推進電機

右圖是集成電機推進器結(jié)構(gòu)圖。集成電機推進器由集成電機，導(dǎo)流罩，轉(zhuǎn)子葉片和靜葉柵組成。電機用于直接驅(qū)動螺旋槳，電機的轉(zhuǎn)子和泵噴推進器的轉(zhuǎn)子設(shè)計為一體，電機磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子輪緣上，轉(zhuǎn)子通過軸承安裝在安裝軸上，可以繞軸自由轉(zhuǎn)動。電機的定子和推進器導(dǎo)流罩設(shè)計為一體，電機的電樞鐵心安裝固定在導(dǎo)流罩內(nèi)。電機的轉(zhuǎn)子和定子需要分別進行絕緣和密封處理，整個電機工作在水中，電機的散熱問題可以得到很好的解決。推進器的靜葉柵安裝在轉(zhuǎn)子的后方，用于消除液流的旋轉(zhuǎn)運動，平衡扭矩。集成電機推進模塊(IMP)通過安裝軸可以比較方便的安裝在水下航行器上，電機電纜通過導(dǎo)流罩，靜葉柵和安裝軸中的通道與電機控制裝置連接。控制裝置安裝在水下航行器內(nèi)部，由計算機控制。

集成電機推進器電機的主要技術(shù)指標如下:

(1 )額定輸出功率:P≈160w;( 2)額定電流 :IN<7A;( 3)額定電壓:u =48V; (4)工作轉(zhuǎn)速:no≈750rpm; (5)工作狀態(tài):長期運行;(6)外形尺寸:φ137mm X L30mm推進器可以完成啟動，調(diào)速，制動等一系列動作。

無刷直流電動機 (永磁同步電動機)是集成電機推進器的本體，是控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器于一身的機電一體化的電機，因而對于給定的技術(shù)指標，首先應(yīng)從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)確定總體方案，包括以下幾個方面。

1、特種電機的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁路設(shè)計是要求計算出稀土永磁體的尺寸、外磁路特性，并作出永磁體工作圖，求出工作點的氣隙磁感應(yīng)強度及氣隙總磁通。在具體設(shè)計計算中，主要是確定其磁化方向厚度以確定永磁體去磁曲線坐標值。

集成電機設(shè)計為方波電動機，要求是獲得方波氣隙磁感強度，瓦片永磁體的充磁方向為徑向激磁，極弧寬度大于120°電角度，在換向允許的條件下，極弧寬度應(yīng)盡量取大，這樣可減小力矩波動。

2、集成電機結(jié)構(gòu)設(shè)計

集成電機是集成在推進器內(nèi)部的，所以推進器的結(jié)構(gòu)對電機定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有了很大的限制，電機的設(shè)計要與推進器外形的設(shè)計相結(jié)合，設(shè)計推進器的外觀見圖。由于IMP特殊的需要，使用在泵噴推進的電機是一個扁平型的電機，它在結(jié)構(gòu)上有以下特點:

(1)由于泵噴推進器需要有足夠大的過流面積，這就對電機的定子軛、轉(zhuǎn)子軛和磁極的厚度有一定的限制。在電機設(shè)計允許的情況下，要求使電機定子軛和轉(zhuǎn)子軛厚度盡量小，電機齒的高度盡量小(這部分是安放在導(dǎo)流罩內(nèi)部的，受到導(dǎo)流罩壁厚度的尺寸限制)。但是，如果電機磁路中定予軛和轉(zhuǎn)圈子軛的厚度過小，磁場會很容易達到飽和狀態(tài)，使電機氣隙磁感應(yīng)強度B s降低，不能達到良好的工作狀態(tài)。

3、電機的驅(qū)動和控制電路設(shè)計

(1)電機的電樞繞組和開關(guān)主電路設(shè)計

目前最常用的無刷電機繞組形式為三相繞組。對于逆變器，三相橋式換向電路可實現(xiàn)較好的電機性能。集成電機的使用電壓為48V直流電源，采用一個整體的RCD緩沖電路。電機的電樞繞組采用星形繞組，相數(shù)為三相，繞組形式采用整距集中繞組。逆變器接法采用橋式接法，使用6個MOSFET功率場效應(yīng)管做驅(qū)動元件組成三相橋式逆變器，其中三個為P溝道，三個為N溝道。電機的工作方式為兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)，每隔60度電角度改變一次通電狀態(tài)。

(2)電機的控制技術(shù)

集成電機推進器在水下工作，受到水流的影響使電機的轉(zhuǎn)矩會有較大的波動，電機工作轉(zhuǎn)速較低并且集成電機推進器在使用中可能會頻繁啟動，這種工作情況不適合無傳感器無刷電機，考慮以上情況在設(shè)計中無刷電機設(shè)計為帶位置傳感器(霍爾元件)的無刷電機。

目前控制電路主要有以下幾種形式:①分立元件全模擬電路;②數(shù)模混合控制電路;③智能集成控制電路;④全數(shù)字控制電路。其中分立元件電路在許多經(jīng)濟實用型無刷直流電動機中起主導(dǎo)地位，但電機的可靠性和性能受到影響。專用集成電路克服了分立元件帶來的弊端，使控制電路體積小，克靠性高，對于特定環(huán)境下完成特定功能，其缺點是擴展性較差。

1、電機磁路

磁路概念的建立是基于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率大大地超過了非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率。也就是說，由磁導(dǎo)率大的導(dǎo)磁體構(gòu)成磁通的路徑。通常按照安排的路徑而閉合的磁通稱為主磁通中，而不按照這種路徑閉合的磁通稱為漏磁通。漏磁通的計算比較困難，近似計算也比較復(fù)雜。在電機磁路計算中漏磁通中，一般按經(jīng)驗取值。

2、電機設(shè)計結(jié)果的校核

一般的磁路設(shè)計方法是建立在磁路分析基礎(chǔ)上的，所用的磁路等效計算方法往往難以準確的計算磁場的分布，這樣可能會造成永磁的浪費或電機磁場分布不合理。比如定子或轉(zhuǎn)子局部尺寸不合理造成的磁場分布不合理，在傳統(tǒng)設(shè)計方法中就是較難發(fā)現(xiàn)的。如果使用有限元方法對電機進行磁路校核，就可以比較好的避免傳統(tǒng)設(shè)計方法的一些缺點。目前，隨著有限元軟件的通用化和商業(yè)化，有限元方法在電機設(shè)計和分析中應(yīng)用的越來越廣泛。

控制器是無刷直流電機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心。一般的無刷電機控制系統(tǒng)主要由:轉(zhuǎn)速給定、速度反饋、轉(zhuǎn)子位置傳感器信號、主控單元、驅(qū)動電路、主功率電路等部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖所示。

控制系統(tǒng)有數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)兩種方案。在模擬系統(tǒng)中，利用專用控制芯片，無需軟件介入，安裝芯片的連接方法添加外部電路，控制電機的運行。在數(shù)字系統(tǒng)中，利用單片機或PC104采集給定轉(zhuǎn)速和電機的實圖無刷電機系統(tǒng)際轉(zhuǎn)速，由程序進行分析和比較，輸出驅(qū)動信號從而達到控制電機的目的。由此可見模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，無需編程;數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但是通用性比較強，適應(yīng)于將來的改進。

1.特種電機做了水密處理，整個電機的機械部分可以在水中工作，對于水下推進器裝置來說是一種創(chuàng)新。

2. 設(shè)計的集成電機推進器原理樣機，通過簡單的改裝就可以安裝在水下航行器上。相比該航行器原來使用的推進系統(tǒng)來說，集成電機推進器只占用了航行器內(nèi)部很小的體積(安裝推進器控制電路)，這樣大大的增加了航行器有效容積。由于節(jié)省下來的內(nèi)部空間可以用于安放儀器或電池，所以有助于提高航行器執(zhí)行任務(wù)的能力和航程。

3. 整個集成電機推進系統(tǒng)可以后期安裝，便于維護。集成電機推進系統(tǒng)可以作為整個航行器系統(tǒng)的一個模塊，這樣節(jié)省了航行器的制造周期，也有較強的通用性。

4. 集成電機推進系統(tǒng)省去了普通推進系統(tǒng)需要的聯(lián)軸節(jié)等傳動裝置，并且不用考慮電機本體的散熱問題，使整個系統(tǒng)有較高的可靠性。