论文部分内容阅读
摘要：异向旋转双转子盘式电机可以有效地解决水下航行器偏航和打转问题。本文内容是在一个给定空间中设计出一台异向旋转双转子盘式永磁电机，在该空间中分别对不同极数的电机进行电磁比较与应力分析，并用直线电机的2D等效模型代替盘式电机的3D模型来分析电机性能。最后设计出一台功率为11kW，转速为1000r/min的盘式电机。
关键词：盘式电机电磁比较模型替代；应力分析
1、背景介绍
近年来，各国都在大力发展水下航行器，水下航行器最重要的部件之一是推进设备。目前，通常使用的推进系统有两种：热动力推进系统和电机推进系统。电机推进系统多采用内外双转子电机，这种电机存在的缺点是，内电机达到额定功率而外电机功率不足。因此，整个系统的输出功率相对较低，导致径向磁场电机的铁心利用率低于盘式电机。
2、结构和运行原理
已采用电机推进系统的鱼雷为例，雷尾放置有异向旋转双转子盘式永磁电机。假设给定设计空间，该电机包括一个定子和两个对转的转子，其中两个转子连接到两个螺旋桨。异向电机有一个电气输入端口和两个机械输出端口，其中两个机械输出端口的输出功率相等。由于线圈互感产生电磁场形成的耦合现象，造成电磁干扰，为减小两侧电机间的磁场耦合，定子间用隔磁材料隔开。
3、电磁设计
极数的选择是电机设计的第一步，对电机的性能有很大影响。在保证轭部和齿部磁密相同的情况下，通过Maxwell软件的3D仿真，对不同极数的电机做出三个设计方案。由于盘式电动机在轴向和径向上都有磁通，所以必须采用3D模型进行仿真分析。如下图为4级极薄轭部电机的磁密分布，同理可以得到6级、8级的磁密分布。
对于4极电机，它的额定功率低于6极电机，由于绕组端长，铜损较高。当4和6极的槽面积相同时，对于4极电机，磁轭相对较薄，因此4极电机的磁轭磁通密度高于6极电机，结果是较高的磁通密度最终将导致此4极电机的额定功率降低。如果槽面积小于6极，则磁轭的厚度可以增加，磁轭磁通密度可以与6极电机相同，但是槽面积的减小会降低额定功率。
对于8极电机，随着极数的增加，每极的磁通量减少，因此转子和定子的磁轭厚度可以减小，槽面积将变大以安装更多的绕组，因此可以提高额定功率。但是当轭太薄时，应力不能满足要求，因此不能采用这种设计。如果为8极和6极电机选择相同的槽尺寸，磁轭是安全的，额定功率与其他类似，但铁心损耗高于6极，因为对于相同的转速来说，它的频率明显高于6极电机。所以，当电机的极数为6时，对电机的气隙磁密进行提取。
4、模型替代
将盘式电机展开成二维平面，等效成直线电机是盘式电机3D模型转换为直线电机2D模型的过程。虽然会有较小误差，但大大节省有限元软件的计算量。通过对直线电机的分析，間接分析盘式电机，得到电机展开后2D模型的磁感线和磁密云图如下。
5、转子应力分析
直线单机模型沿y轴方向的力，可以等效成盘式电机转子的轴向磁拉力，将这个力施加在应力分析的模型中，对电机转子形变进行分析。仿真结果如图3、图4所示，可以发现转子所受最大压强大约4.32MPa，转子形变最大0.02mm，占气隙长度的2%，符合设计要求。
6、总结
（1）通过有限元软件对4极、6极、8极电机进行仿真，电机的额定功率最大，磁通量最好，结果得出6极为该空间最优设计极数。
（2）通过3D盘式电机到2D直线电机的等效模型，大大减少有限元软件计算时间。
（3）通过应力的仿真结果，证明转子应力符合设计要求。
参考文献：
[1]JIN Ping，YUAN Yue，JIN Miyi，et al. 3-D analytical magnetic field analysis of axial flux permanent-magnet machine [J]. IEEE Transactions on Magnetics，2014，50（11）：3504-3507.
[2]Giulii Capponi F，De Donato G，Caricchi F. Recent advances in axial-flux permanent-magnet machine technology [J]. IEEE Transaction on Industry Applications，2012，48（6）：2190-2205.
[3]Jinghua J，Wenxiang Z，Jihong Z，et al. Design and analysis of a new fractional-slot-windings axial-flux permanent-magnet machine [C]//International Conference on Electrical Machines and Systems. Beijing，China：LINIX，2011：1-4.
[4]CAPPONI F G，BOROCCI G. Axial-flux hybrid-excitation synchronous machine：analysis，design，and experimental evaluation [J]. IEEE Transactions on Industry Application，2014，50（5）：3173-3183.
关键词：盘式电机电磁比较模型替代；应力分析
1、背景介绍
近年来，各国都在大力发展水下航行器，水下航行器最重要的部件之一是推进设备。目前，通常使用的推进系统有两种：热动力推进系统和电机推进系统。电机推进系统多采用内外双转子电机，这种电机存在的缺点是，内电机达到额定功率而外电机功率不足。因此，整个系统的输出功率相对较低，导致径向磁场电机的铁心利用率低于盘式电机。
2、结构和运行原理
已采用电机推进系统的鱼雷为例，雷尾放置有异向旋转双转子盘式永磁电机。假设给定设计空间，该电机包括一个定子和两个对转的转子，其中两个转子连接到两个螺旋桨。异向电机有一个电气输入端口和两个机械输出端口，其中两个机械输出端口的输出功率相等。由于线圈互感产生电磁场形成的耦合现象，造成电磁干扰，为减小两侧电机间的磁场耦合，定子间用隔磁材料隔开。
3、电磁设计
极数的选择是电机设计的第一步，对电机的性能有很大影响。在保证轭部和齿部磁密相同的情况下，通过Maxwell软件的3D仿真，对不同极数的电机做出三个设计方案。由于盘式电动机在轴向和径向上都有磁通，所以必须采用3D模型进行仿真分析。如下图为4级极薄轭部电机的磁密分布，同理可以得到6级、8级的磁密分布。
对于4极电机，它的额定功率低于6极电机，由于绕组端长，铜损较高。当4和6极的槽面积相同时，对于4极电机，磁轭相对较薄，因此4极电机的磁轭磁通密度高于6极电机，结果是较高的磁通密度最终将导致此4极电机的额定功率降低。如果槽面积小于6极，则磁轭的厚度可以增加，磁轭磁通密度可以与6极电机相同，但是槽面积的减小会降低额定功率。
对于8极电机，随着极数的增加，每极的磁通量减少，因此转子和定子的磁轭厚度可以减小，槽面积将变大以安装更多的绕组，因此可以提高额定功率。但是当轭太薄时，应力不能满足要求，因此不能采用这种设计。如果为8极和6极电机选择相同的槽尺寸，磁轭是安全的，额定功率与其他类似，但铁心损耗高于6极，因为对于相同的转速来说，它的频率明显高于6极电机。所以，当电机的极数为6时，对电机的气隙磁密进行提取。
4、模型替代
将盘式电机展开成二维平面，等效成直线电机是盘式电机3D模型转换为直线电机2D模型的过程。虽然会有较小误差，但大大节省有限元软件的计算量。通过对直线电机的分析，間接分析盘式电机，得到电机展开后2D模型的磁感线和磁密云图如下。
5、转子应力分析
直线单机模型沿y轴方向的力，可以等效成盘式电机转子的轴向磁拉力，将这个力施加在应力分析的模型中，对电机转子形变进行分析。仿真结果如图3、图4所示，可以发现转子所受最大压强大约4.32MPa，转子形变最大0.02mm，占气隙长度的2%，符合设计要求。
6、总结
（1）通过有限元软件对4极、6极、8极电机进行仿真，电机的额定功率最大，磁通量最好，结果得出6极为该空间最优设计极数。
（2）通过3D盘式电机到2D直线电机的等效模型，大大减少有限元软件计算时间。
（3）通过应力的仿真结果，证明转子应力符合设计要求。
参考文献：
[1]JIN Ping，YUAN Yue，JIN Miyi，et al. 3-D analytical magnetic field analysis of axial flux permanent-magnet machine [J]. IEEE Transactions on Magnetics，2014，50（11）：3504-3507.
[2]Giulii Capponi F，De Donato G，Caricchi F. Recent advances in axial-flux permanent-magnet machine technology [J]. IEEE Transaction on Industry Applications，2012，48（6）：2190-2205.
[3]Jinghua J，Wenxiang Z，Jihong Z，et al. Design and analysis of a new fractional-slot-windings axial-flux permanent-magnet machine [C]//International Conference on Electrical Machines and Systems. Beijing，China：LINIX，2011：1-4.
[4]CAPPONI F G，BOROCCI G. Axial-flux hybrid-excitation synchronous machine：analysis，design，and experimental evaluation [J]. IEEE Transactions on Industry Application，2014，50（5）：3173-3183.