【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下装备电机设计，具体涉及一种具有自冷却功能的水下对转电机系统及水下装备。
技术介绍
1、无人水下航行器（unmanned underwater vehicle，uuv）是指一种主要以潜艇或水面舰船为支援平台，长期在水下自助航行并回收的智能水下装备，能够完成水下勘探、侦测等多种重要任务。uuv一般分为遥控水下航行器和自主水下航行器两类。
2、按照动力类型，uuv又分为电动力推进和热动力推进两大类，但热动力uuv隐蔽性差，控制不精细，相较而言，电动力uuv结构简单，维护成本低，航行的隐蔽性高，噪声小，控制精细。因此，电动力推进成为uuv的主流推进方式。目前常用的电机类型都可以作为水下航行器的推进电机，由于对转电机相对于单转子结构电机，不仅能够同轴反向双输出，还能够满足水下航行器螺旋桨的需求，在相同空间下输出更高的功率，因此，对转电机广泛用于水下航行器的推进。
3、电机在长时间大功率运行时，会产生大量的热量，而uuv电机密封舱段空间有限、散热困难；此外，随着对于uuv推进性能的要求越来越高，功率密度和扭矩密度的要求也随之增加，这同样会间接地导致电机损耗密度增加，若散热系统无法满足更高功率下的工作情况，会进一步导致电机温度失控，严重情况下可能导致电机内部永磁体的去磁化、效率降低、材料老化，甚至是电机直接烧毁，所以随着推进性能要求的提升，水下航行器电机的散热也成为了重中之重。
4、uuv的对转电机在工作时，定子和转子高速旋转，产生热量的热源是绕组中的铜耗和铁芯中的铁耗，其高温部分主要集中
5、鉴于此，本专利技术研究团队认为有必要探究一种具有自冷却功能的对转电机系统，能够在解决高速运转下绕组散热问题的同时，确保水下装备的推进性能。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决现有针对水下装备电机高速运转下对绕组进行散热时无法确保水下装备推进性能的问题，而提供一种具有自冷却功能的水下对转电机系统及水下装备。
2、本专利技术的构思：
3、uuv的航行分为低速巡航和高速打击；低速巡航时，电机发热较小可忽略不计，且工作时全程在水中，不需要散热措施；而高速打击时，电机功率可达到低速巡航时的上百倍，发热严重、急需散热，因此，本专利技术研究团队在综合考虑低速巡航和高速打击两种工况下电机散热和水下装备推进性能后，设计了一款具有自冷却功能的对转电机系统，其采用“被动泵+闭式冷却”的方式，通过电磁离合器来控制被动泵与内轴之间的动力接合关系，使其能够根据水下装备航速进行自适应冷却，在低速巡航不需要散热措施时，断开电磁离合器，关闭冷却功能，降低能耗，确保水下装备更长的航程；在高速打击急需散热时，则接合电磁离合器，使得被动泵的转子与内轴动力接合，能够随着内轴的旋转而转动，启动冷却单元，并且内轴旋转速度越快，整个冷却液的循环过程就越快，能够带走更多的热量。
4、然而，在实验验证过程中，该方案在高速打击工况下，并不能全程达到预期的冷却效果，这与研究初期的目的有所差距，因此本专利技术研究团队对此进行了复盘，经研究分析后，发现这是因为高速打击并非是在一个恒定的航速下执行任务，而是在一个速度范围内浮动航行，如此就会存在水下对转电机系统虽然在某个高航速下能够达到高效冷却，但在另一个高航速下可能无法达到高效冷却的情况，为此，本专利技术研究团队以加权平均温度tavg最小为优化目标，对整个水下对转电机系统中冷却单元的结构参数进行了定量优化，使其能够在整个高速变速范围内均能够达到理想的冷却效果，满足电机设计要求，从宏观上兼顾水下装备的推进性能（比如水下装备的高机动性，散热能力好的同时，水下装备可以达到更高的极速、更快的加速度），以此优化水下装备的动力系统。
5、为实现上述目的，本专利技术所提供的技术解决方案是：
6、一种具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特殊之处在于：包括对转电机、冷却单元以及电磁离合器；
7、所述对转电机包括同轴设置的内轴、外轴、内转子组件和外转子组件；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、所述冷却单元包括被动泵、输液管道、同轴设置在内轴中的冷却通道、设置在内轴上与冷却通道连通的喷嘴、设置在内转子组件和外转子组件上的导流槽、设置在水下装备电机舱段壳体底部的液槽以及填充在液槽内的冷却液；
9、所述被动泵通过电磁离合器安装在内轴远离外轴的一端，其定子固定在水下装备电机舱段壳体，转子通过电磁离合器与内轴连接；
10、低速巡航时，电磁离合器断开，被动泵与内轴脱开，被动泵不随内轴转动；
11、高速打击时，电磁离合器接合，被动泵与内轴动力接合，被动泵随内轴转动；在内轴的旋转带动下，被动泵通过输液管道将液槽内的冷却液泵入内轴的冷却通道中，对旋转的内轴进行冷却，并经喷嘴将冷却液喷向所述内转子组件和外转子组件上进行冷却，随后冷却液在导流槽和自身重力的作用下回流至液槽，如此循环冷却。
12、进一步地，冷却单元按照以下步骤进行优化设计：
13、1）根据水下装备电机舱段壳体的安装空间、对转电机结构尺寸、对转电机内轴的直径和结构强度、以及冷却效果，确定冷却单元结构的参数范围，并设定参数选取步长；
14、所述结构参数包括输液管道直径dg、冷却通道直径dn、静止时冷却液高度hy、喷嘴直径dz、喷嘴数量nz以及喷嘴安装位置；
15、2）基于步骤1）设定的参数选取步长，在步骤1）确定的冷却单元结构参数范围内，选取一组结构参数作为初始取值；
16、3）以对转电机在水下装备不同航速vi下工作时的损耗为发热源，分别仿真计算对转电机内转子组件和外转子组件的温度场参数；由于低速巡航时，不用进行电机冷却，因此vi的取值范围为水下装备的高速变速范围（vmin~vmax）；
17、计算不同航速vi下，喷液冷却后的对转电机内转子组件和外转子组件中的最高温度ti（主要指的是热量集中在对转电机内转子组件绕组以及外转子组件永磁体中最高的温度）；其中，i=1，2，3，…，n；
18、4）基于步骤3）得到的温度场参数，判断不同航速vi下，喷液冷却后的对转电机内转子组件和外转子组件中的最高温度ti是否满足对转电机的设计要求；
19、若满足，进入步骤5）；否则，在步骤1）确定的冷却单元结构参数范围内调整结构参数，并返回步骤3）；
20、5）基于步骤3）计算得到的不同航速vi下，喷液冷却后的对转电机内转子组件和外转子组件中的最高温度ti，计算高速变速范围内的加权平均温度tavg，并保存当前冷却单元结构参数及对应的高速变速范围内的加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：包括对转电机、冷却单元以及电磁离合器（18）；
2.根据权利要求1所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
3.根据权利要求2所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
4.根据权利要求3所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
5.根据权利要求4所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
6.根据权利要求5所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
7.一种水下装备，其特征在于：其采用权利要求1-6任一所述具有自冷却功能的水下对转电机系统。
8.根据权利要求7所述水下装备，其特征在于：所述水下装备为水下航行器。
【技术特征摘要】
1.一种具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：包括对转电机、冷却单元以及电磁离合器（18）；
2.根据权利要求1所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
3.根据权利要求2所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
4.根据权利要求3所述具有自冷却功能的水下对转电机系统，其特征在于：
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