一种水下装备无壳电机

本发明属于水下装备电机，具体涉及一种水下装备无壳电机。

背景技术：

1、随着对海洋领域发展的愈加重视，用于海洋勘探、目标识别和管道检测等的水下装备如自主水下航行器(uuv)被大力研究并广泛应用。水下装备的动力推进系统主要是以电动力为主，使用电池驱动电机来为装备的航行提供动力，因此电机的性能对水下装备而言至关重要。

2、水下装备对其电机的冷却环境恶劣，恶劣的散热条件会导致电机温度升高，不仅缩短电机绝缘材料的寿命还会影响电机工作效率，严重危害电机的安全和稳定。此外，噪声级是水下航行器如潜艇和鱼雷的一项重要性能参数，能够对其自导性和隐蔽性产生极大影响。以鱼雷为例，其攻击隐身为水下隐身作战的重要组成部分，鱼雷辐射噪声大时，敌方舰艇可在较远距离报警，为目标机会规避增加了时间。电机在运行时产生的机械振动噪声，不仅不利于隐蔽性，同时电机振动对电机以及其他元器件的运行稳定性也有很大影响。

3、目前水下装备电机均用电机壳体围封电机部件，对电机的减振采取在装备电机舱段壳体内设置减振装置再将电机壳体安装在减振装置上的方式，这种减振方式下，电机壳体和减振机构会占用装备舱段较大径向空间，不利于水下装备的小型化，而且减振装置既要与舱段壳体连接又要与电机壳体连接，安装复杂，另外，由于电机绕组等的热量先传递至电机壳体，因此对电机的散热普遍针对电机壳体进行，具体是采用在电机壳体上开设冷却流道或在壳体周围布置冷却管的方式，冷却结构设计复杂，且同样可能存在需要占用更多装备舱段空间的问题。

技术实现思路

1、为解决现有水下装备电机所存在的电机壳体、减振和冷却机构占用装备舱段径向空间而不利于装备小型化需求、以及减振和冷却机构安装设计复杂的问题，本技术的申请人设想不对电机设置电机壳体，而提出一种水下装备无壳电机。

2、本发明的发明构思：

3、首先，本发明提出用舱段壳体代替电机壳体来实现电机部件的围封，由于省去了电机壳体，作为电机壳体的舱段壳体可直接与海水进行热交换，与现有方案相比，无需针对电机壳体设计复杂的冷却机构，也避免了冷却机构占用装备舱段空间的问题。

4、在电机不设置电机壳体这一构思下，如何满足电机的减振性能成为一个难题，申请人考虑，为最大限度地避免装备舱段结构修改及产品重量增加，可在原有电机转子法兰盘基础上进行减振机构设计，通过将法兰盘与减振机构一体化设计、具体是使法兰盘的斜齿嵌入高阻尼弹性橡胶圈上的齿槽的方式来实现电机的减振，这种方式可保证电机减振机构及其他部件的安装空间，同时用简单的结构实现了电机减振，安装简便。

5、进一步地，申请人在振动仿真设计和实验过程中发现，采用上述减振措施后，水下装备在以较高速度航行时电机振动频率仍超出了安全振动频率范围，这是由于转子轴转速较高时，电机振动频率大幅提升，减振性能无法满足要求。针对这一新的问题，申请人考虑可以对斜齿的倾斜角度进行优化，以提高减振性能，为此本发明进一步提出了减振机构斜齿角度参数优化设计方法，基于水下装备航速范围的电机转子系统固有频率，对减振橡胶斜齿角度值进行优化设计，实现水下装备在航行阶段的整个航速范围区间内，均能够实现对电机转子系统振动的充分缓冲，在确保电机振动频率在安全振动频率范围内的情况下提升减振效果。

6、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

7、一种水下装备无壳电机，其特殊之处在于：包括转子组件、定子组件、减振端盖和热管；

8、转子组件包括转子轴、转子支架、转子铁芯和永磁体，转子轴能够带动水下装备的螺旋桨旋转，转子轴穿过减振端盖，电机通电时转子支架、转子铁芯和永磁体与转子轴一起转动；

9、定子组件包括定子铁芯和安装至定子铁芯的绕组，定子铁芯与水下装备的电机舱段壳体接触并固连，电机通电时绕组和永磁体能够相互作用而驱动转子轴转动；

10、减振端盖用于对转子轴进行可旋转地支撑，在电机两端各设置一个，分别固连至电机舱段壳体的第一端部和第二端部，并且分别包括环形支架、橡胶圈和法兰盘；

11、环形支架用于将减振端盖连接至电机舱段壳体，且内壁上具有向内突出的多个内斜齿，法兰盘的外壁上具有向外突出的多个外斜齿；

12、橡胶圈的内周壁上布置有用于接纳外斜齿的内齿腔，外周壁上布置有用于接纳内斜齿的外齿腔；

13、热管在绕组的两端各设置一个，以对电机进行散热。

14、进一步地，电机还包括端盖转接件，端盖转接件固定至电机舱段壳体的第二端部，一个减振端盖连接至端盖转接件，以与电机舱段壳体相连。

15、进一步地，在电机舱段壳体的内壁上与绕组的两个轴向端部对应的位置处涂覆有导热硅脂，热管位于导热硅脂中。

16、进一步地，减振端盖中的内斜齿和外斜齿均周向均布，且截面尺寸和倾斜角度相同。

17、进一步地，减振端盖中的内斜齿和外斜齿的倾斜角度参数通过以下步骤进行优化设计：

18、步骤1，计算电机的转子系统的固有频率；

19、步骤2，根据计算出的电机转子系统固有频率，得到各固有频率下电机对橡胶圈施加的轴向力与径向力的比值，由此得到斜齿倾斜角度参数范围，并设定参数选取步长；

20、步骤3，在所确定的斜齿倾斜角度参数范围内选取参数初始值，并建立电机舱段和电机的参数化模型；

21、步骤4，在目标航速范围内按步长选定n个航速点vi，对参数化模型进行运动学仿真并通过噪声检测得到各航速点下电机的振动频率fi，i＝1，2，3，……，n；

22、步骤5，基于步骤4得到的电机振动频率fi，判断在不同航速vi下，电机振动频率fi是否在电机安全振动频率范围内，若是，则进入步骤6；否则，在步骤2的参数范围内调整斜齿倾斜角度参数，并执行步骤4；

23、步骤6，基于不同航速vi下的电机振动频率fi，计算得到电机平均振动频率δf，并保存当前斜齿倾斜角度参数以及对应的电机平均振动频率δf作为一个样本点；

24、步骤7，判断是否遍历步骤2中的斜齿倾斜角度参数范围内的参数值，若否，则返回步骤3，继续采集样本点；若是，则样本点采集完成，进入步骤8；

25、步骤8，通过代理模型对样本点的集合进行近似，并利用优化算法，以航速范围内所有航速点下电机平均振动频率δf最小为优化目标，进行优化参数寻优，当优化算法不断迭代至收敛时，得到满足优化目标的斜齿角度参数。

26、进一步地，步骤1包括：

27、步骤1.1，建立电机转子系统的动力学方程：

28、

29、式中，m、c、k分别为电机转子系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，{x(t)}为电机转子系统的位移矢量，{f(t)}为作用在转子系统上的外力；

30、步骤1.2，忽略系统阻尼，在{f(t)}＝0时：

31、

32、步骤1.3，将{x(t)}＝{u}ejωt代入步骤1.2中的式子，得到：

33、[-ω2[m]+[k]]{u}＝{0}

34、式中，{u}为激励位移矢量，e为自然常数，j为虚数单位，ω为转子轴的角速度；

35、步骤1.4，确定步骤1.3中的式子有解的充分必要条件是：

36、det[-ω2[m]+[k]]＝{0}

37、步骤1.5，求解步骤1.4中的式子，得到电机转子系统的固有频率。

38、进一步地，电机还包括分别容置在两个减振端盖中的套筒，套筒分别用于接纳安装在转子轴上的两个轴承。

39、进一步地，转子支架呈包括内筒和外筒的双筒形状，内筒套设在转子轴上，转子铁芯套在外筒上。

40、本发明的优点是：

41、1、本发明的水下装备无壳电机，定子组件中的定子铁芯与水下装备的电机舱段壳体接触，转子组件中的转子轴通过减振端盖支撑，减振端盖直接固连至电机舱段壳体，在绕组的两端分别设置有热管以对电机进行散热，其中减振端盖中的橡胶圈的内周壁上布置有接纳外斜齿的内齿腔，外周壁上布置有接纳内斜齿的外齿腔，以橡胶圈的受力变形来实现电机的减隔振。因此，本发明提出的电机用舱段壳体代替电机壳体来围封电机部件，省去了电机壳体，避免了电机壳体以及针对电机壳体设计冷却机构而占用装备舱段径向空间的问题，还直接通过减振端盖进行减振，避免了减振机构使装备体积增大，极其有利于水下装备的小型化，同时热管和减振端盖这种冷却和减振机构均安装简便。此外，减振端盖还可用于现有水下装备电机，其可直接替换电机原有端盖，使得可省去复杂的减振机构而以减振端盖这样简单的结构实现电机的减隔振。

42、2、在舱段壳体上与绕组轴向端部对应的位置处涂覆有导热硅脂，且热管位于导热硅脂中，这种在发热量最大的绕组端部处使用热管和导热硅脂结合进行局部散热的方式，提高了电机散热效果，有利于电机及水下装备的工作可靠性。

43、3、本发明还利用斜齿倾斜角度参数优化设计方法对减振端盖中的内斜齿和外斜齿的倾斜角度进行了优化设计，可保证水下装备在航速范围内的高速航行阶段，能将转子系统的振动充分缓冲，在确保电机振动频率在安全振动频率范围内、满足电机减隔振需求的情况下提升减振效果，由此提高电机及水下装备的运行稳定性。