一种适用于长时间高效航行的水下对转电机及其控制方法、水下装置

本发明属于水下装备电机设计，具体涉及一种使用于长时间高效航行的水下对转电机及其控制方法、水下装置。该水下对转电机可根据不同的工况切换输出轴。

背景技术：

1、当前，无人水下航行器(unmanned underwater vehicle，uuv)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uuv的航行提供动力。常见的电机都可以用作水下航行器的推进电机，而水下航行器的设计需要在有限的航行器空间中获得更大的功率密度和扭矩密度，因此有着输出功率高，占用空间小优点的对转电机被广泛用于水下航行器中，此外，对转电机还能够满足航行器螺旋桨的需要，实现同轴反向双输出。

2、本领域中，水下航行器高速通常指的是大于舰船的航速，一般大于30kn，之所以设置为该速度，是因为只有高于舰船速度，才能实现和己方舰船的协同作业或者对他方舰船进行打击，航行器低速指的是5kn左右。uuv在航行时，所受到的航行阻力与速度的平方成正比，而所需要的电机功率与速度的立方成正比，因此在低速工况时，所需要的电机扭矩小，在高速工况时，所需要的转矩和功率会急剧增大，所要求的电机转速也剧增，而电机在长时间工作下，其换向器滑刷的磨损与动摩擦会十分严重，甚至可能产生电火花，不利于电机和水下航行器的正常运行。

3、中国专利申请cn116207917a公开了一款永磁同步电机，电机采用双轴输出，能够实现直驱以及输出双螺旋桨的功能，但是在面临水下装备长时间航行时，电刷长时间工作难免发生磨损，进而导致电刷寿命缩减；此外，在低速工况下，电机双轴输出，不仅动摩擦损耗严重，而且电机效率也较低，损耗较大。

4、为此，本发明认为有必要对现有的水下对转电机进行优化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有水下对转电机长时间工作时不仅存在电刷磨损、寿命缩减，还存在双轴动摩擦损耗严重，且电机效率较低的不足之处，而提供一种适用于长时间高效航行的水下对转电机及其控制方法、水下装置。

2、本发明的构思：

3、对转电机具有输出功率高，占用空间小的优点，能够满足航行器螺旋桨的需要，实现同轴反向双输出，提升水下装备的效率，但结合现有对转电机存在的问题，本发明研究团队认为并非在水下装备整个工况下电机都能达到较高的功率利用率，应从能耗方面，考虑如何最大化利用电机输出效率；加之，水下装备的航行分为低速巡航和高速打击，在整个工作周期中，低速巡航作为主要工况(即uuv绝大多数都是在低速巡航中)，对于整个水下对转电机的运行状态影响较大，而长时间的低速巡航必然会引发电刷与滑环的持续摩擦，导致电刷磨损和寿命缩减。因此，本发明研究团队拟通过优化电机结构以及控制策略，期望水下对转电机能够在不同工况下进行合理的动力配置，减少电刷磨损同时提升电机功率的利用率。

4、基于上述发明构思，为实现发明目的，本发明的技术方案具体如下：

5、一种适用于长时间高效航行的水下对转电机，其特殊之处在于：包括对转电机本体以及电磁离合器；

6、所述对转电机本体包括电机壳体、旋转变压器、电刷、滑环以及同轴设置的内轴、外轴、内转子组件和外转子组件；

7、其中，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、所述电磁离合器、旋转变压器以及滑环由外向内依次安装在内轴的非驱动端，且电磁离合器同时也与电机壳体端部连接，电刷对应于滑环安装在电机壳体上；其中，电刷和滑环配合为电机提供电能，旋转变压器则用于检测转子位置信号，便于电机控制；

9、电磁离合器接合时，电机壳体与内轴抱紧，内轴停止转动，对转电机仅通过外轴输出；

10、电磁离合器断开时，电机壳体与内轴松开，对转电机通过内轴和外轴实现同轴反向双输出；

11、进一步地，定义：对转电机动力输出的方向为后侧；

12、所述电机壳体包括依次连接的电机壳体前端盖、电机机壳以及电机壳体后端盖，即电机壳体前端盖与电机壳体后端盖将电机机壳夹紧固定；

13、所述内轴和外轴同轴安装在电机壳体内，且外轴套装在内轴的输出端上，能够相对于内轴和电机壳体转动；

14、所述内转子组件包括内转子和内转子支架；外转子组件包括外转子和外转子支架；

15、所述内转子通过内转子支架同轴固定在内轴上；

16、所述外转子通过外转子支架同轴套设在内转子组件的外侧；外转子支架后端固定在外轴端部，前端与内轴转动连接。

17、进一步地，所述电机机壳通过连接法兰同轴安装在水下装备电机舱段壳体内。

18、同时，本发明还提供了上述适用于长时间高效航行的水下对转电机的控制方法，其特殊之处在于，包括以下情况：

19、情况一：

20、接合电磁离合器，内轴抱紧，对转电机仅通过外轴输出动力时，实时采集水下装备的航速(启动水下装备时，应接合电磁离合器，仅通过外轴输出)：

21、若需要加速则加大此时对转电机电压，若需要减速则减小此时对转电机电压；

22、当水下装备航速大于等于阈值时，检测水下装备的加速度：

23、若根据加速度判断水下装备长时间(比如：10s)处于加速状态，则断开电磁离合器，此时内转子组件会逐渐加速直至与外转子组件同速反向，使对转电机切换为双轴反向输出动力；

24、若根据加速度判断水下装备长时间(比如：10s)处于匀速状态，则保持电磁离合器接合，对转电机仍仅通过外轴输出动力；

25、若根据加速度判断水下装备长时间(比如：10s)处于减速状态，则保持电磁离合器接合，对转电机仍仅通过外轴输出动力，并减速至目标航速；

26、所述阈值是指单轴输出效率大于双轴输出效率时对应的水下装备最高航速；也就是说，一般情况下，水下装备航速小于该最高航速时，对转电机单轴输出效率高于双轴输出效率，水下装备航速大于该最高航速时，对转电机单轴输出效率低于双轴输出效率，水下装备航速等于该最高航速时，虽说对转电机单轴输出效率高于双轴输出效率，但需根据具体情况(因水下装备的工况主要分为低速巡航和高速打击，其他工况出现的周期占整个水下装备工作周期中极少的一部分，加之，海上航行环境复杂，航速势必会有所波动，因此在控制动力输出时，应兼顾质量和效率，通过航速和加速度共同进行判断)，进行单轴输出和双轴输出的控制，防止短时间内频繁切换；

27、情况二：

28、断开电磁离合器，对转电机为双轴反向输出时，实时采集水下装备的航速(此种状态基本为水下装备航速大于阈值时)：

29、若需要加速则加大此时对转电机电压，若需要减速则减小此时对转电机电压；

30、当水下装备航速小于等于阈值时，检测水下装备的加速度：

31、若根据加速度判断水下装备长时间(比如：10s)处于加速状态，则保持电磁离合器断开，对转电机仍为双轴反向输出动力，并加速至目标航速；

32、若根据加速度判断水下装备长时间(比如：10s)处于匀速状态，则保持电磁离合器断开，对转电机仍为双轴反向输出动力；

33、若根据加速度判断水下装备长时间(比如：10s)处于减速状态，则接合电磁离合器，内轴抱紧，此时对转电机切换为仅通过外轴输出，并减速至目标航速；

34、情况三：

35、当对转电机内轴所接合的螺旋桨无法正常工作时，则接合电磁离合器，将内轴抱紧，对转电机仅通过外轴输出动力。

36、进一步地，所述阈值为10kn，即在10kn以下，对转电机单轴输出效率高于对转电机双轴输出效率；在10kn以上，对转电机单轴输出效率低于对转电机双轴输出效率；在进行加速度判断时，以0作为判断依据，且持续检测加速度大小的时长不少于10s；

37、若通过航速和加速度的共同判断，适合单轴输出时，则采用单轴输出，此时电刷停止旋转，能够增加电刷的使用寿命；待单轴输出不再适合作为动力输出方式时，则采用常规永磁对转电机的动力输出方式来接管动力。

38、此外，本发明还提供了一种水下装备，采用上述适用于长时间高效航行的水下对转电机作为动力系统，并根据上述控制方法进行控制。该水下装备为水下航行器。

39、本发明的工作原理：

40、本发明在现有对转电机的基础上仅增加了一个电磁离合器，不仅可以为水下装备提供两种不同的动力供应模式，提高水下装备整个工作周期内动力推进系统的功率利用率，还能够从根本上解决目前棘手的对转电机电刷磨损和双轴动摩擦损耗严重的问题。

41、当电磁离合器断开时，内轴与外轴反向同轴输出，并将动力分别输送到输出内轴和输出外轴，进而输送到对应的螺旋桨上；该对转电机的工作状态适合短时的高速工况。

42、当电磁离合器接合时，内轴与电机壳体的前端(即电机壳体前端盖)抱紧，此时，只有外转子组件旋转，内转子组件不动且电刷滑环无相对运动，即对转电机的动力只通过外轴传输到输出外轴以及相应的螺旋桨上；该对转电机的工作状态适合长时的低速工况(低速工况为水下装备的主要工况)，不仅电刷无磨损，大幅延长使用寿命，双轴间也无动摩擦磨损。

43、本发明相较于常规永磁对转电机的优点：

44、1.本发明构思巧妙、优化手段简单、电机结构改动较小，仅通过一个电磁离合器便能够提升整个工作周期对转电机的功率利用率，还大大降低电刷磨损以及双轴动摩擦损耗，延长使用寿命以及减少维护成本。本发明对转电机具有两种动力组合，可以根据实际需求选择合适的动力配置，切换动力输出，提高水下装备在各种环境下的适应性和灵活性。

45、2.本发明利用控制策略，通过合理组合两种动力，可以充分发挥不同动力的优点，在低速工况时使用单轴输出可以提高整个系统的效率和续航能力。同时还能够应对可能因故障导致水下装备无法正常工作的情况，即使其中一种动力出现故障，其他动力仍然能够继续提供动力支持，增加了航行的安全性和可靠性；

46、3.常规永磁同步对转电机内转子和外转子同时旋转，电刷滑环需要随着电机一直工作，而本发明对转电机在低速工况时抱紧内轴，只旋转外转子永磁体，电刷滑环并无相对滑动，能够减小动摩擦和电火花的产生，增加电刷的使用寿命和可靠性。