一种具有自冷却功能的水下对转电机系统及水下装备

本发明属于水下装备电机设计，具体涉及一种具有自冷却功能的水下对转电机系统及水下装备。

背景技术：

1、无人水下航行器（unmanned underwater vehicle，uuv）是指一种主要以潜艇或水面舰船为支援平台，长期在水下自助航行并回收的智能水下装备，能够完成水下勘探、侦测等多种重要任务。uuv一般分为遥控水下航行器和自主水下航行器两类。

2、按照动力类型，uuv又分为电动力推进和热动力推进两大类，但热动力uuv隐蔽性差，控制不精细，相较而言，电动力uuv结构简单，维护成本低，航行的隐蔽性高，噪声小，控制精细。因此，电动力推进成为uuv的主流推进方式。目前常用的电机类型都可以作为水下航行器的推进电机，由于对转电机相对于单转子结构电机，不仅能够同轴反向双输出，还能够满足水下航行器螺旋桨的需求，在相同空间下输出更高的功率，因此，对转电机广泛用于水下航行器的推进。

3、电机在长时间大功率运行时，会产生大量的热量，而uuv电机密封舱段空间有限、散热困难；此外，随着对于uuv推进性能的要求越来越高，功率密度和扭矩密度的要求也随之增加，这同样会间接地导致电机损耗密度增加，若散热系统无法满足更高功率下的工作情况，会进一步导致电机温度失控，严重情况下可能导致电机内部永磁体的去磁化、效率降低、材料老化，甚至是电机直接烧毁，所以随着推进性能要求的提升，水下航行器电机的散热也成为了重中之重。

4、uuv的对转电机在工作时，定子和转子高速旋转，产生热量的热源是绕组中的铜耗和铁芯中的铁耗，其高温部分主要集中在绕组端部。为了解决高速旋转下绕组的散热问题，目前闭式冷却的做法是采用喷油冷却对绕组端部进行散热，然而传统的喷油散热需要在电机外部外置一个散热所用的泵，而外置泵对于空间狭小的uuv来说不仅不利于零件布置，还需要配置相应的动力系统，总体消耗能量较多，如此一来，并不利于uuv的远程航行。

5、鉴于此，本发明研究团队认为有必要探究一种具有自冷却功能的对转电机系统，能够在解决高速运转下绕组散热问题的同时，确保水下装备的推进性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有针对水下装备电机高速运转下对绕组进行散热时无法确保水下装备推进性能的问题，而提供一种具有自冷却功能的水下对转电机系统及水下装备。

2、本发明的构思：

3、uuv的航行分为低速巡航和高速打击；低速巡航时，电机发热较小可忽略不计，且工作时全程在水中，不需要散热措施；而高速打击时，电机功率可达到低速巡航时的上百倍，发热严重、急需散热，因此，本发明研究团队在综合考虑低速巡航和高速打击两种工况下电机散热和水下装备推进性能后，设计了一款具有自冷却功能的对转电机系统，其采用“被动泵+闭式冷却”的方式，通过电磁离合器来控制被动泵与内轴之间的动力接合关系，使其能够根据水下装备航速进行自适应冷却，在低速巡航不需要散热措施时，断开电磁离合器，关闭冷却功能，降低能耗，确保水下装备更长的航程；在高速打击急需散热时，则接合电磁离合器，使得被动泵的转子与内轴动力接合，能够随着内轴的旋转而转动，启动冷却单元，并且内轴旋转速度越快，整个冷却液的循环过程就越快，能够带走更多的热量。

4、然而，在实验验证过程中，该方案在高速打击工况下，并不能全程达到预期的冷却效果，这与研究初期的目的有所差距，因此本发明研究团队对此进行了复盘，经研究分析后，发现这是因为高速打击并非是在一个恒定的航速下执行任务，而是在一个速度范围内浮动航行，如此就会存在水下对转电机系统虽然在某个高航速下能够达到高效冷却，但在另一个高航速下可能无法达到高效冷却的情况，为此，本发明研究团队以加权平均温度tavg最小为优化目标，对整个水下对转电机系统中冷却单元的结构参数进行了定量优化，使其能够在整个高速变速范围内均能够达到理想的冷却效果，满足电机设计要求，从宏观上兼顾水下装备的推进性能（比如水下装备的高机动性，散热能力好的同时，水下装备可以达到更高的极速、更快的加速度），以此优化水下装备的动力系统。

5、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

6、一种具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特殊之处在于：包括对转电机、冷却单元以及电磁离合器；

7、所述对转电机包括同轴设置的内轴、外轴、内转子组件和外转子组件；内转子组件通过内轴向外输出扭矩，外转子组件通过外轴向外输出与内轴具有相反方向的扭矩；

8、所述冷却单元包括被动泵、输液管道、同轴设置在内轴中的冷却通道、设置在内轴上与冷却通道连通的喷嘴、设置在内转子组件和外转子组件上的导流槽、设置在水下装备电机舱段壳体底部的液槽以及填充在液槽内的冷却液；

9、所述被动泵通过电磁离合器安装在内轴远离外轴的一端，其定子固定在水下装备电机舱段壳体，转子通过电磁离合器与内轴连接；

10、低速巡航时，电磁离合器断开，被动泵与内轴脱开，被动泵不随内轴转动；

11、高速打击时，电磁离合器接合，被动泵与内轴动力接合，被动泵随内轴转动；在内轴的旋转带动下，被动泵通过输液管道将液槽内的冷却液泵入内轴的冷却通道中，对旋转的内轴进行冷却，并经喷嘴将冷却液喷向所述内转子组件和外转子组件上进行冷却，随后冷却液在导流槽和自身重力的作用下回流至液槽，如此循环冷却。

12、进一步地，冷却单元按照以下步骤进行优化设计：

13、1）根据水下装备电机舱段壳体的安装空间、对转电机结构尺寸、对转电机内轴的直径和结构强度、以及冷却效果，确定冷却单元结构的参数范围，并设定参数选取步长；

14、所述结构参数包括输液管道直径dg、冷却通道直径dn、静止时冷却液高度hy、喷嘴直径dz、喷嘴数量nz以及喷嘴安装位置；

15、2）基于步骤1）设定的参数选取步长，在步骤1）确定的冷却单元结构参数范围内，选取一组结构参数作为初始取值；

16、3）以对转电机在水下装备不同航速vi下工作时的损耗为发热源，分别仿真计算对转电机内转子组件和外转子组件的温度场参数；由于低速巡航时，不用进行电机冷却，因此vi的取值范围为水下装备的高速变速范围（vmin~vmax）；

17、计算不同航速vi下，喷液冷却后的对转电机内转子组件和外转子组件中的最高温度ti（主要指的是热量集中在对转电机内转子组件绕组以及外转子组件永磁体中最高的温度）；其中，i=1，2，3，…，n；

18、4）基于步骤3）得到的温度场参数，判断不同航速vi下，喷液冷却后的对转电机内转子组件和外转子组件中的最高温度ti是否满足对转电机的设计要求；

19、若满足，进入步骤5）；否则，在步骤1）确定的冷却单元结构参数范围内调整结构参数，并返回步骤3）；

20、5）基于步骤3）计算得到的不同航速vi下，喷液冷却后的对转电机内转子组件和外转子组件中的最高温度ti，计算高速变速范围内的加权平均温度tavg，并保存当前冷却单元结构参数及对应的高速变速范围内的加权平均温度tavg作为一个样本点；

21、高速变速范围内的加权平均温度tavg按照以下公式计算：

22、

23、其中，为水下装备航速取值的步长，vmin为水下装备高速变速范围的下限值，vmax为水下装备高速变速范围的上限值；

24、6）判断当前是否已遍历步骤1）确定的结构参数范围中的参数值；

25、若否，则返回步骤2），继续采集样本点；若是，则样本点采集完成，进入步骤7）；

26、7）样本点采集完成后，通过kriging代理模型对样本点的集合进行近似，并利用神经网络或粒子群优化算法，以加权平均温度tavg最小为优化目标，进行优化参数寻优，当优化算法不断迭代直至收敛时，得到冷却单元结构参数优化的最优解集；

27、8）结合具体水下对转电机实例，根据加工难易程度，在步骤7）得到的最优解集中选择优化设计点，最终完成冷却单元的优化设计。

28、采用上述方法对冷却单元进行优化设计，不仅能够实现在同等转速下达到最大的冷却散热能力，还能够满足高速变速范围内的散热需求，使得综合散热能力有所提升。

29、进一步地，步骤1）中，输液管道直径dg为8~14mm；

30、冷却通道直径dn为10~32mm；

31、静止时冷却液高度hy为15~51mm；该范围是由静止时冷却液接触到外转子组件的高度到完全浸没内转子组件的高度来确定的；

32、喷嘴直径dz为2~4mm；

33、喷嘴数量nz为偶数，取值范围为4~12，一分为二，分为两组，两组喷嘴对称设置，正对内转子组件两端绕组，每组喷嘴沿内轴周向均匀设置；该范围内，不仅能够达到理想的冷却效果（过少冷却能力有限，过多则会削减内轴的强度），还能够确保内轴旋转稳定性；

34、喷嘴安装位置包括喷嘴与内转子组件绕组内侧之间的距离以及喷嘴间的安装位置，取值范围为5-15mm。

35、进一步地，为了确保喷嘴的寿命，所述喷嘴与内轴的连接处平滑过渡。

36、进一步地，步骤3）中， vi的取值范围20-40kn。

37、进一步地，所述输液管道直径dg为10mm；

38、冷却通道直径dn为30mm；

39、静止时冷却液高度hy为50mm。

40、进一步地，所述喷嘴直径dz为3mm；

41、为了在确保散热效果的同时不会过多削弱内轴的强度和寿命，喷嘴数量nz为6，3个为一组，两组喷嘴分别正对内转子组件两端绕组，且与内转子组件绕组内侧的距离均为10mm， 3个喷嘴沿内轴周向间隔120°排布，如此对称均匀地设置，不仅对于内轴的旋转稳定性不会产生额外影响，还能够确保在内转子组件绕组端部形成质量良好的液膜，确保冷却效果。

42、此外，本发明还提供了一种采用上述具有自冷却功能的水下对转电机系统的水下装备，比如水下航行器。

43、本发明的工作原理是：

44、本发明在现有的对转电机结构上增加了冷却单元，具体包括以下措施：在内轴中开设了冷却通道、在内轴上设置了多个指向内转子组件的喷嘴、设置在对转电机内转子组件和外转子组件上的导流槽、在内轴远离外轴的一端安装被动泵、在水下装备电机舱段壳体底部设置液槽并填充冷却液、在被动泵与液槽之间设置输液管道。在内轴的旋转带动下，被动泵通过输液管道将液槽内的冷却液泵入内轴的冷却通道中，对旋转的内轴进行冷却，冷却液从喷嘴中雾化喷出并对高速旋转的内转子支架、内转子组件、外转子组件进行冷却，随后冷却液在导流槽和自身重力的作用下回流至液槽，液槽外壁与海水接触通过对流换热，完成回流的冷却，冷却过后再次通过输液管道进入被动泵中，如此循环。

45、在优化过程中，本发明研究团队考虑到水下装备的航行工况分为低速巡航和高速打击，且在低速巡航时电机发热较小，水下装备全程在水中，不用采用手段进行散热，因此，本发明在被动泵和内轴之间设置了电磁离合器，方便在低速巡航不需要冷却时关闭冷却单元（即电磁离合器断开，断开内轴与被动泵的转子，动力不会传递到被动泵），冷却液在液槽中不流动，因此不会产生额外的功耗，能够保证水下装备在低速巡航时达到更远的航程。而高速打击时的电机功率高达低速巡航时的上百倍，发热严重，需要散热，此时，开启冷却单元（即电磁离合器接合，将内轴与被动泵的转子进行动力接合），被动泵随内轴开始工作。

46、随着电机转速的增加，被动泵泵入冷却液的功率也会增加，同时喷嘴也会随着转速的加快，增加在电机内部形成液膜的质量，当冷却液回流到液槽中时，由于航速的加快，水下装备电机舱段壳体表面的换热系数变大，对液槽中冷却液的冷却功率也变大，因此在高速打击时，能够为对转电机匹配到合适的被动泵散热功率，具有自适应性。

47、本发明相较于常规水下对转电机的设计具有以下优点：

48、1.本发明采用“被动泵+闭式冷却”的方式；其一，将被动泵安装在内轴的一端，能够适时做到被动泵随轴动的效果，如此不仅节省空间，免去为其配制动力系统，降低负载，还能将水下装备的航行功率消耗降低至最小；其二，在被动泵与内轴之间设置了电磁离合器，在低速巡航时，将被动泵与内轴之间的动力连接切断，能够保证水下装备在低速巡航时的隐蔽性，同时不会产生额外的功率，能够保证水下装备的航程够远；其三，将液槽设置在水下装备电机舱段壳体底部，省略了容置冷却液的容器，有效利用了壳体空间；同时本发明还以加权平均温度tavg最小作为优化目标，对冷却单元的结构参数进行优化设计，以实现在整个高速变速范围内均能够达到理想冷却效果为目的，确保水下装备的推进性能。

49、2.本发明通过被动泵控制散热的功率，具有可操作性，电机转速增加，航速增加，水下装备表面对流换热系数变大，对流换热增加，同时内转子组件和外转子组件（喷油同时也会在这两个组件表面形成一层液膜，转速加快之后也会将冷却液甩到液槽和组件端部等地方）以及内轴甩动冷却液的速度加快，喷液散热的功率也相应增加，也就是说散热功率能够适应不同航速下的要求，具有自适应性。

50、3.本发明中冷却液充斥在内轴中，能够对旋转的内轴进行散热，无需额外装置再对内轴进行散热，具有泛用性；并且本发明利用导流槽和冷却液自身的重力，能够使冷却液迅速地回流至液槽，进行下一次循环。

51、4.对转电机高速运行时，会产生大量的热量，如不能及时散热，会导致电机内部温度过高，导致电机损耗，降低电机的效率，进而影响电机的性能和寿命。本发明具有自冷却功能的水下对转电机系统可以保证对转电机长时间稳定运行，提高电机的效率、可靠性以及使用寿命，全方面确保电机的安全使用。