摘要：利用電磁場有限元分析軟件MagNet．對某型水卜航行器推進用水磁直流電動機分別在靜態(tài)和負載條件下采用不同厚度屏蔽罩時的磁場進行了數(shù)值仿真，分析研究了屏蔽罩對電機內(nèi)外磁場的影響，所得結(jié)果可以指導屏蔽罩的選用，具有較好的工程應用價值。
關(guān)鍵詞：MagNet；永磁無刷直流電動機；水下航行器；磁場分析
0引 言
電動力推進系統(tǒng)以其低噪聲、無航跡、性能不受航行深度影響和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點在水下航行器中得到了廣泛應用。近幾十年來，稀土永磁電機以其結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點，成為電動力水下航行器的普遍選擇。但永磁直流電機的漏磁會對水下航行器中其它系統(tǒng)(例如引信)造成一定的影響，從而降低航行器的整體性能。針對永磁直流電機的漏磁場，作者已進行了一些研究和分析。
目前，為減小永磁直流電動機漏磁所采取的方法是在電機外圍加設(shè)一個屏蔽罩。本文運用電磁場有限元分析軟件MagNet，針對采用不同厚度的屏蔽臣對永磁直流電機靜態(tài)和負載條件下磁場的影響分別進行仿真分析。
1電動機技術(shù)指標及主要參數(shù)
本文分析的某型水下航行器的推進電機為釹鐵硼稀七永磁直流對轉(zhuǎn)電機，該型電機主要技術(shù)指標及尺寸如下：
(1)技術(shù)指標額定電壓為158 V；額定功率為11 kw；額定轉(zhuǎn)速為l 690 r／min(內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速之和)。
(2)尺寸參數(shù)定子外徑為274 mm；定子內(nèi)徑為175 mm；轉(zhuǎn)子外徑為170 mm；轉(zhuǎn)子鐵心長為132 mm。
(3)結(jié)構(gòu)參數(shù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為67；磁鋼充磁方向為徑向；極數(shù)為4(2對極)。
2建立數(shù)學模型
一般當電機的長細比大于O 3時，可以忽略端部漏磁影響，而只進行二維求解，不必進行三維求解。由上文電機的尺寸參數(shù)可知，本文所涉及電機的長細比為0．482。
電磁場問題可由麥克斯韋(Maxwell)經(jīng)典方程描述．本文對電機采用二維電磁場分析模型，并涉及瞬態(tài)電磁場分析。對于平面場域n上的二維時變電磁場問題可表示成為式(1)所描述的邊值問顥。由于磁力線全部在xy平面內(nèi)，兇而磁場只有。
軸和y軸方向的分量：
根據(jù)式(1)和式(2)可以得出電機瞬態(tài)電磁場的能量泛函數(shù)。式(1)所描述的邊值問題等價于求解該能量泛函數(shù)的極值問題：
通過式(8)便可以求解出所有節(jié)點的磁矢位A，由式B=rotA得到磁密。
3有限元分析
3.1建立幾何模型
根據(jù)電機幾何尺寸參數(shù)，在AutocAD中繪制出其幾何模型，并以DxF文件的格式導入到MagNet中。
由于電機結(jié)構(gòu)繁雜，而一些零件，例如安裝法蘭、螺栓、固定筋板、法蘭軸等，對磁場影響不大，因而在建模過程略去了這些零件，對模型進行了適當?shù)暮喕�。建立的兩種電機幾何模型如圖l所示。因涉及漏磁場，需在電機模型外圍設(shè)定AirBox將電機包住，本文中設(shè)定的AiBox的半徑為40 cm。
3.2設(shè)定材料屬性模型
各音15分材料如表1所示，其中設(shè)涉及的軟、硬磁材料在基本材料庫中都沒有。查閱文獻[7]，分別對材料庫中沒有的軟硬磁材料的電磁屬性進行定義，并將各材料賦予相應的部件。
3.3網(wǎng)格剖分
網(wǎng)格剖分的質(zhì)量決定了有限元計算的精度和求解速度。由于轉(zhuǎn)子采用了疊壓，所以減少了渦流損耗對于氣隙部分，因為磁勢變化大，而且涉及瞬態(tài)求解，所以等分成4層并采用自適應網(wǎng)格剖分。為得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，需進行手動剖分外圍Airhox的磁勢變化較小，網(wǎng)格可以適當放大。限于篇幅，僅給出有屏蔽罩時的網(wǎng)格剖分結(jié)果(如圖2和圖3所示)。
3.4邊界條件及求解器
設(shè)定電磁場邊值問題常見的邊界條件有三種：狄利克萊(Dinchlet)邊界條件、諾伊曼(Neumanm)邊界條什以及這兩種邊界條件的組合。本文取以電機軸心為圓心，半徑為40 cm的圓周上的磁勢為零的邊界條件進行計算，屬于狄利克萊邊界條件。
本文日標在于針對電機靜態(tài)和瞬態(tài)負載兩種情況進行計算分析，因此分別采用二維靜態(tài)磁場求解器和二維瞬態(tài)運動求解器，兩種求解器均采用Newto”Rapson算法求解結(jié)點勢函數(shù)的非線性代數(shù)方程組，并沒定Newton—Rapstm方程收斂迭代次數(shù)極限范圍為30，誤差范圍O.01，勢函數(shù)采用一級近似多項式，收斂梯度為10-8。
本文中電機的內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速為l 690 r／min內(nèi)外轉(zhuǎn)予相對旋轉(zhuǎn)一周所需時問為O.035 5 s、設(shè)定二維瞬態(tài)運動求解器仿真起始時問為零，終止時間為O.035 5 s，仿真步長取O.012 s。
4靜態(tài)仿真結(jié)果及分析
對采用無屏蔽、O.8 mm、l mm、O.5 mm、2 mm等小同厚度屏蔽罩的電機模型分別進行靜態(tài)分析．對汁算結(jié)果進行以電機中心為圓心，半徑為34 cn、的網(wǎng)周場強數(shù)值采樣，得到場強分布曲線。限于篇幅，本文僅給出無屏蔽和2 mm屏蔽罩條什下的分布曲線和云圖，如圖4、圖5所示，以及該圓周上的峰谷值如表2所示。
由圖4中各曲線可以明顯看出，在兩種條件下電機磁場在徑向上均呈4波峰波谷的分布，而且波峰波谷位置舊定一致，處于磁鋼中心處，符合電機磁場分布的特點。另外，隨著屏蔽罩厚度的增加，電機外部34 cm圓周卜的磁場強度不斷減小，而且相對于無屏蔽條件，下降的幅值也在增人。這些說明采用屏蔽罩能對電機靜態(tài)向外漏磁進行屏蔽．而且隨著屏蔽罩厚度的增加，靜態(tài)漏磁屏蔽效果越好．分析該圓周上的采樣數(shù)據(jù)，通過對比相同位置處的場強數(shù)值可知．當屏蔽厚度為O．8 mm時，磁場強度足無屏蔽時磁場強度的31.70％～45.76％；當屏蔽厚度為I mm、l.5 mm、2 mm時，漏磁場強度分別為無屏蔽時的29．32％～40.73％、19．87％～32.04％和14.82％～26.48％。從這些數(shù)據(jù)中還可以發(fā)現(xiàn)，當屏蔽厚度由1 mm增加到1.5 mm時，漏磁場強度平均下降了7.66％；而當屏蔽厚度由l.5mm增加到2 mm時，漏磁場強度平均僅下降了4.65％。這說明，雖然采用屏蔽罩可以對電機靜態(tài)外部漏磁場達到很好的屏蔽效果，但隨著屏蔽厚度的增加，屏蔽效果雖有所提高，提高的幅度卻越來越小一從圖5中可以看到，不同屏蔽厚度下，高亮的白色都集巾在屏蔽罩內(nèi)部磁路上，這說明即使采用了屏蔽罩，電機的磁場還是主要分布在電機內(nèi)部磁路上。從圖5中還可以看到，采用不同屏蔽厚度下電機****磁場強度分別為：1 905 76 T、1‘)07 27 T、1．907 3 T、1．907 37 T、l.907 4l T。由此可以看出，電機磁場強度****值沒有發(fā)生改變。由以上分析可得知，采用屏蔽罩并沒有削弱靜態(tài)下電機的內(nèi)部磁場，而只是影響了外部漏磁場。
5瞬態(tài)仿真結(jié)果及分析
對電機負載情況進行瞬態(tài)仿真，完成計算后，對計算結(jié)果也進行以電機中心為圓心、半徑為34 cm的圓周上場強數(shù)值采樣。無屏蔽和2 mtn屏蔽罩條件F，O.024 s時刻的場強分布曲線和云圖如圖6與圖7所示。表3為采樣的峰谷值。由圖6可知，屏蔽罩對負載下電機的外部漏磁也有屏蔽作用，而且隨著屏蔽厚度的增加，相別于無屏蔽條件，下降的幅值電在增大。
將圖6與圖4進行對比分析可以看出，負載時與靜態(tài)時電機外部場強幅值相差很大，負載無屏蔽條件下的場強平均為靜態(tài)無屏蔽條件下的7.73％。
這說明負載條件下，電機的電樞反應對電機磁鋼產(chǎn)生的磁場有比較大的削弱作用，從而削弱了電機的外部漏磁．．由采樣數(shù)據(jù)可知，負載條件下，當屏蔽厚度分別為O 8 mm、l Inm、1．5 mm、2 mm時，漏磁場強分別為無屏時的47 21％～66 84％、42 28％～59 53％、30．59％～53．13％和25 36％～40 77％。
由此可以看出．采用屏蔽罩可以對電機負載時外部漏磁場達到很好的屏蔽效果，但隨著屏蔽厚度的增加，對屏蔽效果雖有所提高，提高的幅度印越來越小。對比靜態(tài)時的數(shù)據(jù)町知，負載時屏蔽罩的屏蔽效果不及靜態(tài)時的屏蔽效果，但在電樞反應的影響下，負載條件下34 mm半徑圓周上的漏磁場強不超過靜態(tài)時的6％。
從圖7中可以看到，不同屏蔽厚度下．高亮的白色都集中在屏蔽罩內(nèi)部磁路上，這說明電機負載條件下，即使采用了屏蔽罩，電機的磁場還是主要分布在電機內(nèi)部磁路上一還可以看到，采用不同屏蔽厚度F電機****磁場強度分別為：l.836 16T、l.83618 T、1.836 18T、1.837 16 T、l.837 16 T。由此可以看出，電機磁場強度****值沒有發(fā)生改變，這說明采用屏蔽罩并沒有削弱負載條件下電機的內(nèi)部磁場，而只是影響了外部漏磁場．
6結(jié)語
本文釗對某型水下航行器推進用永磁直流電動機，利用MagNet軟件分別對其在采用不同厚度屏蔽罩時靜態(tài)和負載條件下的磁場進行了數(shù)值仿真。由仿真結(jié)果可知，不論是靜態(tài)還是負載條件下，采用屏蔽罩可以對電機外部漏磁起到較好的屏蔽作用，而對電機內(nèi)部磁場沒有影響：負載情況下，由于電樞反應對電機外部漏磁的削減作用，外部漏磁場比靜態(tài)時小得多。因此，對電機運用屏蔽罩進行外部漏磁屏蔽時只需考慮屏蔽罩對電機靜態(tài)時漏磁場的屏蔽效果。這些與理淪分析的結(jié)果一致，說明了計算結(jié)果的正確性，運用數(shù)值仿真對電機漏磁場分析具有很好的工程價值。
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