無刷直流電動(dòng)機(jī)在集成電機(jī)推進(jìn)器中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)
張強(qiáng)，程鵬，張敬南
(哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：集成電機(jī)推進(jìn)器中的推進(jìn)電機(jī)種類較多，無刷直流電動(dòng)機(jī)由于其功率密度高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)而受到重視：5.5 kw級表面突出式和內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu)無刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、分析以及性能比較，對于無刷直流電動(dòng)機(jī)在集成電機(jī)推進(jìn)器中的進(jìn)一步應(yīng)用具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。
1集成電機(jī)推進(jìn)器
集成電機(jī)推進(jìn)器(以下簡稱imp)是將推進(jìn)電機(jī)、控制器、減速器、螺旋槳等設(shè)備高度集成在一起的一種獨(dú)立的、模塊化的水下推進(jìn)裝置，具有集成度高、功率密度大、控制簡單、易于安裝、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
圖l為一種集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器，其電機(jī)主體位于外側(cè)的導(dǎo)管中，轉(zhuǎn)子與螺旋槳葉片結(jié)合在一起，無需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可有效提高推進(jìn)效率，減小工作噪音。類似這種結(jié)構(gòu)的推進(jìn)裝置已經(jīng)在美國的mk48魚雷和英國的矛魚魚雷等武器和水下設(shè)備中使用。但是在這種imp中，電機(jī)本身沒有防水的密封結(jié)構(gòu)，水會(huì)進(jìn)入定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中，因此電機(jī)的導(dǎo)線、繞組，以及容易被腐蝕的部件都需要采取相應(yīng)的水密措施．
圖2為tecnadyne公司的2020型集成電機(jī)推進(jìn)器外形圖。這種結(jié)構(gòu)的imp將電機(jī)控制器、推進(jìn)電機(jī)、減速器集成在一個(gè)密封的殼體中沿軸向依次排列，再通過減速器的輸出軸帶動(dòng)螺旋槳，由于使用了減速器，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得較高，進(jìn)而縮小imp整體外形尺寸，提高功率密度。工作時(shí)，外部只需通過防水電纜向其提供工作電源和轉(zhuǎn)速控制信號即可。
由于imp具有集成度高、功率密度大、控制簡單、易于安裝、適用范嗣廣等優(yōu)點(diǎn)，使其作為推進(jìn)裝置在水下機(jī)器人、水下武器、援潛救生等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在推動(dòng)海洋開發(fā)、國防建設(shè)、軍隊(duì)武器裝備現(xiàn)代化等方面發(fā)揮著愈加重要的作用。國外對imp的理論、應(yīng)用及其工藝等問題都已進(jìn)行了深入研究，吳備了比較成熟的開發(fā)、研制能力，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商品化、系列化、規(guī)模化生產(chǎn)。但是國內(nèi)對imp技術(shù)的研究起步晚，仍處于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)研制階段，還沒有形成完整的技術(shù)體系。
imp技術(shù)的發(fā)展，需要將電氣工程、材料、機(jī)加、流體力學(xué)等多門學(xué)科相互交叉、融合。單從電氣工程學(xué)科來看，水下高功率密度推進(jìn)電機(jī)的研制無疑是重中之重。目前，imp使用的推進(jìn)電機(jī)主要有永磁直流電動(dòng)機(jī)、元刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等，其中無刷直流電動(dòng)機(jī)由于具有功率密度高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。
2 5．5 kw無刷直流推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)
研制的imp采用如圖2所示的結(jié)構(gòu)，其中無刷直流推進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)如表1所示。電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，在保證性能指標(biāo)基本滿足需求的前提下，分別對表面突出式和內(nèi)置切向式這兩種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的直流無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了本體設(shè)計(jì)和性能分析、比較。
2．1表面突出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
由于是imp整體樣機(jī)的開發(fā)、研制，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到控制器和減速器的外形尺寸，以及各個(gè)部件間的安裝、配合等問題，初步完成的電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，計(jì)算出的運(yùn)行參數(shù)如表3所示。
在完成初步設(shè)計(jì)后，利用有限元方法對電機(jī)進(jìn)行了性能分析和電磁場計(jì)算。圖3和圖4分別給出了額定負(fù)載下電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)氣隙磁密分布曲線和電磁轉(zhuǎn)矩波形。圖5為某一時(shí)刻電機(jī)內(nèi)部磁場分布示意圖。
2 2內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
在使用相同的定子鐵心硅鋼片的基礎(chǔ)上．為了
減小電機(jī)的軸向尺寸，本文采用內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)。定子繞組參數(shù)基本不變，其他相關(guān)參數(shù)如表4所示。
圖6和圖7分別給出了內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)在額定負(fù)載下，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)氣隙磁密分布曲線和電磁轉(zhuǎn)矩波形。圖8為某一時(shí)刻電機(jī) |
