刷直流电机噪声大、寿命短、有电火花与电磁干扰等缺点，同时又具有直流电机控制性能好、起动转矩大、调速范围宽、低速性能好、运行平稳、效率高等优点[2]。电机结构方面，无刷直流电机无需机械换向器，电机结构更为简单，电枢绕组位于定子，便于散热。上述优点使得无刷直流电机广泛应用于工业及民用场合，也成为深海潜水器推进电机的最佳选择。

1 充油式无刷直流电机结构

充油式无刷直流电机结构包括电机本体、行星减速器、动密封装置以及压力平衡器。在压力平衡器与电机、电机与行星减速器、行星减速器与动密封装置之间均需采用静密封，电机转轴伸出端采用动密封。本次设计的充油式推进电机的整体结构如图1所示，无刷直流电机结构如图2所示。

图1 充油式推进电机结构

图2 无刷直流电机结构

2 无刷直流电机的电磁设计

电机的电磁设计是一项复杂的工作，根据给定的技术指标，选择合适的材料，确定电机各部分的尺寸，并计算电机的工作性能，需要反复多次调整才能得到理想的设计方案。

2.1分数槽电机槽极组合的选择

与整数槽相比，无刷直流电机采用分数槽，可减少槽绝缘占据的空间，有利于提高槽满率，进而提高电动机性能；原件数目较少，可简化嵌线工艺和接线，有助于降低制造成本；可以增加绕组的短距和分布效应，改善反电动势波形的正弦性，降低齿槽转矩和转矩波动，提高电动机性能；分数槽绕组电机有可能设计为线圈节距y=1的集中绕组[3]。

分数槽电机槽极数的选择有严格的限制。若电机的槽数为Z，极对数为p，包含t个单元电机。单元电机的槽数Z0必须为相数m的整数倍，由于Z0/p0为不可约分数，因此p0不可为m的倍数。为了得到较高的绕组系数，Z与2p的值尽可能接近。因为Z=2p±1的槽极配合会产生不平衡径向磁拉力，故不宜选用。

本文设计的无刷直流电机定子槽数Z=12，磁极数2p=10，采用第一节距y=1的非重叠集中绕组。电机的电动势相量星形图如图3所示。

图3 电机的电动势相量星形图

2.2电机主要尺寸的确定

永磁无刷直流电机的主要尺寸包括电枢直径Da与电枢的轴向长度la。电机的主要尺寸决定了电机的外形特点，对电机的工作特性与可靠性也有较大的影响[4]。主要尺寸可由如下公式来确定：

(1)

电机的长径比为λ=la/Da，上式可以改写为

(2)

电机的计算功率可用以下公式求得：

(3)

(4)

电磁负荷是指电机的电负荷A与磁负荷Bδ，它们与电机主要尺寸的确定直接相关，对电机效率、温升、运行特性等指标也有很大的影响。选择电磁负荷的数值时，不宜都选得过高，提高电磁负荷值虽然可以使电机的体积缩小，节约材料和减少加工费用，但是铜耗、铁耗的相应增加和电机效率的降低使电机在整个运行期间的电能消耗增加。又由于损耗的增加和散热面积的减少，使电机温升增高，绝缘材料加速老化，影响到电机的使用寿命[5]。

为了保证电机推进器有足够的过流面积，电机的外形需细长，即电机的长径比取值较大，这里λ=2.51。本文设计的无刷直流电机电枢内径为70 mm，轴向长度176 mm，预取电负荷为10 A/cm，预取磁负荷为0.8 T。

2.3永磁体尺寸的确定

永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度lM、磁化方向高度hM与宽度bM。永磁体的轴向长度一般与电机铁芯轴向长度大致相等，因此实际上只需确定磁化方向高度hM与宽度bM2个参数。因为bM决定了永磁体能够提供磁通的面积，需要经常调整bM以调整电机的性能。hM的选取不能过小，应使永磁体工作于最佳工作点，且电机的直轴电抗Xad合理[6]。永磁体的尺寸可由下式确定：

(5)

式中：δe为电机的计算气隙长度；Br/Bδ取值一般为1.1～1.35。

本文设计的电机永磁体的磁化方向高度hM=4.5 mm，宽度bM=0.81τ，τ为极距。

3 无刷直流电机电磁设计方案仿真

3.1永磁无刷直流电机的主要参数

永磁无刷直流电机的主要参数如表1所示。

表1 永磁无刷直流电机的主要参数

3.2基于AnsoftMaxwell2D的有限元仿真

3.2.1 电机有限元模型的建立

基于表1的电机参数，首先在Ansoft RMxprt模块下面建立电机的磁路模型。对磁路模型进行分析，验证电机的参数是否合理。经过多次调整以后，可以得到更为精确的电机参数。然后，将在Ansoft RMxprt模块下建立的磁路模型导出至Ansoft Maxwell 2D模块，生成电机的二维有限元分析模型，电机的有限元分析模型如图4所示。电机的有限元分析模型网格剖分如图5所示。

3.2.2 电机的静态场分析

首先分析电机的磁场分布，由此可以计算出电机的空载工作点、漏磁系数等。电机静磁场分布如图6所示。

由图6可以计算出电机的漏磁系数为1.36，由图7可知电机的气隙磁密为0.78 T，如此便可以计算出电机每极磁通以及确定永磁体空载工作点。通过图7可以判断电机是否存在局部过饱和点，据此调整电机的设计参数。

3.2.3 电机的空载分析

图4 永磁无刷直流电机的有限元模型

图5 电机网格剖分模型

图6 电机磁力线分布

图7 电机磁密分布

通过对空载条件下电机的瞬变电磁场进行仿真求解，可以得到电机的转矩、转速、绕组电流波形仿真曲线如图8、图9、图10所示。

图8 电机转矩随时间变化曲线

图9 电机转速随时间变化曲线

图10 电机绕组电流随时间变化曲线

3.2.4 电机的负载分析

通过对负载条件下电机的瞬变电磁场进行仿真求解，可以得到电机的转矩、转速、绕组电流波形仿真曲线，如图11、图12、图13所示。

图11 电机转矩随时间变化曲线

图12 电机转速随时间变化曲线

图13 电机绕组电流随时间变化曲线

4 无刷直流电机齿槽转矩的抑制

齿槽转矩又称定位转矩，是定子铁芯的齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩，为永磁电机特有的一种现象。齿槽转矩虽然不会使电机的平均有效转矩增加或减少，但它引起速度波动、电机振动和噪声，特别是轻负荷和低速时显得更明显[1]。对Ansoft RMxprt模块下电机磁路模型进行参数化分析，通过优化极弧系数与槽口宽度以降低齿槽转矩。

4.1电机极弧系数的优化

分数槽电机最佳极弧系数计算公式如下[7]：

(6)

式中：N=Nc/2p，Nc为电机槽数Z与磁极数2p的最小公倍数；k2为考虑磁极边沿漏磁的因数，与磁极的间距、气隙大小等因素有关，可取0.01～0.03。为了获得尽可能大的气隙磁通而增加输出转矩，磁极弧长对磁极的比值应尽可能取得高一些，所以K1宜取为1[8]。本文设计的电机槽数Z=12，磁极数2p=10，取k1=1，最佳极弧系数的取值范围为0.81～0.83。

将Ansoft RMxprt模块下电机磁路模型中永磁体厚度设为hm=4.5 mm，定子槽口宽度设为bs0=2 mm，极弧系数的取值范围为0.4～1，进行参数化分析，仿真结果如图14所示。

图14 不同极弧系数的齿槽转矩

由图14可知电机的最佳极弧系数为0.81，与公式计算的结果相符合。

4.2电机槽口宽度的优化

对永磁无刷直流电机而言，齿槽转矩可以认为是由转子每个磁极中心与对应的定子铁芯槽口之间产生不平衡力矩叠加所形成的，而每个不平衡力矩的大小很大程度上取决于定子槽的开口宽度，因此选择合适的槽口宽度可以显著抑制齿槽转矩，改善电机的转矩品质[9]。在上一步优化的基础上，即极弧系数设为αp=0.81，定子槽口宽度bs0的取值范围为1～10 mm，进行参数化分析，仿真结果如图15所示。

图15 不同槽口宽度的齿槽转矩

由图15可知，当定子槽口宽度bs0取6.1 mm时，电机的齿槽转矩降至最低。但考虑到电机的槽口增大，漏磁会相应增加，所以取bs0=4.1 mm。

5 结束语

本文设计了一种用于深海潜水器推进的充油式无刷直流电机，电机的额定功率为6 kW，额定转速6 000 r/min。利用等效磁路法初步确定了电机的设计参数，然后在Ansoft Maxwell 2D模块下面建立有限元分析模型，对电机的磁力线分布、磁场分布以及电机的空载特性与负载特性进行了分析，验证电机设计是否合理。有限元仿真的结果比较符合电机的技术要求。最后通过对电机的极弧系数与槽口宽度的优化，以降低电机的齿槽转矩，提高电机的性能。

[1] 谭建成. 永磁无刷直流电机技术[M]. 北京：机械工业出版社，2011:1-5.

[2] 张 琛. 直流无刷电动机原理及应用[M]. 北京：机械工业出版社，1996:2-6.

[3] 莫会成. 分数槽绕组与永磁无刷电动机[J]. 微电机，2007，40(11)：39-42.

[4] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京：机械工业出版社，1997:10.

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[6] 胡 岩，武建文，李德成. 小型电动机现代实用设计技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008:413.

[7] Zhu Z Q, Howe D. Influence of design parameters on cogging torque in permanent magnet machines[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2000, 15(4):407-412.

[8] 杨玉波，王秀和，丁婷婷，等. 极弧系数组合优化的永磁电机齿槽转矩削弱方法[J]. 中国电机工程学报，2007，27(6)：7-11.

[9] 董仕镇，马 隽，沈建新. 减小齿槽转矩的永磁电动机槽口优化设计[J]. 微电机，2007，40(12)：1-3.

Design of Oil-filled Brushless DC Motor for Deepwater Propulsion

HU Yan，REN Shuanghua，HAN Huai

(College of Electrical Engineering，Shenyang University of Technonlgy，Shenyang，Liaoning 110870，China)

TM33

A

1004-7913(2017)07-0005-05

2017-04-28)

胡 岩(1964)，女，博士，教授，研究方向为电工理论与新技术,特种电机及其控制。