水下航行器用对转式双转子盘式驱动系统的设计毕业论文

2020-02-17 20:27:38

摘要

在这篇文章里主要设计了驱动系统里面的对转螺旋桨以及驱动对转螺旋桨的盘式对转式电机。首先建立对转螺旋桨模型，利用流体力学分析软件对其进行尾流分析得到螺旋桨的运动特性，由运动特性来选用双转子盘式永磁同步电机。

盘式对转电机有一个定子和两个反向旋转的转子。结构紧凑、体积小、重量轻是盘式对转双转子电机的最大优点，永磁体贴装在转子表面，定子采用无槽结构，三相绕组在空间中交叉环形分布。通电后，定子绕组中会产生旋转方向相反的磁场，通过该旋转磁场可以带动定子反向旋转。

对电机性能分析从电磁场开始。利用盘式电机的二维模型,分析其在空载情况下的磁密和反电动势；在二维模型分析结果的基础上，利用电机仿真软件对电机三维模型进行有限元分析，对照二维的仿真结果，验证结果的准确性。

关键词：对转螺旋桨；对转盘式电机；电机分析软件

Abstract

In this article, the counter-rotating propeller in the drive system and the disc-type counter-rotating motor that drives the counter-rotating propeller are mainly designed. Firstly, the propeller model is established, and the wake characteristics are obtained by CFD software to obtain the propeller's motion characteristics. The double rotor disc permanent magnet synchronous motor is selected by the motion characteristics.

The disc type counter-rotating motor has a stator and two counter-rotating rotors. The compact structure, small size and light weight are the biggest advantages of the disc-type double-rotor motor. The permanent magnets are mounted on the surface of the rotor, the stator adopts a slotless structure, and the three-phase windings are distributed in a circular shape in space. After the power is applied, a magnetic field having an opposite direction of rotation is generated in the stator winding, and the rotating magnetic field can drive the stator to rotate in the opposite direction.

The performance analysis of the motor starts from the electromagnetic field and uses the two-dimensional model of the disc motor to analyze the magnetic and back electromotive force under no-load conditions. Based on the results of the two-dimensional model analysis, the motor simulation software is used to limit the three-dimensional model of the motor. Meta-analysis, comparing the two-dimensional simulation results, verify the accuracy of the results.

Key words: counter-rotating propeller；disc-type counter-rotating motor；software of motor analysis

第1章绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 存在的问题 3

1.4 研究内容 4

第2章计算流体力学的基本原理 5

2.1 计算流体力学的概述 5

2.2 数学模型 5

2.2.1 流体运动的基本控制方程 5

2.2.2 常用湍流模型介绍 6

2.3 数值方法 7

第3章对转螺旋桨的建模与仿真分析 8

3.1 螺旋桨的简单介绍 8

3.2 对转螺旋桨的三维建模 8

3.2.1 螺旋桨的设计方法 8

3.2.2 三维模型建立的条件 8

3.2.3 三维模型的建立 10

3.3 计算流体力学的仿真 12

3.3.1 计算域的建立 12

3.3.2 网格划分 13

3.3.3 计算流体力学软件的参数设置 14

3.3.4 模型计算结果 14

第4章对转式双转子盘式永磁电机的建模与仿真 16

4.1 概述 16

4.2 电机的设计方案 16

4.3 电机三维模型的建立 20

4.4 磁场的分析方法 23

4.5 电机二维模型的建立与分析 24

4.5.1 建立电机二维简化模型 25

4.5.2 仿真结果的分析 26

4.6 电机三维模型的仿真 28

第5章总结与期望 31

参考文献 32

致谢 33

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

人类的生存离不开能源的开发，地球表面百分之七十五以上的面积是海洋，海洋中蕴藏着丰富的能源和各种人类赖以生存的元素，陌生的海洋环境导致资源开发困难，海下潜水器可以帮助人们探测海洋环境，开拓新的海洋版图。所以海下潜水器在海洋资源开发中具有举足轻重的地位。同时海下潜水器在军事领域也具有不可缺少的作用，美国、英国、日本等国家都在开发新型的海下潜水器推进系统，来维护自己本国的海洋安全。

海下潜水器的发展过程^[1]。

实验模型

自主无人型

遥控潜水器

半自主型

图1.1 海下潜水器发展过程

如果采用单个螺旋桨作为当水下航行器的驱动输出时，螺旋桨桨叶上不仅会有来自水的反推力，也就是航行器前进的推力，同时水的反作用力还会带来沿螺旋桨圆周方向的旋转力矩，横向的旋转力矩会导致航行器的偏斜，所以航行器难以保持稳态前进。

故采用异向旋转双转子电机来驱动双螺旋桨，双螺旋桨就是两个螺旋桨位于同一轴线，但是两者旋转的方向相反。这样可以抵消圆周方向的旋转力矩，避免航行器的偏斜。与此同时对转螺旋桨的后桨可以吸收前桨尾流中的旋转能量，从而可以提高能量的利用效率。

1.2 国内外研究现状

我国各高校和研究所对盘式对转式双转子电机进行了一些相关的研究。陈进华博士提出一种异向旋转双转子永磁电机^[2]，他提出的这种电机有为内、外双转子，优点是可以充分利用外电机转子内侧空心部分，基于场路结合结合法确定了电极的基本尺寸，给出了定子的绕组方式。2016年，湖南大学针对异向旋转的双转子电机提出了一种动态主从控制方法^[3]，这种控制方法保证了两个永磁转子在负载不平衡或扰动变化时能够同步、稳定运行。但是这种电机的轴向磁拉力会作用在转子轴承上，加重轴承负担。

同样，张凤阁教授提出了一种径向结构的内、外双转子对转永磁同步电机，并对其进行了相关的研究^[4]。这种电机在原理上与盘式电机相似，但是机械结构有所不同。从图1.2中可以看出，该电机的两个转子同轴分布在定子的内外两侧。

图1.2 径向对转永磁同步电机

台湾成功大学研究了一种普通环形绕组的径向内外转子永磁电机，由于绕组只是普通的环形，所以内外转子具有相同的转向，该电机用于同时驱动两个外设：比如同时驱动空调的压缩机和冷凝器，可以很好的减轻电器的体积和质量^[5]。

芬兰的Asko Parvianen博士2005年在其博士论文中提出了了中间单定子、两边双转子结构的盘式永磁电机的设计，并且研制出了一台5 KW的单转子双定子的表面式盘式永磁电机^[6]。该电机结构如图1.3所示。

图1.3 单定子双转子结构^[6]

美国麻省理工研制了一台永磁直流无刷电机驱动系统。该电机的定子与外轴相连，转子与内轴相连，内外轴均通过轴承固定在外壳上，内外轴同轴嵌套输出与对转螺旋桨的两个桨叶相连。该电机可以实现，定转子相对于机壳以1000 r/min的速度反向旋转^[7]。

对转螺旋桨的驱动方式^[8]。

1.第一种是分别用两台独立的电机驱动两个螺旋桨旋转。这样的驱动方式简单，但是其中的传动系统制造成本偏高，质量较大，不易运输，特别是在体积和重量有严格要求的情况下，应用会受到限制。

2.第二种是由一台常规电机齿轮减速器驱动对转螺旋桨，如图1.4所示。这样的驱动方式机械传动部分复杂，导致系统可靠性降低，噪声比较大。

图1.4 常规电机和齿轮减速器驱动方式

3.第三种是利用定子转子异向旋转的永磁同步电机，如图1.5所示。定子通过轴承固定在机壳上，机运转时，定转子都可以相对机壳转动。当电机运转时，定子和转子旋向相反，该驱动方式存在的问题是：定子的电源需要由电刷和滑环引入，因此降低了系统的可靠性。同时，由于负载的不对称，所以无法保证定子和转子具体相同的转速。

图1.5 定子转子异向旋转驱动方式

1.3 存在的问题

1）水下航行器使用单桨会有横向的扰动，单桨在旋转过程中，产生的横向转矩无法消除，导致航行器运行稳定性降低；同时单桨的使用，效率偏低。

2）对转螺旋桨的建模过程中，3D建模软件无法完全构建真实的模型，因此会对网格划分、流体力学分析带来一定的影响；模型的偏差会使网格划分变复杂，需要检测网格的合理性，导致耗时长。

3）旧版电机仿真软件不支持对转异向旋转的电机仿真，需要下载安装最新版的软件，才能进行电机的三维仿真。

4）定子交叉绕组端部短、铜耗小，但是其绕线方式复杂，会给后期定子的加工造成一定的困难。

1.4 研究内容

第一章了解盘式电极的发展与分类，简述盘式电极工作原理；第二章主要构建了流体力学的数学模型；第三章利用三维建模建立对转螺旋桨的三维模型，然后使用有限元分析软件对螺旋桨模型进行网格划分，对其进行流体力学仿真分析；第四章研究了盘式电机的设计方案，给出了盘式电机的主要尺寸；建立盘式电机的二维、三维模型，利用电机仿真软件对其进行仿真分析。第五章主要是对本次毕业设计的总结与展望。

第2章计算流体力学的基本原理

2.1 计算流体力学的概述

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)，是一种由计算机模拟流体流动、传热、空气场等系统的分析方法和工具^[11]。计算流体力学主要通过计算机和数值方法来研究和求解流体力学的控制方程，对流体力学问题进行模拟和分析。因为CFD分析方法具有适应性强,应用性广的优点，所以目前计算流体力学被广泛应用于铁路、汽车以及航空的空气动力学研究和内部流场的分析；对机械结构进行流体力学仿真分析；同时，CFD在环境工程、气象分析等方面有较大的应用。计算结果的分析可以使用CFD方法进行后处理得到。