無刷直流電動機在集成電機推進器中的應用及設計

    張強，程鵬，張敬南

    (哈爾濱工程大學，黑龍江哈爾濱150001)

    摘要：集成電機推進器中的推進電機種類較多，無刷直流電動機由于其功率密度高、起動轉矩大等優點而受到重視：5.5 kw級表面突出式和內置切向式轉予結構無刷直流電動機的設計、分析以及性能比較，對于無刷直流電動機在集成電機推進器中的進一步應用具有一定的實際指導意義。

1集成電機推進器

    集成電機推進器(以下簡稱imp)是將推進電機、控制器、減速器、螺旋槳等設備高度集成在一起的一種獨立的、模塊化的水下推進裝置，具有集成度高、功率密度大、控制簡單、易于安裝、適用范圍廣等優點。

    圖l為一種集成電機泵噴推進器，其電機主體位于外側的導管中，轉子與螺旋槳葉片結合在一起，無需傳動機構，可有效提高推進效率，減小工作噪音。類似這種結構的推進裝置已經在美國的mk48魚雷和英國的矛魚魚雷等武器和水下設備中使用。但是在這種imp中，電機本身沒有防水的密封結構，水會進入定、轉子之間的氣隙中，因此電機的導線、繞組，以及容易被腐蝕的部件都需要采取相應的水密措施．

圖2為tecnadyne公司的2020型集成電機推進器外形圖。這種結構的imp將電機控制器、推進電機、減速器集成在一個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螺旋槳，由于使用了減速器，推進電機的轉速可以設計得較高，進而縮小imp整體外形尺寸，提高功率密度。工作時，外部只需通過防水電纜向其提供工作電源和轉速控制信號即可。

    由于imp具有集成度高、功率密度大、控制簡單、易于安裝、適用范嗣廣等優點，使其作為推進裝置在水下機器人、水下武器、援潛救生等領域廣泛應用。在推動海洋開發、國防建設、軍隊武器裝備現代化等方面發揮著愈加重要的作用。國外對imp的理論、應用及其工藝等問題都已進行了深入研究，吳備了比較成熟的開發、研制能力，并且已經實現了商品化、系列化、規模化生產。但是國內對imp技術的研究起步晚，仍處于實驗室樣機研制階段，還沒有形成完整的技術體系。

    imp技術的發展，需要將電氣工程、材料、機加、流體力學等多門學科相互交叉、融合。單從電氣工程學科來看，水下高功率密度推進電機的研制無疑是重中之重。目前，imp使用的推進電機主要有永磁直流電動機、元刷直流電動機和開關磁阻電動機等，其中無刷直流電動機由于具有功率密度高、起動轉矩大，調速范圍寬、控制靈活等優點而被廣泛采用。

2 5．5 kw無刷直流推進電機設計

    研制的imp采用如圖2所示的結構，其中無刷直流推進電機的主要性能指標如表1所示。電機的設計過程中，在保證性能指標基本滿足需求的前提下，分別對表面突出式和內置切向式這兩種不同轉子結構的直流無刷電動機進行了本體設計和性能分析、比較。

2．1表面突出式轉子結構

    由于是imp整體樣機的開發、研制，在電機設計時，考慮到控制器和減速器的外形尺寸，以及各個部件間的安裝、配合等問題，初步完成的電機設計參數如表2所示，計算出的運行參數如表3所示。

    在完成初步設計后，利用有限元方法對電機進行了性能分析和電磁場計算。圖3和圖4分別給出了額定負載下電機穩態運行時氣隙磁密分布曲線和電磁轉矩波形。圖5為某一時刻電機內部磁場分布示意圖。

2 2內置切向式轉子結構

    在使用相同的定子鐵心硅鋼片的基礎上．為了

減小電機的軸向尺寸，本文采用內置切向式轉子結構，重新進行了設計。定子繞組參數基本不變，其他相關參數如表4所示。

    圖6和圖7分別給出了內置切向式轉子結構電機在額定負載下，穩態運行時氣隙磁密分布曲線和電磁轉矩波形。圖8為某一時刻電機