无刷直流电动机在集成电机推进器中的应用及设计

    张强，程鹏，张敬南

    (哈尔滨工程大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：集成电机推进器中的推进电机种类较多，无刷直流电动机由于其功率密度高、起动转矩大等优点而受到重视：5.5 kw级表面突出式和内置切向式转予结构无刷直流电动机的设计、分析以及性能比较，对于无刷直流电动机在集成电机推进器中的进一步应用具有一定的实际指导意义。

1集成电机推进器

    集成电机推进器(以下简称imp)是将推进电机、控制器、减速器、螺旋桨等设备高度集成在一起的一种独立的、模块化的水下推进装置，具有集成度高、功率密度大、控制简单、易于安装、适用范围广等优点。

    图l为一种集成电机泵喷推进器，其电机主体位于外侧的导管中，转子与螺旋桨叶片结合在一起，无需传动机构，可有效提高推进效率，减小工作噪音。类似这种结构的推进装置已经在美国的mk48鱼雷和英国的矛鱼鱼雷等武器和水下设备中使用。但是在这种imp中，电机本身没有防水的密封结构，水会进入定、转子之间的气隙中，因此电机的导线、绕组，以及容易被腐蚀的部件都需要采取相应的水密措施．

图2为tecnadyne公司的2020型集成电机推进器外形图。这种结构的imp将电机控制器、推进电机、减速器集成在一个密封的壳体中沿轴向依次排列，再通过减速器的输出轴带动螺旋桨，由于使用了减速器，推进电机的转速可以设计得较高，进而缩小imp整体外形尺寸，提高功率密度。工作时，外部只需通过防水电缆向其提供工作电源和转速控制信号即可。

    由于imp具有集成度高、功率密度大、控制简单、易于安装、适用范嗣广等优点，使其作为推进装置在水下机器人、水下武器、援潜救生等领域广泛应用。在推动海洋开发、国防建设、军队武器装备现代化等方面发挥着愈加重要的作用。国外对imp的理论、应用及其工艺等问题都已进行了深入研究，吴备了比较成熟的开发、研制能力，并且已经实现了商品化、系列化、规模化生产。但是国内对imp技术的研究起步晚，仍处于实验室样机研制阶段，还没有形成完整的技术体系。

    imp技术的发展，需要将电气工程、材料、机加、流体力学等多门学科相互交叉、融合。单从电气工程学科来看，水下高功率密度推进电机的研制无疑是重中之重。目前，imp使用的推进电机主要有永磁直流电动机、元刷直流电动机和开关磁阻电动机等，其中无刷直流电动机由于具有功率密度高、起动转矩大，调速范围宽、控制灵活等优点而被广泛采用。

2 5．5 kw无刷直流推进电机设计

    研制的imp采用如图2所示的结构，其中无刷直流推进电机的主要性能指标如表1所示。电机的设计过程中，在保证性能指标基本满足需求的前提下，分别对表面突出式和内置切向式这两种不同转子结构的直流无刷电动机进行了本体设计和性能分析、比较。

2．1表面突出式转子结构

    由于是imp整体样机的开发、研制，在电机设计时，考虑到控制器和减速器的外形尺寸，以及各个部件间的安装、配合等问题，初步完成的电机设计参数如表2所示，计算出的运行参数如表3所示。

    在完成初步设计后，利用有限元方法对电机进行了性能分析和电磁场计算。图3和图4分别给出了额定负载下电机稳态运行时气隙磁密分布曲线和电磁转矩波形。图5为某一时刻电机内部磁场分布示意图。

2 2内置切向式转子结构

    在使用相同的定子铁心硅钢片的基础上．为了

减小电机的轴向尺寸，本文采用内置切向式转子结构，重新进行了设计。定子绕组参数基本不变，其他相关参数如表4所示。

    图6和图7分别给出了内置切向式转子结构电机在额定负载下，稳态运行时气隙磁密分布曲线和电磁转矩波形。图8为某一时刻电机