哈工大科研团队提出一种横向错位磁场调制型无刷双转子电机

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我国在“十四五”规划和2035年远景目标纲要中，将海洋装备、航空航天等产业列为国家重点发展的战略性新兴产业。水下航行器、共轴反桨航空器等作为海洋和航空航天领域的重要装备，其性能提升具有重大战略意义，而它们的关键技术之一是螺旋桨推进系统。其中，电动力驱动对转螺旋桨推进技术因隐蔽性好、机动性强、系统能量损失少、能避免航行器侧滚等优点被世界公认为先进高效的螺旋桨推进技术。

传统的电动力驱动对转螺旋桨推进技术主要包括三种方式：①采用两台独立的普通电机分别驱动前、后螺旋桨反向旋转，该方法简单易实现，但体积过大、同步控制困难、成本较高；②采用一台高速电机加行星差动减速齿轮装置实现反向旋转，但该对转推进系统噪声大、机械磨损大且鲁棒性与效率低；③采用对转推进电机直接驱动两个螺旋桨反向旋转，该结构不再需要复杂的对转和传动机构，系统集成度高，是今后电动力驱动对转螺旋桨推进技术的主要发展方向。

目前，应用较广的对转推进电机是将常规永磁电机的定子进行旋转，受等大反向转矩作用的旋转“定子”和永磁转子共同组成对转机构，该类对转推进电机结构简单、效率高、噪声小，但旋转绕组的存在带来了电刷滑环机构，降低了系统可靠性，同时旋转绕组散热困难且动平衡难以保证。因此，对转推进电机的无刷化成为该领域的研究重点。

在无刷对转推进电机的研究方面，按磁通方向不同可分为径向磁通无刷对转推进电机和轴向磁通无刷对转推进电机。这两种结构的共同特点是定子在中间、两个转子置于两侧，定子绕组交叉绕制，从电的角度看是两个电机，去除了电刷滑环机构，提升了对转推进系统的可靠性。但两种结构均存在中间定子绕组散热困难、双转子转矩实时精准同步控制复杂等问题，降低了该类无刷对转推进电机的实用性。

近年来，基于磁场调制原理去除电机电刷和滑环的研究理论引起了学者们的广泛关注。基于该原理，学者们针对双转子电机相继提出了径向磁通无刷双转子电机、轴向磁通无刷双转子电机和无刷多机电端口电机等。而这些拓扑方案中的定子会受电磁转矩作用，且与双转子转矩存在固定的关系，并不适用于对转推进领域，但可以为对转电机的无刷化提供新的研究思路。

针对传统对转推进电机旋转绕组带来的散热困难、可靠性差、动平衡难以保证等瓶颈问题，哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的王于涛、隋义、刘国鹏、梁晓宇、郑萍，在2022年第22期《电工技术学报》上撰文，提出一种横向错位磁场调制型无刷双转子电机（Transverse-Dislocated Magnetic-Field Modulated Brushless Double-Rotor Machine, TDMFM-BDRM）。

图1 TDMFM-BDRM结构

该电机基于三维磁场调制原理实现了对转电机的无刷化，定子位于最外侧且绕组无端部，同时两个转子受到实时等大反向电磁转矩作用，既解决了旋转绕组造成的发热严重、可靠性差、动平衡难以保证等问题，也能避免常规无刷对转电机存在的中间定子绕组散热困难和双转子转矩实时同步控制复杂等问题，非常适用于对转推进领域。此外，TDMFM-BDRM采用无端部的环形绕组结构，节省了大量空间。

表1 传统对转推进电机和TDMFM-BDRM性能对比

研究人员在文中首先介绍TDMFM-BDRM的拓扑结构并分析其工作机理和运行特性；然后通过有限元仿真分析其三维气隙磁场调制行为和电磁特性；最后对比传统对转推进电机与TDMFM-BDRM的结构特点和电磁性能。

他们的分析结果表明，与传统对转推进电机相比，TDMFM-BDRM不仅因磁齿轮效应具有转矩放大能力，还可以设计成更高的电流密度值，此时它的输出转矩提升了48%。因此，TDMFM-BDRM在减小系统体积、提高可靠性的同时，大幅提升了对转推进电机的转矩输出能力。TDMFM-BDRM具有更强的转矩输出能力和更高的可靠性。

本文编自2022年第22期《电工技术学报》，论文标题为“横向错位磁场调制型无刷双转子电机的工作机理与性能分析”。本课题得到国家自然科学基金、黑龙江省自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

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