船用五相永磁同步推进电动机的设计与分析

汪佳龙，谢 卫，沈 佳

(上海海事大学，上海 201306)



船用五相永磁同步推进电动机的设计与分析

汪佳龙，谢 卫，沈 佳

(上海海事大学，上海 201306)

根据五相永磁同步推进电机的性能指标要求，初步完成电动机的主要尺寸及永磁体设计，并运用Ansoft RMxprt模块快速生成永磁电机模型，导入到Ansoft Maxwell 2D中建立了五相永磁电机的二维有限元仿真模型，分析其空载及额定负载特性。仿真结果表明，该设计方案具有一定的合理性，为大功率多相电机的设计和分析提供了一定的理论基础。

五相电机；永磁推进电机；Ansoft；有限元分析

0 引言

推进电机是船舶电力推进系统的关键组成部分，目前常用的推进电机有直流电机、先进感应电机以及永磁同步电机，未来还将有高温超导同步电机、超导单极直流电机等[1]。与其他推进电机相比，永磁同步电机凭借高效率、高功率密度、结构简单多样、振动噪声小等诸多优点，正逐渐成为近中期船舶电力推进系统的理想动力推进装置[2]。

现代船舶综合电力系统的容量一般都很大，因此大多采用大容量多相电动机。多相电机能够缺相运行，容错能力更强[3]。近年来众多学者也对多相电机进行了研究，但多集中于其控制方法的实现方面，且感应电机偏多，对于五相永磁同步电机的设计则很少涉及。五相永磁同步电机不仅能够单独作为船舶推进电机使用，还能够以五相对称绕组为基础组成十相、十五相等更多相数的推进电机，因此对五相永磁同步电机的研究就具有一定的理论和实际意义。本文介绍了利用Ansoft软件对五相永磁同步推进电机进行电磁设计并对其进行分析的一般过程。

1 五相永磁同步推进电机的电磁设计

1.1 额定数据和性能指标

本文所设计的推进电机额定功率达到1 000 kW，若采用低压电网供电，则电流会很大，从而损耗很大，效率低；若采用高压电网，则对系统器件要求较高；目前对于中大容量的船舶电力系统，主流趋势是采用中压电网供电，IEEE规定的标准中压等级有3 300 V、4 000 V、6 000 V等[4]，本文采用的是6 000 V电压等级。所设计电机的额定数据如表1所示。

表1 额定数据

1.2 电机主要尺寸设计

永磁电机的主要尺寸包括定子内径Di1和定子铁心有效长度lef，它们可由式(1) ～式(3)联合估算得到[5]：

(1)

(2)

(3)

1.3 永磁体材料选择和设计

推进电机使用的永磁材料主要为钕铁硼和钐钴两种。钕铁硼磁能积较高，价格便宜，但温度系数偏大，居里温度低。钐钴居里温度较高，温度系数小，但价格贵，磁能积低[6]。本文采用的是钕铁硼稀土永磁材料，牌号为N38H，20 ℃时，剩磁密度Br20=1.24 T，矫顽力Hc20=900 kA/m，相对回复磁导率μr=1.096 4。计算剩磁密度Br=[1+(t-20)αBr](1-IL)Br20=1.158 T，式中Br的可逆温度系数αBr=-0.12%K-1，预计永磁体工作温度t=75 ℃。

永磁体结构有表贴式、内置切向式和内置径向式等，本文采用表贴式转子磁路结构。永磁体磁化方向长度hM可由式(4)初步预估得到：

(4)

式中：Ks为电动机的饱和系数，其值为1.05～1.3，初选1.2；Kδ为气隙系数，初选1.2；bm0为永磁体的空载工作点，即空载时磁感应强度的标幺值，一般取0.60～0.85，初选0.8；σ0为空载漏磁系数，是空载时的总磁通与主磁通之比，比例取1.2。

1.4 定子槽数和定子绕组设计

当相数、极数一定时，定子槽数取决于每极每相槽数q。由于推进电机极数较多，极距相对较小，q不宜取值太大，在实际应用中多采用分数槽绕组，能够降低齿槽转矩和转矩脉动。此外，对于五相电机，其可选择的槽数为5的倍数，即Z=5k,k=1,2,3,…。综合考虑，最终选择定子槽数为45槽。

每相串联导体数Nφ1和每槽导体数Na1可由式(5)、式(6)计算得到，其中a1为并联支路数。

(5)

(6)

2 基于等效磁路法的计算结果

根据上一节中计算得到的数据在Ansoft RMxprt模块中建立永磁同步推进电机的基本模型。RMxprt模块是基于等效磁路法的电机设计模块。对所建立的电机模型进行求解计算，电机的主要设计参数及计算结果如表2所示。

表2 电机主要设计参数及计算结果

根据计算结果，可以看出电机的效率超过94%，满足设计要求。定子绕组系数为0.710 95，稍微偏小，这是由于短距绕组的缘故。

3 有限元分析

由于RMxprt模块采用的是等效磁路法，因此其计算精度较低，为更加精确地计算电机参数，可将其导入到Maxwell 2D中进行有限元计算仿真。RMxprt模块目前只能对三相电机模型计算，因此在Maxwell 2D模型中，还应添加线圈，使三相电机变成五相电机，并相应地添加五相电压激励或电流激励。添加完线圈后，根据五相电机的绕组分布图重新分配每相所占槽数，并定义每槽中上下层绕组的极性及导体数。

3.1 空载特性分析

永磁电机在理想空载的情况下，其电枢电流为零。因此，将各相绕组添加数值为零的电流激励，即可得到空载状态下的电机特性。图1给出了空载时气隙磁密的波形，图2对空载气隙磁密进行了傅立叶分析，可以看出其基波幅值为0.979 7 T。图3为齿槽转矩，由定子齿槽与永磁体相互作用产生，与定子绕组电流无关，完全由电机结构造成，其平均值为0，幅值约为140。图4为空载感应电动势。

图1 空载气隙磁密

图2 空载气隙磁密傅立叶分析

图3 空载齿槽转矩

图4 空载感应电动势

从图5中可以看出，空载时定子齿部磁密最大值约为1.4 T，定子轭部磁密最大值约为1.5 T，磁密大小合理。从图6也可以看出空载时，电机的磁力线分布均匀。

图5 空载磁密云图

图6 空载磁力线

3.2 负载特性分析

对五相电机添加额定电压激励，并进行有限元分析，得到额定负载下磁密云图和磁力线分别如图7、图8所示。额定负载时定子齿部磁密最大值约为2.4 T，定子轭部磁密最大值约为2.3 T，与空载运行时有所增加，说明额定运行时，电枢反应使得电机处于增磁状态。

电机气隙磁密波形如图9所示，可见与空载时相比气隙磁密有所畸变，这是由负载时的电枢反应引起的。图10为负载转矩波形。图11为五相负载感应电动势，并对其中D相感应电动势进行傅立叶分析，如图12所示，可以看出D相感应电动势的谐波很小，可以忽略，从而说明电机设计较合理。

图7 负载磁密云图

图8 负载磁力线

图9 负载气隙磁密

图10 负载转矩

图11 五相负载感应电动势

图12 D相感应电动势傅立叶分析

4 结语

本文根据给定的永磁同步推进电机的性能指标，介绍了大容量五相永磁同步推进电机的一般设计过程，并应用Ansoft软件对其进行了有限元分析，根据空载及负载仿真结果，验证了电机电磁设计方案的合理性，为大功率多相永磁同步电机的电磁设计提供了一定的参考依据。

[1]华斌,周艳红,谢冰若,等.电机技术在舰船电力推进系统中的应用研究[J].微电机,2015,48(5).

[2]任修明,杨德望.船舶交流永磁推进电机的研究[J].舰船科学技术,2003,25(1).

[3]吴新振,王东,郭云珺，等.多相电机定子绕组组合模式对磁动势与参数的影响[J].中国电机工程学报,2014,34(18).

[4]Khersonsky Y. New IEEE Standards for Ships[C]. Electric ship Technologies symposium, 2011:424-429.

[5]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社,2000.

[6]乔鸣忠,于飞,张晓锋.船舶电力推进技术[M].北京：机械工业出版社,2013.

汪佳龙，1991年生，男，上海海事大学电力电子与电力传动专业研究生在读，主要从事船舶推进电机的设计研究。