摘 要

本文主要研究用于水下航行器和船舶等在水中行进的推进系统对转螺旋桨驱动系统的设计，通过借助计算流体力学软件对对转螺旋桨的尾流进行分析，在分析了对转螺旋桨的运动特性之后，决定采用对转式双转子盘式永磁电机，该电机拥有两个独立的转子，通过内外嵌套轴输出，作用于对转螺旋桨的前后桨毂。

该电机有一个定子，一套绕组和两个转子，采用轴向磁场，相比于径向磁场具有结构紧凑，体积小，重量轻的优点。转子表面装贴永磁体，定子采用有铁芯结构，表面开槽，将绕组镶嵌其中，绕组在空间中交叉呈环形分布，定子左右产生反向同速磁场，使得转子能够同速反向旋转。与普通的对转式盘式电机不同，本文研究的电机利用游标效应，可以实现低速大转矩的特点。

本文从电机的电磁场入手分析，对电机的性能加以研究分析。首先建立电机的二维模型，分析其空载情况下的磁链和反电动势；其次，建立电机的三维模型，由于使用的电磁场分析软件在三维下不支持多物体运动，只能单独分析一个转子，最后将得到的结果叠加，与二维模型的结果进行对比，验证结果的准确性。

关键词：对转螺旋桨；盘式电机；双转子；反向旋转；游标效应

Abstract

In this paper, we mainly study the design of the propeller propulsion system for the propulsion system of underwater vehicle and ship in the water. By analyzing the wake of the propeller by using the computational fluid dynamics software, the motion of the propeller Characteristics, the decision to use on the rotary double rotor disc permanent magnet motor, the motor has two independent rotor, through the internal and external nested shaft output, acting on the front and rear propeller hub.

The motor has a stator, a set of windings and two rotors, the use of axial magnetic field, compared to the radial magnetic field has a compact structure, small size, light weight advantages. Rotor surface mount permanent magnet, the stator with a core structure, the surface of the slot, the winding mosaic in which the winding in the space cross-ring was distributed, the stator generated reverse magnetic field, so that the rotor can rotate the same speed. Different from the ordinary on the rotary disc motor, this study of the motor using the cursor effect, you can achieve low-speed large torque characteristics.

This paper analyzes the performance of the motor from the electromagnetic field of the motor. Firstly, the two-dimensional model of the motor is established to analyze the flux and back electromotive force under the no-load condition. Secondly, the three-dimensional model of the motor is established. Because the electromagnetic field analysis software does not support the multi-object movement under three dimensions, And finally the results will be superimposed, compared with the results of two-dimensional model to verify the accuracy of the results.

Key Words：Counter propeller；Disc motor；Double rotor；Reverse rotation；Cursor effect

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 盘式电机的研究现状 2

1.2.2 对转螺旋桨电驱动的研究现状 3

1.3 课题的主要研究内容 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 湍流模型 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 对转螺旋桨的三维建模 8

3.1.1 三维模型的创建方法 8

3.1.2 三维模型的建立 10

3.1.3 计算域的创建 11

3.2 计算流体力学的仿真 12

3.2.1 网格划分 12

3.2.2 计算流体力学软件参数设置 13

3.2.3 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分析 15

4.1 概述 15

4.2 电机设计方案 16

4.3 磁场分析方法 18

4.4 电机二维模型的建立与分析 19

4.4.1 建立二维简化模型 19

4.4.2 有限元分析软件介绍 20

4.4.3 二维简化模型计算结果 21

4.5 电机三维模型的建立与分析 23

4.5.1 建立三维模型 23

4.5.2 三维模型仿真分析 25

4.5.1 三维模型计算结果分析 25

总结与展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

全球表面积的71%被海洋覆盖，其总面积达到3.6亿平方公里。我国不仅是一个陆地大国，更是一个拥有着1.8万公里海岸线的海洋大国，因此，不管出于经济考虑还是军事考虑，探索海洋对于我国有着十分重大的意义。不仅是我国，世界各国为了寻求发展，扩大自己的利益，都在大力发展用于探索海洋开发的设备装置，比如水下航行器等^[1,2]。