一种水下装备散热电机系统及其设计方法

本发明属于水下装备，具体涉及一种水下装备散热电机系统及其设计方法。

背景技术：

1、基于水下装备高航速和航程的需求，电机需要具备更高的输出功率和效率，电机在大功率、高转速工况下工作时会迅速产生大量热量，而一般水下装备的电机舱段具有密封性，热量若不能及时散去，电机会因过热而无法继续工作，电机过热会影响电机安全运行。

2、公开号为cn208820621u的专利文献，公开一种水下用节能散热电机，该电机的冷却系统需要配备额外的冷却设备来冷却，比如散热器和冷却剂。但是，由于水下装备电机舱段为受限空间，冷却设备会占据水下装备大量内部空间，限制了舱室内其他部件的布置。此外，在水下装备高速航行时，即航速大于30kn，所需的电机扭矩和功率急剧增大，电机产热量也随之增多，为了确保电机在高速航行时的安全运行，本领域通常会考虑设计优化冷却系统，以提高电机冷却效果，但是往往忽略了设计过程中会增加额外的重量，不利于水下装备的轻量化设计，会导致水下装备航行性能下降，需要更大的推力来维持航行速度。

3、因此，如何兼顾水下装备的航行工况、受限空间、轻量化和电机安全性能进行电机系统设计为亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术未兼顾水下装备受限空间、轻量化及航行工况设计电机系统的不足之处，而提供了一种水下装备散热电机系统及其设计方法。

2、本发明的发明构思为：

3、本发明中水泵采用被动驱动方式，直接由电机转子轴驱动水泵工作，将海水通过转子轴中心孔引入散热流道内对电机进行冷却。由于水泵由电机驱动，在水下装备低速航行阶段，即一般在航速5kn左右时，电机转子轴以较低速度旋转，电机产生热量小，电机冷却系统能够随转子轴转速的提高，实现对电机热量的自适应冷却，以满足电机安全工作需求。而在水下装备高速航行阶段，即航速大于30kn时，所需的电机扭矩和功率急剧增大，电机转子轴转速提高，电机产热量增大，水泵的压力也随转子轴速度的提高而增大，冷却效果提升，但由于转子轴转速提高后，电机产热量大幅提升，水泵的压力不足以将电机产热量散尽，导致电机温度超出安全工作要求。

4、为了解决水下装备高速航行阶段散热问题，一般对于水下装备电机系统的研究多关注冷却系统的冷却性能，即单纯通过优化冷却系统结构参数来提高散热效果，并未将其与所采用的电机结构及水下装备的总重量需求进行关联。而本发明创新性地从水下装备总重量及空间需求出发，基于水下装备采用被动泵进行冷却的应用场景，对水下装备不同航速下电机产热量和冷却系统的散热性能进行评价，对所配备的电机结构和冷却系统散热流道结构参数进行定量化设计，确保在水下装备高速航行阶段，电机温度在安全工作范围内，同时实现了水下装备电机舱段轻量化设计。

5、基于上述发明构思，本发明所提供的技术解决方案是：

6、一种水下装备散热电机系统，其特殊之处在于，包括水下装备壳体、电机和冷却系统；所述水下装备壳体包括电机舱段和尾部舱段；

7、所述电机包括电机前端盖、转子组件、定子组件和电机后端盖；

8、所述电机前端盖和电机后端盖分别径向固设在电机舱段腔体两端，转子组件和定子组件同轴设置在电机前端盖和电机后端盖之间；所述转子组件具有一个转子轴，用于驱动水下装备螺旋桨旋转；

9、所述冷却系统为开放式被动型自适应冷却系统，包括散热流道和设置在转子轴前端的水泵；转子轴的后端伸出尾部舱段与海洋连通；

10、所述散热流道包括海水吸入孔、第一连接流道、双螺旋流道、第二连接流道和环形射流孔；双螺旋流道为对称开设在电机舱段内壁的螺旋槽；所述海水吸入孔为转子轴的中心孔；环形射流孔同轴开设在转子轴上，且沿转子轴后端开设至所述第二连接流道出口位置处；

11、所述水泵上设有两个流道出口，分别通过对称设置的第一连接流道与双螺旋流道的输入口连通，双螺旋流道的输出口分别通过对称设置的第二连接流道与环形射流孔连通；水泵在电机转子轴驱动下将海水从转子轴中心孔吸入，对转子组件冷却，并使海水沿双螺旋流道对定子组件冷却，冷却后从第二连接流道出口流出，通过环形射流孔排入海洋。

12、所述散热电机系统采用仿真优化确定，以在满足电机舱段重量和强度的要求下，使所述冷却系统在水下装备不同航行工况下对电机进行散热冷却，确保电机安全运行。

13、进一步地，所述第二连接流道包括径向开设在电机后端盖上的液流流道、唇形密封舱以及开设在转子轴上的液流孔；

14、径向开设在电机后端盖上的液流流道两端分别与双螺旋流道的输出口和唇形密封舱连通；

15、所述唇形密封舱设置在电机后端盖中心孔内，唇形密封舱内壁与转子轴外壁过盈配合；

16、所述转子轴侧壁上且与唇形密封舱配合位置处径向设有若干液流孔，所述液流孔与环形射流孔连通；

17、经双螺旋流道排出的冷却废水，依次经过电机后端盖上的液流流道、唇形密封舱、液流孔和环形射流孔排入海洋中。

18、进一步地，所述转子组件包括所述转子轴、转子铁芯和永磁体；转子轴、转子铁芯和永磁体依次同轴由内向外嵌套固连；

19、所述定子组件套装在所述转子组件外壁上，且定子组件与转子组件之间存在间隙，定子组件包括定子铁芯和定子绕组，所述定子铁芯外壁固定在所述电机舱段内壁上，定子铁芯内绕制有所述定子绕组；在所述永磁体和定子绕组的磁力作用下，所述转子铁芯、永磁体和转子轴一起转动，转子轴带动所述水下装备的螺旋桨旋转。

20、进一步地，所述海水吸入孔与所述环形射流孔的截面积比为3:1。

21、进一步地，为确保转子轴的内壁面强度，所述海水吸入孔与所述环形射流孔之间壁厚不小于8毫米。

22、进一步地，所述转子轴的后段轴体通过设置在水下装备尾部舱段内的一滑动轴承与尾部舱段连接，该滑动轴承一端面与尾部舱段内端面贴合；

23、所述尾部舱段腔室内径向设有与尾部舱段本体固定连接的固定支架，所述转子轴的中段轴体与所述固定支架中心孔通过另一滑动轴承连接。

24、进一步地，所述固定支架整体为圆盘状，固定支架上沿轴线开设中心孔，通过滑动轴承与转子轴外壁连接；

25、所述固定支架侧壁径向设有若干连接杆，连接杆端部与设置在电机舱段内壁上的凸耳连接。

26、本发明还提供上述散热电机系统的设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

27、步骤1：根据水下装备电机舱段空间和整体重量要求，为电机舱段配置电机，确定电机的电磁结构；

28、建立电机与水下装备壳体的仿真模型，初始设定所述模型中散热流道的结构参数；所述结构参数包括双螺旋流道的螺距、深度、截面尺寸和螺旋倾角，以及海水吸入孔和环形射流孔的截面尺寸；

29、初始设定所述海水吸入孔与环形射流孔截面积比为1；

30、步骤2：通过仿真计算，获取电机在水下装备以不同航速vi高速航行工作时，散热流道的温度场参数，以及定子绕组、定子铁芯和转子铁芯的最高温度ti；其中i=1，2，3，…，n；

31、步骤3：基于步骤2得到的温度场参数，判断在不同航速vi下，定子绕组、定子铁芯和转子铁芯的最高温度ti是否满足电机设计要求，若满足，则进入步骤5；否则，进入步骤4调整散热流道参数；

32、步骤4：以缩小双螺旋流道螺距和/或增大双螺旋流道截面尺寸的方式调整所述散热流道参数，调整后在电机舱段壳体满足强度设计要求的情况下，返回执行步骤2和步骤3，判断定子绕组、定子铁芯和转子铁芯的最高温度ti是否满足电机设计要求，若满足则进入步骤5；否则，返回步骤1，重新确定电机的电磁结构；

33、步骤5：计算获取双螺旋流道的沿程流阻和散热流道弯折处的局部流阻，并判断沿程流阻和局部流阻是否处于水泵的q-h特性曲线（q为水泵的流量，h为水泵的扬程）范围之内，若是，则获得所需散热电机系统；否则，调节所述海水吸入孔与环形射流孔的截面尺寸，直至调节后能够使双螺旋流道的沿程流阻及散热流道弯折处的局部流阻处于水泵的q-h特性曲线范围之内。

34、进一步地，步骤5中调节所述海水吸入孔与环形射流孔的截面尺寸的具体过程为：

35、步骤5.1：设定海水吸入孔与环形射流孔截面积比的调节步进，基于调节步进，计算获得海水吸入孔与环形射流孔的截面尺寸；

36、步骤5.2：通过仿真计算，获取双螺旋流道的沿程流阻和散热流道弯折处的局部流阻，判断沿程流阻和局部流阻是否处于水泵的q-h特性曲线范围之内：

37、若是，则按照步骤5.1不断增大海水吸入孔与环形射流孔的截面积比，直至沿程流阻和局部流阻大于水泵的q-h特性曲线范围的最大值；

38、若否，则此时海水吸入孔与环形射流孔的截面积比为极限比例，取处于水泵的q-h特性曲线范围内的最大海水吸入孔与环形射流孔的截面积比，作为海水吸入孔与环形射流孔的最优截面积比，并以此最优截面积比计算获得所述海水吸入孔与环形射流孔的截面尺寸。

39、本发明的优点是：

40、1．本发明中水泵设置在电机转子轴上，以转子轴中心孔作为海水吸入孔，水下装备电机舱段壳体内壁上开设双螺旋流道，双螺旋流道与定子组件外壁接触，设置在转子轴端部的水泵在电机驱动下将海洋水通过转子轴中心孔吸入，直接对转子组件进行散热冷却；海洋水通过水泵流道出口与双螺旋流道连通，实现对定子组件散热冷却；双螺旋流道输出口通过设置在电机后端盖上的液流流道与转子轴上的环形射流孔连通，使冷却废水排向海洋。本发明充分利用了水下装备自身空间资源，无需额外配备散热装置，在大大减轻了水下装备电机舱段重量的情况下，使得冷却系统在不同航行工况下对电机转子组件和定子组件实现冷却，确保了电机安全运行。水泵在电机转子轴驱动作用下工作，使得冷却系统被动地根据所述电机的输出功率自适应地对电机进行冷却。此外，由于本发明中双螺旋流道开设在水下装备电机舱段壳体内壁上，水下装备电机舱段壳体替代电机壳体，在通过双螺旋流道内海水冷却的同时，电机舱段外壁直接与海洋接触实现热量交换，大大提高了散热流道的散热效果。

41、2．本发明中双螺旋流道对称设置，海水通过双螺旋流道对向流动，增加了流体的湍流效应，有利于流体的均匀分布，加快了电机及电机舱段内热量的传递和散发，提高了电机冷却效果，确保了电机的使用安全性。

42、3．本发明中双螺旋流道输出口通过第二连接流道与开设在转子轴上的环形射流孔连通，所述环形射流孔与转子轴的中心孔同轴设计，使得冷却废水在排出的同时能够给水下装备提供轴向的推动力，大大提高了航行器动力系统的工作效率。

43、4．本发明散热电机系统不仅适用于水下航行器，例如auv、uuv，也适用于鱼雷等其他水下装备。其中，auv为自主式水下潜器(autonomous underwater vehicle，简称auv)，uuv为无人水下航行器（unmanned underwater vehicle，简称uuv）。