军用轮缘驱动推进系统设计的电磁兼水动力耦合模型研究外文翻译资料

军用轮缘驱动推进系统设计的电磁兼水动力耦合模型研究

摘要-本文提出了一个新的舰艇推进系统优化设计分析的多物理建模工具，这种创新技术将永磁电机与导管集成并与螺旋桨连接。与传统推进系统相比，如吊舱推进器，其电机和螺旋桨的直径相等，因此它们的几何结构，除了速度和扭矩之外都是是密切相关的。本文涉及到多学科的设计方法，如解析模型里使用了两门学科的内容：电磁学和流体力学。一个典型的应用系统设计实例（轮辋驱动的巡逻船的推进器）是提出一套不同的设计目标（效率、质量等），并评价了每种模型的效果。

Ⅰ.简介

轮辋驱动永磁（PM）推进系统是一种新兴的船舶推进技术。它包括一个围绕着螺旋桨并且集成于一个导管里的同步永磁电机。永磁体被粘在一个直接围绕着叶片的软磁材料体上。这个组件构成推进永磁电机的转子。该电机的定子被嵌入到螺旋桨的导管里。采用这种结构，转子与定子之间的间隙可以浸入海水。在这种情况下，活性部位（线圈、磁铁、磁芯）由于环氧树脂而与海水隔离绝缘。相比于传统的电力推进系统，它展现了一些优点比如更好的动力效率、叶片保护、更小的电机以及在传统的POD推进器的限制之内去增加它的额定功率的可能性[ 1 ]。这种解决方案现在已经从工业或学术实验室走向成熟并且从过去的十年就开始进行[ 2 ]、[ 3 ]。它也可以用于海流能利用[ 4 ]如图1所示。然而，对于那些特定的系统设计的多物理模型才刚刚被提出。

图1轮辋驱动系统示意图

这个特定的技术，螺旋桨和电机具有相同的直径、转速和转矩。为此，一个耦合的多物理设计模型被提出以避免不相关并且耗费时间的微积分的演算。若要插入在系统的设计过程，似乎有必要开发一种准确并足够简单的多物理模型来减少计算时间。此外，由模型给出的结果必须对任何网格变化不敏感（由于几何变化，如数值模型）。这就是为什么分析方法已经被这项工作选定的原因。这种模型要求系统设计过程中有良好和快速的收敛性。在本文中，提供了两种模型的单独描述。第一个是分析一阶电磁（EM）模型，特别是有关这种特定的电机结构（第二节）。第二个是在螺旋桨涉及领域众所周知的螺旋桨模型（第三部分）。它是基于一套在船模水池试验中获得的典型的导管螺旋桨数据。每个模型的精度都进行了评估，并且所有的模型都是耦合的（第三部分）。最后，使用耦合模型的系统设计实现了巡逻艇螺旋桨（第四部分）。对各子系统的整体特征选择的影响都进行了讨论。

II.电磁和热模型

电气模型用于推导出一组给定的规格的电机尺寸和性能。它是一阶分析模型，该模型允许快速，但相当精确计算机器的特性，并适于优化工作。它直接灵感来自于等价的分析模型，例如该模型可以在[ 5 ]和[ 6 ]中被发现。该模型的输入参数是机器内部直径D_int（M）和转速 Omega;（弧度/秒）以及螺旋桨扭矩Q（N.m）。该模型包含一定数量的变量，这些变量由设计师固定到相关值。如果被认为是关键变量（如电流密度，电负载，磁通密度，磁极数等），它们也可能在给定的范围内变化。

电机是一种同步永磁径向磁通机。它连接到一个AC / DC脉冲宽度调制电压转换器，可以控制到定子绕组的电流波形。如果电机被正弦电流控制（采用适当的控制方法），介质电磁转矩表示如下：

T_EM=.k_b1.A_L.B_L.（pi;.D².L/4）.cos（1）

k_b1是绕组系数，A_L（A / M）是定子有效负荷，B_L（T）是在定子表面的磁铁的磁通密度峰值，D（M）是间隙直径，L（M）是铁轴长度，是定子电流和转子感应电动势之间的角度。

提出了气隙高度h_G和间隙直径D之间的线性关系：

h_G=k_G.D （2）

其中系数k_G考虑了磁、力学、流体力学和热。

B_L，h_G和磁体高度h_M之间的关系表示如下：

B_L=k.B_r/（1 _r.h_G/h_M） （3）

k=（4/pi;）.sin(pi;/2）

B_L是磁体的剩余磁通密度,是磁铁磁极宽度比，_r是磁铁的相对渗透率。只有在径向磁通间隙的情况下这个公式才是正确的精度。下面给出了另一种更详尽的公式。这个表达式是从一个二维模型中提出的[ 7 ]，解决了控制场方程分离极性变量。它预测在开路场中无槽表面安装气隙永磁电机的任何地方并且B_L表示P的函数。

（4）

此外，系数K_S，考虑到开槽的效果，适用于气隙和磁铁的高度：

（5）

在[ 8 ]中提出了两个公式的磁阻R_e 。第一个应用于薄气隙的情况下：

（6）

其中k_t是齿的比例，h_M是磁高，w_s是槽宽度。第二公式应用于厚气隙的情况下：

（7）

其中S_pp是每极每相的插槽数量，m为相数。

槽和齿高度hs = hT取决于有效的电力负荷，以及在槽导体中的均方根电流密度J（A /m²）和斯洛特填充系数K_f。

（8）

转子和定子轭架最小值h_Y(min)是这样选择的，磁铁的磁通密度比最大值Bmax小（通常与磁性材料的饱和极限相对应）。下面的公式是综合考虑磁体叠加效应和磁铁上的绕组后得出的。气隙中的磁通密度假定是经向的。

（9）

需要注意的是，h_ym的表达式（绕组的影响）是根据一个三相绕组的每极每相一个插槽的特殊情况给出的。

此外，间隙直径和转子内径D_int（m）之间的关系为：

（10）

h_H（m）是一个额外的厚度，确保转子的机械完整性。

铁损计算是基于经典估计的定子磁路各部分每单位质量的全球损失p_Fe。

（11）

其中f（Hz）和B_Fe（T）分别为铁的电频率和磁通密度，P_Feo（W／kg）是在一个给定的频率f_o和磁通密度B = 1.5，c= 2.2中每单位质量的铁的损失，使用典型的中等质量的Fe -Si叠层钢表。对P_Fe总损失的计算中定子部分磁通密度的幅值应该都为B_max。

电磁转矩T_EM和机械转矩的T_Meca之间的关系为：

（12）

在这种关系中，我们假设的铁损主要是由转子的旋转引起的。推进器转矩Q是一个输入数据，如果机械损失在这项研究中被忽视，那么T_Meca = Q。

图2 2集电机截面示意图

1.stator(定子磁轭) 2.copper(铜）3.teeth(齿）4.gap(间隙） 5.permanent magnet(永磁体）6.rotor yoke(转子线圈)

现在，让我们总结这个模型的时序原理，其目的是确定给定规格的电机的尺寸和性能。螺旋桨的输入数据为扭矩Q = T_Meca，转速和直径D_p。对于特殊情况下的轮辋螺旋桨D_P =D_int。此外，在A_L、J、B₁、p、Kt、和k_f这些电气参数固定时，可以找到一个独特的解决方案的方程。假设D_pasymp;D_int，这往往是一个边驱动螺旋桨的近似（薄机里面有一个大的直径），从（2）里面推导出气隙高度。槽的高度是从（8）里面推导出来的，磁铁的高度大致是从（3）里面推导出来的。磁轭高度和间隙直径之后从（9）和（10）中推导出来。最后，通过忽略铁损，从（10）中推导出轴向长度，在本次研究中将绕组系数设置为1（S_pp= 1），角度设置为0。只要所有的尺寸确定了，之后就可以计算铁损，从而从（12）中推断出真正的电磁转矩。另外，间隙中真正的磁通密度B_1R从（4）中推导出来的。真正的电流负载A_LR和密度J_R在之后从（1）和（8）中推导出来。导体中的电流从下式中推导出来：

（13）

用n_s表示每相和每极的绕组匝数。此外，绕组电阻（每一极）按如下计算：

（14）

S_cond是导线截面，可以由k_f，n_s和槽的尺寸决定。L_cond是绕组导线的全长，它由两部分组成：轴向电阻长度和端部绕组电阻长度，这两个长度可以被估计为每个导体的两端为w_pole直径半圈（S_pp = 1）。（ohm.m）是导体电阻率。根据公式（13）和公式（14），可以计算铜的损失。

（15）

以及电气效率

（16）

一些物理现象，如饱和度、消磁和制造条件的限制也被考虑了进去。如果这些约束被正确定义，它会形成一个非常强大的工具，消除任何不切实际的解决方案。如果= 0，磁铁和线圈在轮齿上饱和度上的影响可以分开考虑。因此，只要满足（17），磁铁饱和的齿就没有达到。

此外，只要满足 （18），由绕组的齿的饱和度就没有达到。

同样，这种关系是在给定的特殊情况下：三相规则绕组的S_pp = 1。

一个有关齿形的额外的约束，必须遵循以下标准：

（19）

w_T是齿宽，R_max表示限制牙齿机械完整性的比率。同样，磁铁的形状被选择，使得磁铁宽度和磁铁高度的比率仍然逼真。

（20）

关于磁铁的消磁有如下的约束

（21）

H_cj (A/m)是磁体矫顽场。

已建立的热模型，是为了限制导体的温度保持合理的值。导体最高温度T_Cu（max）的约束表示如下：

（22）

T_max是极限温度，取决于导体种类。有关问题的详细性，热模型在这篇文章中并不详细，但是可以在[4]中找到。由于先前评估的尺寸和损失，该模型大致估计了结构中的不同部位的温度。它是基于一个简单的稳态热阻网络，该网格直接来自稳态条件下的传热方程。

被认为是额外的机械约束。首先是电机厚度h_EM，该厚度必须低于管道厚度h_duct,管道厚度可以被认为与螺旋桨直径成正比，h_duct=k_hduct，D_P 中 k_hductlt;1。（23）

其次，电机的总长度L_mach（包括端部绕组）必须低于管道长度L_duct，考虑到直接与螺旋桨的直径成正比，即L_duct=k_Lduct，D_P 中k_Lductlt;1。

(24)

最后，一个有关电压转换器的电气频率的最终的约束，必须保持在一个现实的范围内：

（25）

该转换器的电频率直接依赖于机器电频率，f_mach。即 fconv gt; kfconv1.fmach

（26）

这也取决于电机的时间常数_mach,即 fconv gt; kfconv2.1/_mach

（27）

L_mach是机器同步电感（包括槽漏电感），是用根据经典方程[ 5 ]，[ 6 ]计算的。

所提出的EM模型已经用2D和3D模拟验证了几个典型的尺寸。此验证步骤因为简明理由不呈现在本文。

III 螺旋桨模型

首先，提醒螺旋桨的基本原理似乎很重要。如果我们考虑一部分叶片（图3）与进水速度V_O（米/秒）和转速= 2pi;n（rad.s^-1）,然后相对速度V_R和箔的弦之间有一个迎角。它产生了两个力：升力Dlt;

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