摘要：十八大提出“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”，发展高性能水下航行器对强化我国海洋装备力量有重要的战略意义。水下航行器的最大航速和最大航行时间是重要的性能指标，其在很大程度上是由水下推进电机的性能来保证。发展高性能水下推进电机已成为重点研究任务。本文对双转子对转轴向磁场永磁电机的设计进行分析，以供参考。

关键词：轴向磁场永磁电机;双转子;有限元分析

引言

利用有限元软件求双转子系统临界转速值需要求解多组转速、人工作图，为了简化计算，将双转子系统分解为单转子进行计算，具体方法为将单个转子每个支点的支承刚度折算成一个总的刚度，直接求解单个转子的临界转速值。高压转子的左侧通过轴承单元连接，其支点总的刚度为轴承的刚度，高压转子的右侧依次通过轴承单元，鼠笼弹性支承，其支点总的刚度以轴承和鼠笼弹性支承刚度值的串联结果等效。

1概述

对旋转机械转子系统的研究，经历了单转子-轴承-密封系统，再到耦合的多转子系统。通常而言，由于转子系统形状构造、制造精度等影响，转子系统并非是绝对完全对称的，转子系统在运转时经常处于自身不平衡激振力的作用下，当转子的激振频率等于转子转速时，机器发生剧烈振动，形成共振，共振时转子转速称为临界转速。转子系统临界转速计算方法主要包括传递矩阵法和有限元法。传递矩阵法的优点在于程序简单，所需贮存单元少，机时短等，但在求解大型高速旋转的转子动力学问题时有可能出现数值不稳的现象。有限元法计算结果精度较高，不会出现数值不稳的情况，近年来，随着计算机技术的发展，普遍采用有限元软件计算大型高速旋转的临界转速等问题。耦合双转子在某种支承状态下的临界转速，并通过合理的简化，将双转子系统简化为单转子系统，达到简化计算，降低运算复杂程度的目的。

2倍频激励双转子振动

目前针对振动系统同步机理和实验的研究主要侧重于单频激励多电机振动系统。比如，根据异步电机运动学原理导出以角转速为变量的电磁转矩表达式，从而进一步探究振动系统在同转速偏心块激励下的动力学行为和同步稳定性理论，并有效解决了若干工程实际问题。通过将刚性转子安装在两个弹性阻尼支座上，提出一种带有双平面自动平衡装置的转子同步模型，并根据运动方程进行数值计算后发现，当转子速度高于系统最大共振转速范围时，系统可以有效补偿刚性转子的离心力和不平衡力矩从而获得同步振动。基于数值模拟定量地分析了非线性振动系统中四个非理想激振器安装于柔性支撑结构的同步运动，表明在共振频率阶段的Sommerfeld效应显著影响激振电机的同步性。上述学者从振动力学理论角度研究了单频自同步振动系统的同步机理，但是忽略了系统的机电耦合动力特性。针对机电耦合诱导的单频振动系统同步传动行为，考虑电机系统与振动机械系统之间的相互影响，采用转子动力学理论成功构造三机椭圆振动系统的机电耦合数学模型，揭示转子与振动质体间同步传动的机电耦合机理。在侯勇俊的研究基础上将振动电机视为与摆杆耦合的摆动电机，并成功把单自由度转子耦合摆装置同步问题转化为研究质体瞬时响应解的存在性和稳定性。然而，该系统受限于质体单一振动方向而不适用于实际筛分工程。于是更深入探讨了多转子耦合摆电机的多自由度振动同步特性，并引入相邻交叉耦合控制策略实现系统的椭圆筛分轨迹和零相位控制同步。运用非线性动力学理论推导了多个同频驱动转子与圆柱滚子耦合的同步运动方程，并结合实验平台讨论了滚子与转子之间的同步传动机理与动态特性。以上研究仅仅阐述了由相同激振器驱动振动机械的动力学理论，将它们应用到振动筛分工程后发现，物料的筛分能力并没有得到显著提升。主要原因是不同粒径颗粒在单一频率激励下受到相同激振力作用，一旦形成筛网堵塞将会影响系统透筛率。而倍频振动系统单周期内由于受到不同形式的激振力，物料运动更为活跃的同时有助于减小筛堵概率。

3振动特征及原因分析

通过对整机振动信号进行分析，得出振动特征如下：（1）在某发动机试车过程中，振动偏大或振动峰值均出现在上推状态;（2）在发动机低转速状态停留时间对振动有直接影响，即振动峰值与温度直接相关;（3）在同一次试车过程中，过渡态振动峰值出现在低状态上推高状态过程中，但并不是每次低状态上推高状态过程中均出现振动峰值，即这种过渡态振动峰值在同一次试车过程中未呈现出重复性;（4）振动偏大时主要表现为高压基频振动，同时伴随着高压倍频和高低压组合频振动成分。为分析发动机振动原因，结合发动机振动特征和常见的机械振动故障特征进行对比，建立发动机振动故障树，并对故障进行了排除和分析。

4电机基本结构

双转子对转轴向磁场永磁电机采用两个独立的单定子单转子轴向磁场永磁电机结合形成，中间使用非导磁结构件连接，两个独立的定子盘对应的电枢绕组采用不同连接方式，两侧绕组相序相反，使得两个定子盘产生同速反向的旋转磁场，从而带动转子运动，形成对转结构。由于两个独立的单定子单转子的轴向磁场永磁电机之间采用非导磁材料连接，各自的磁路不会交叉耦合，磁路首先由永磁体N极发出，穿过N极处气隙，进入定子齿，再到达定子背轭，穿过背轭后，再依次经过定子齿、S极处气隙、S极永磁体，再通过转子背轭回到永磁体N极形成磁通路。两侧电机磁路相互独立，且沿非导磁结构件对称，这种结构轴向尺寸小，电机结构紧凑，占用空间小，易于在对空间要求高的场合集成。电枢绕组安装在定子上，无碳刷滑环结构，故障率低，稳定性强，适合应用在可靠性要求高的水下推进、风力发电等场合。虽然单定子单转子轴向磁场永磁电机有单边磁拉力的问题，但本文的电机使用非导磁材料将两个独立电机连接，左右两侧产生的单边磁拉力抵消，同样具有稳定性。

5双转子对转轴向磁场永磁电机的设计

电机的尺寸方程是电机设计初期确定关键参数的重要依据。双转子对转轴向磁场永磁电机结构拆分为两个单定子单转子轴向磁场永磁电机单元，完成每个电机单元的设计，将绕组正确连接，再将两个电机使用非导磁材料固定在一起。

6双转子对转轴向磁场永磁电机的有限元分析

电机本体三维有限元建模，三维有限元模型计算时间较长，为提高计算效率，由于电机结构的对称性，满足周期性边界条件，取电机1/2模型进行计算。

结束语

1）通过CAMPBELL图法和不平衡响应峰值判断临界转速值两种方法获得的临界转速值相对误差较小，证明了求得的双转子系统临界转速值的合理性;2）直接对高低压转子分开计算其临界转速值，与双转子系统耦合在一起计算所求的结果误差较大，证明弹性支承在双转子系统的动力学问题分析中是必须要考虑的因素;通过简化后计算结果，显著缩小了误差，说明简化的方案是合理可行的。

参考文献

[1]井立兵，高起兴，双转子混合励磁电机优化设计和特性分析[J].电机与控制学报，2019，23（09）：43-50.

[2]王培龙，史黎明，杜玉梅.一种基于电磁耦合的储能驱动用新型双转子感应电机[J].中国电机工程学报，2019，39（17）：5216-5224+5302.

[3]李杰，曹树谦，郭虎伦，李利青，王俊，白雪川.机动飞行条件下双转子系统动力学建模与响应分析[J].航空动力学报，2018，32（04）：835-849.

[4]崔总泽，李子健，项群杰，新型双转子结构风力发电系统及其双模功率控制策略[J].中国电机工程学报，2017，34（36）：6499-6505.

[5]陈果.双转子航空发动机整机振动建模与分析[J].振动工程学报，2017，24（06）：619-632.