推进电机简介

右图是集成电机推进器结构图。集成电机推进器由集成电机，导流罩，转子叶片和静叶栅组成。电机用于直接驱动螺旋桨，电机的转子和泵喷推进器的转子设计为一体，电机磁钢安装在转子轮缘上，转子通过轴承安装在安装轴上，可以绕轴自由转动。电机的定子和推进器导流罩设计为一体，电机的电枢铁心安装固定在导流罩内。电机的转子和定子需要分别进行绝缘和密封处理，整个电机工作在水中，电机的散热问题可以得到很好的解决。推进器的静叶栅安装在转子的后方，用于消除液流的旋转运动，平衡扭矩。集成电机推进模块(IMP)通过安装轴可以比较方便的安装在水下航行器上，电机电缆通过导流罩，静叶栅和安装轴中的通道与电机控制装置连接。控制装置安装在水下航行器内部，由计算机控制。

集成电机推进器电机的主要技术指标如下:

(1 )额定输出功率:P≈160w;( 2)额定电流 :IN<7A;( 3)额定电压:u =48V; (4)工作转速:no≈750rpm; (5)工作状态:长期运行;(6)外形尺寸:φ137mm X L30mm推进器可以完成启动，调速，制动等一系列动作。

无刷直流电动机 (永磁同步电动机)是集成电机推进器的本体，是控制器和转子位置传感器于一身的机电一体化的电机，因而对于给定的技术指标，首先应从整个系统的角度出发确定总体方案，包括以下几个方面。

1、特种电机的电磁结构设计

磁路设计是要求计算出稀土永磁体的尺寸、外磁路特性，并作出永磁体工作图，求出工作点的气隙磁感应强度及气隙总磁通。在具体设计计算中，主要是确定其磁化方向厚度以确定永磁体去磁曲线坐标值。

集成电机设计为方波电动机，要求是获得方波气隙磁感强度，瓦片永磁体的充磁方向为径向激磁，极弧宽度大于120°电角度，在换向允许的条件下，极弧宽度应尽量取大，这样可减小力矩波动。

2、集成电机结构设计

集成电机是集成在推进器内部的，所以推进器的结构对电机定子和转子的结构有了很大的限制，电机的设计要与推进器外形的设计相结合，设计推进器的外观见图。由于IMP特殊的需要，使用在泵喷推进的电机是一个扁平型的电机，它在结构上有以下特点:

(1)由于泵喷推进器需要有足够大的过流面积，这就对电机的定子轭、转子轭和磁极的厚度有一定的限制。在电机设计允许的情况下，要求使电机定子轭和转子轭厚度尽量小，电机齿的高度尽量小(这部分是安放在导流罩内部的，受到导流罩壁厚度的尺寸限制)。但是，如果电机磁路中定予轭和转圈子轭的厚度过小，磁场会很容易达到饱和状态，使电机气隙磁感应强度B s降低，不能达到良好的工作状态。

3、电机的驱动和控制电路设计

(1)电机的电枢绕组和开关主电路设计

目前最常用的无刷电机绕组形式为三相绕组。对于逆变器，三相桥式换向电路可实现较好的电机性能。集成电机的使用电压为48V直流电源，采用一个整体的RCD缓冲电路。电机的电枢绕组采用星形绕组，相数为三相，绕组形式采用整距集中绕组。逆变器接法采用桥式接法，使用6个MOSFET功率场效应管做驱动元件组成三相桥式逆变器，其中三个为P沟道，三个为N沟道。电机的工作方式为两相导通三相六状态，每隔60度电角度改变一次通电状态。

(2)电机的控制技术

集成电机推进器在水下工作，受到水流的影响使电机的转矩会有较大的波动，电机工作转速较低并且集成电机推进器在使用中可能会频繁启动，这种工作情况不适合无传感器无刷电机，考虑以上情况在设计中无刷电机设计为带位置传感器(霍尔元件)的无刷电机。

目前控制电路主要有以下几种形式:①分立元件全模拟电路;②数模混合控制电路;③智能集成控制电路;④全数字控制电路。其中分立元件电路在许多经济实用型无刷直流电动机中起主导地位，但电机的可靠性和性能受到影响。专用集成电路克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小，克靠性高，对于特定环境下完成特定功能，其缺点是扩展性较差。

1、电机磁路

磁路概念的建立是基于铁磁物质的磁导率大大地超过了非铁磁物质的磁导率。也就是说，由磁导率大的导磁体构成磁通的路径。通常按照安排的路径而闭合的磁通称为主磁通中，而不按照这种路径闭合的磁通称为漏磁通。漏磁通的计算比较困难，近似计算也比较复杂。在电机磁路计算中漏磁通中，一般按经验取值。

2、电机设计结果的校核

一般的磁路设计方法是建立在磁路分析基础上的，所用的磁路等效计算方法往往难以准确的计算磁场的分布，这样可能会造成永磁的浪费或电机磁场分布不合理。比如定子或转子局部尺寸不合理造成的磁场分布不合理，在传统设计方法中就是较难发现的。如果使用有限元方法对电机进行磁路校核，就可以比较好的避免传统设计方法的一些缺点。目前，随着有限元软件的通用化和商业化，有限元方法在电机设计和分析中应用的越来越广泛。

控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心。一般的无刷电机控制系统主要由:转速给定、速度反馈、转子位置传感器信号、主控单元、驱动电路、主功率电路等部分组成，其系统框图如图所示。

控制系统有数字系统和模拟系统两种方案。在模拟系统中，利用专用控制芯片，无需软件介入，安装芯片的连接方法添加外部电路，控制电机的运行。在数字系统中，利用单片机或PC104采集给定转速和电机的实图无刷电机系统际转速，由程序进行分析和比较，输出驱动信号从而达到控制电机的目的。由此可见模拟系统的结构比较简单，无需编程;数字系统结构相对复杂，但是通用性比较强，适应于将来的改进。

1.特种电机做了水密处理，整个电机的机械部分可以在水中工作，对于水下推进器装置来说是一种创新。

2. 设计的集成电机推进器原理样机，通过简单的改装就可以安装在水下航行器上。相比该航行器原来使用的推进系统来说，集成电机推进器只占用了航行器内部很小的体积(安装推进器控制电路)，这样大大的增加了航行器有效容积。由于节省下来的内部空间可以用于安放仪器或电池，所以有助于提高航行器执行任务的能力和航程。

3. 整个集成电机推进系统可以后期安装，便于维护。集成电机推进系统可以作为整个航行器系统的一个模块，这样节省了航行器的制造周期，也有较强的通用性。

4. 集成电机推进系统省去了普通推进系统需要的联轴节等传动装置，并且不用考虑电机本体的散热问题，使整个系统有较高的可靠性。