水下機器人的集成電機推進(jìn)器流固熱耦合分析

鄭戈清，鄭躍洲

（1.浙江石油化工有限公司,舟山 316000；2. 中集海洋工程有限公司，深圳 518000）

1 前言

集成電機推進(jìn)器的硬件主要包括永磁無刷電機、導(dǎo)管、槳葉和軸承等。其中電機內(nèi)置于導(dǎo)管內(nèi)，電機的轉(zhuǎn)子與槳葉集成為一體。

目前國外已有多家公司推出商業(yè)化的集成電機推進(jìn)器產(chǎn)品。例如：美國Schilling Robitics公司、英國Rolls-Royce公司、挪威Brunvoll公司、荷蘭Vander Velden Marine System公司、德國Schottel公司和Vioth公司等；國內(nèi)廣州海工已經(jīng)實現(xiàn)無軸輪緣推進(jìn)器的產(chǎn)品化，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，并在多種船型上得到應(yīng)用。這些輪緣推進(jìn)器大多采用電力驅(qū)動和永磁無刷電機，設(shè)計功率由幾千瓦到幾萬千瓦。其中，永磁無刷電機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，運行過程中有一定的能量損失，而損失的能量大多是以電能轉(zhuǎn)換成熱能的形式擴散。電機熱設(shè)計的好壞，將影響電機和推進(jìn)器的性能和使用壽命，是電機設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。永磁無刷電機的溫度過高，會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)子上的永磁體消磁，還會減弱繞組的漆包線絕緣能力，從而降低電機的工作精度。

目前，對于集成電機推進(jìn)器的研究，集中在推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)、電機電磁設(shè)計和水動力性能優(yōu)化上。本研究對有槳軸型集成電機推進(jìn)器的冷卻通道進(jìn)行數(shù)值仿真分析，分析了影響推進(jìn)器電機散熱的因素，為集成電機推進(jìn)器的設(shè)計研制提供依據(jù)。

推進(jìn)裝置一直都是水面和水下航行器的重要組成部分，而效率高、噪音低、振動小、可靠性高、空間利用率高、布置方便和維護(hù)操作靈活的集成電機推進(jìn)器，如將其應(yīng)用于水下機器人，可以有效克服由于傳統(tǒng)螺旋槳的轉(zhuǎn)矩作用而產(chǎn)生的橫滾現(xiàn)象，是水下機器人理想的推進(jìn)器選擇。隨著電機、傳感器、水下通訊和控制等技術(shù)的發(fā)展，水下機器人將成為人類探索深海和開發(fā)海洋資源的重要工具，并將在多個領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用，比如深?？睖y、海底打撈、海洋油氣開發(fā)、水下結(jié)構(gòu)檢測和設(shè)施運維、海洋牧場和海洋娛樂等。

2 集成電機推進(jìn)器的電機設(shè)計參數(shù)

依據(jù)集成電機推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)特點，集成電機推進(jìn)器可以分為無槳軸型和有槳軸型[6]兩種，如圖1所示。兩者的原理類似，都使用永磁無刷電機，無需齒輪箱、減速器、連軸器等。它們的主要區(qū)別是槳葉的支撐結(jié)構(gòu)，前者位于導(dǎo)管內(nèi)，后者位于導(dǎo)管外。因此推進(jìn)器的體積相同時，無槳軸型集成電機推進(jìn)器的流阻更小，水動力性能更佳，但有槳軸型集成電機推進(jìn)器能承受更大的功率。

圖1 無槳軸型和有槳軸型集成電機推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)形式

本文研究有槳軸型集成電機推進(jìn)器，采用永磁無刷直流電機。其主要設(shè)計參數(shù)為：電源電壓48 V、電機額定功率4 kW、額定轉(zhuǎn)速994 r/min、螺旋槳直徑D300 mm、槳葉數(shù)4、電機定子槽數(shù)63、定子內(nèi)徑337 mm、定子外徑390 mm；采用NdFe35永磁體，厚度5 mm、轉(zhuǎn)子極數(shù)56、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑310 mm、轉(zhuǎn)子外徑335.5 mm、電樞長度30 mm；定子和轉(zhuǎn)子鐵芯的材質(zhì)為DW310-35硅鋼，導(dǎo)管和螺旋槳的材質(zhì)為5083鋁合金。

通過Ansoft RMxprt使用磁路法設(shè)計集成電機推進(jìn)器的永磁無刷電機，并且得到集成電機推進(jìn)器在額定工作時的功率損耗情況，如表1所示。為了簡化流固耦合傳熱計算，只考慮鐵芯損耗和電樞銅耗，忽略線圈繞組，將鐵芯損耗和電樞銅耗集中在電機定子上考慮。

表1 電機功率損耗

3 影響電機散熱的因素

3.1 準(zhǔn)備工作

本文的研究方法是采用基于有限體積法的移動參考系法。使用六面體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格、標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型。流體區(qū)域的物理模型設(shè)置為三維、重力、分離流、分離流體溫度和布西內(nèi)模型，流體區(qū)域的入口水溫設(shè)置為20 ℃；把電機定子設(shè)置為固體區(qū)域，定義材料的物理屬性，為固體區(qū)域與流體區(qū)域間設(shè)置流固耦合交界面；固體區(qū)域的物理模型設(shè)置為三維、固體、分離固體能量；監(jiān)測IMP的推力、定子的溫度場和導(dǎo)管內(nèi)間隙的速度場；最后將電機定子設(shè)置為熱源，功率為定值，即鐵芯損耗和電樞銅耗之和，總計310 W。

3.2 設(shè)置不同固體區(qū)域?qū)ι岬挠绊?/h3>

圖2為把電機定子設(shè)置為固體區(qū)域的網(wǎng)格（a）和將定子、轉(zhuǎn)子、螺旋槳以及導(dǎo)管設(shè)置為固體區(qū)域的網(wǎng)格（b）。

圖2 設(shè)置不同固體區(qū)域的IMP剖面網(wǎng)格

從圖3和圖4中可以看出：推進(jìn)器運行時，由于槳葉盤前后的壓力差，水通過導(dǎo)管與電機的軸向間隙和徑向間隙流經(jīng)電機的定子和轉(zhuǎn)子，在導(dǎo)管內(nèi)逆時針流動形成循環(huán)回路。推進(jìn)器以額定轉(zhuǎn)速運行時，定子的最高溫度升高約1.2 ℃，定子齒部由于更靠近水流經(jīng)的氣隙，溫度較定子軛部低；導(dǎo)管內(nèi)靠近定子的部分溫度高于20 ℃。可見鋁制導(dǎo)管帶走了部分電機產(chǎn)生的熱量，熱傳遞的方向近似沿著間隙內(nèi)水流的方向；設(shè)置不同固體區(qū)域的定子溫度升高值十分接近，說明導(dǎo)管間隙內(nèi)的水循環(huán)是電機散熱的主要方式。

圖3 設(shè)置不同固體區(qū)域時導(dǎo)管內(nèi)溫度場

圖4 電機定子溫度場

3.3 不同進(jìn)速系數(shù)和轉(zhuǎn)速對散熱的影響

通過改變流場入口速度，設(shè)置不同進(jìn)速系數(shù)。圖5為額定轉(zhuǎn)速時，不同進(jìn)速系數(shù)時電機定子最高溫度隨進(jìn)速系數(shù)變化的曲線。從圖5可以看出：集成電機推進(jìn)器在正常工作時，電機定子最高溫度隨著進(jìn)速系數(shù)J的增加而升高，當(dāng)J=0.6時最高溫度為21.57 ℃，比水溫高1.57 ℃，比進(jìn)速系數(shù)J為0時的定子最高溫度高0.34 ℃，溫度的升高幅度較小。

圖5 定子最高溫度隨進(jìn)速系數(shù)變化曲線

從圖6可以看出：在系泊狀態(tài)下，集成電機推進(jìn)器的導(dǎo)管間隙內(nèi)流體的最大速度隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加而增大。

圖6 IMP周圍流場最大速度隨轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖7可以看出：有槳軸型集成電機推進(jìn)器的推力隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加而變大，而電機定子最高溫度隨螺旋槳轉(zhuǎn)速的增大而降低。這主要是因為隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速增加，抽吸作用加強，使得螺旋槳附近流速增加，間隙內(nèi)水流量增大，帶走了更多電機定子產(chǎn)生的熱量。

圖7 定子最高溫度和IMP推力隨轉(zhuǎn)速變化曲線

3.4 不同軸向間隙對散熱的影響

圖8為有槳軸型集成電機推進(jìn)器散熱計算的模型剖面圖。其中：S1為推進(jìn)器的軸向間隙；S2為推進(jìn)器的徑向間隙。徑向間隙S2也是電機的氣隙高度，為0.75 mm，是影響電機性能的重要參數(shù)，在數(shù)值計算中保持不變。如果減小電機的軸向間隙，會增加推進(jìn)器裝配的難度，而間隙過大會導(dǎo)致電機的性能顯著下降，同時推進(jìn)器工作時容易使異物進(jìn)入間隙內(nèi)。在對比分析中，分別取了四組不同的軸向間隙來分析不同軸向間隙對集成電機推進(jìn)器的推力和電機散熱的影響。四組軸向間隙分別為：2 mm、2.5 mm、3 mm和3.5 mm。

圖8 IMP計算模型間隙流道示意圖

從圖9可以看出：在系泊狀況和電機轉(zhuǎn)速994 r/min時，推進(jìn)器的推力隨著軸向間隙的增大而減??；電機定子溫度隨軸向間隙的增大，先升高再降低。這種現(xiàn)象是由軸向間隙的增大而引起水流量增大和推進(jìn)器的推力減小共同影響產(chǎn)生；推進(jìn)器的推力曲線斜率，隨軸向間隙增加而減小。其中：由2 mm增加到2.5 mm，推力減小1.09%；從2.5 mm增加到3 mm，推力減小0.68%；從3 mm增加到3.5 mm，推力減小0.24%。因此，軸向間隙由2 mm增加到2.5 mm時，由于推進(jìn)器的推力隨軸向間隙增大而減小較快，導(dǎo)致定子溫度升高，但隨著軸向間隙進(jìn)一步的增大，導(dǎo)管內(nèi)間隙的水流量增加，定子溫度開始下降。

圖9 IMP推力和定子溫度隨軸向間隙變化曲線

4 結(jié)論

通過流固耦合熱傳遞方法，可以直接得出進(jìn)速系數(shù)、轉(zhuǎn)速和電機軸向間隙對有槳軸型集成電機推進(jìn)器的推力和電機散熱的影響情況，從而得到如下結(jié)論：集成電機推進(jìn)器的軸向間隙和轉(zhuǎn)速都會影響推進(jìn)器的推力，從而影響電機的散熱；減小軸向間隙，會增大推進(jìn)器的推力，這就要求推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)更緊湊，使加工和裝配難度增加。導(dǎo)管和電機的軸向間隙，是影響推進(jìn)器推力和散熱的重要設(shè)計參數(shù)。