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和負載條件下采用不同厚度屏蔽罩時的磁場進行了數值仿真，分析研究了屏蔽罩對電機內外磁場的影響，所得結果可以指導屏蔽罩的選用，具有較好的工程應用價值。
關鍵詞：MagNet；永磁無刷直流電動機；水下航行器；磁場分析
0引 言
電動力推進系統以其低噪聲、無航跡、性能不受航行深度影響和結構簡單等優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構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；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(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電動機技術指標及主要參數
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電機，該型電機主要技術指標及尺寸如下：
(1)技術指標額定電壓為158 V；額定功率為11 kw；額定轉速為l 690 r／min(內外轉子相對轉速之和)。
(2)尺寸參數定子外徑為274 mm；定子內徑為175 mm；轉子外徑為170 mm；轉子鐵心長為132 mm。
(3)結構參數轉子齒數為67；磁鋼充磁方向為徑向；極數為4(2對極)。
2建立數學模型
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，兇而磁場只有。
軸和y軸方向的分量：
根據式(1)和式(2)可以得出電機瞬態電磁場的能量泛函數。式(1)所描述的邊值問題等價于求解該能量泛函數的極值問題：
通過式(8)便可以求解出所有節點的磁矢位A，由式B=rotA得到磁密。
3有限元分析
3.1建立幾何模型
根據電機幾何尺寸參數，在AutocAD中繪制出其幾何模型，并以DxF文件的格式導入到MagNet中。
由于電機結構繁雜，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，對模型進行了適當的簡化。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定AirBox將電機包住，本文中設定的AiBox的半徑為40 cm。
3.2設定材料屬性模型
各音15分材料如表1所示，其中設涉及的軟、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網格剖分
網格剖分的質量決定了有限元計算的精度和求解速度。由于轉子采用了疊壓，所以減少了渦流損耗對于氣隙部分，因為磁勢變化大，而且涉及瞬態求解，所以等分成4層并采用自適應網格剖分。為得到高質量的網格，需進行手動剖分外圍Airhox的磁勢變化較小，網格可以適當放大。限于篇幅，僅給出有屏蔽罩時的網格剖分結果(如圖2和圖3所示)。
3.4邊界條件及求解器
設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和瞬態負載兩種情況進行計算分析，因此分別采用二維靜態磁場求解器和二維瞬態運動求解器，兩種求解器均采用Newto”Rapson算法求解結點勢函數的非線性代數方程組，并沒定Newton—Rapstm方程收斂迭代次數極限范圍為30，誤差范圍O.01，勢函數采用一級近似多項式，收斂梯度為10-8。
本文中電機的內外轉子相對轉速為l 690 r／min內外轉予相對旋轉一周所需時問為O.035 5 s、設定二維瞬態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靜態仿真結果及分析
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分析．對汁算結果進行以電機中心為圓心，半徑為34 cn、的網周場強數值采樣，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向外漏磁進行屏蔽．而且隨著屏蔽罩厚度的增加，靜態漏磁屏蔽效果越好．分析該圓周上的采樣數據，通過對比相同位置處的場強數值可知．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％。從這些數據中還可以發現，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****值沒有發生改變。由以上分析可得知，采用屏蔽罩并沒有削弱靜態下電機的內部磁場，而只是影響了外部漏磁場。
5瞬態仿真結果及分析
對電機負載情況進行瞬態仿真，完成計算后，對計算結果也進行以電機中心為圓心、半徑為34 cm的圓周上場強數值采樣。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．．由采樣數據可知，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。對比靜態時的數據町知，負載時屏蔽罩的屏蔽效果不及靜態時的屏蔽效果，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部磁場，而只是影響了外部漏磁場．
6結語
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和負載條件下的磁場進行了數值仿真。由仿真結果可知，不論是靜態還是負載條件下，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時漏磁場的屏蔽效果。這些與理淪分析的結果一致，說明了計算結果的正確性，運用數值仿真對電機漏磁場分析具有很好的工程價值。
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