技术领域
[0001] 本发明属于水下装备电机设计技术领域，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。
相关背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 为此，本发明认为有必要对现有的水下对转电机进行优化。
具体实施方式
[0054] 以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
[0055] 以UUV为例，如图1所示，UUV的动力系统采用本发明设计的水下对转电机，包括对转电机本体以及电磁离合器。
[0056] 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。
[0057] 定义：对转电机动力输出的方向为后侧；
[0058] 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；电机壳体通过连接法兰同轴安装在UUV电机舱段壳体中，电机壳体前端盖和电机壳体后端盖上开设有同轴的安装孔；
[0059] 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后端盖转动(即内轴与外轴之间、外轴与电机壳体后端盖之间均设置有轴承)，外轴通过外轴套的轴套花键连接到输出外轴，输出外轴连接并将动力输出到前螺旋桨。内轴的非驱动端伸出电机壳体前端盖以及UUV壳体的前端，驱动端则通过内轴套上的轴套花键连接到输出内轴，输出内轴连接并将动力输出到后螺旋桨；
[0060] 内转子组件包括内转子和内转子支架；内转子通过内转子支架同轴固定在内轴上，即内转子支架的前后端固定在内轴上，内转子采用铁心绕组形式。
[0061] 外转子组件包括外转子和外转子支架；外转子通过外转子支架同轴同心套设在内转子组件的外侧；外转子支架后端固定在外轴的一端，前端则与内轴转动连接。外转子采用永磁铁形式，比如，磁钢。
[0062] 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前端盖连接，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；
[0063] 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。
[0064] 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，即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。
[0065] 上述水下对转电机采用如下策略进行控制，包括以下情况：
[0066] 情况一：
[0067] 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UUV的航速：
[0068] 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；
[0069] 当UUV航速大于等于10kn，检测UUV的加速度：
[0070] 若加速度持续10s大于0，则判断UUV处于加速状态，那么断开电磁离合器，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；
[0071] 若加速度持续10s等于0，则判断UUV处于匀速状态，那么保持电磁离合器接合，对转电机仍仅通过外轴输出动力；
[0072] 若加速度持续10s小于0，则判断UUV处于减速状态，那么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；
[0073] 在本实施例中，10kn是单轴输出效率大于双轴输出效率时对应的UUV最高航速；
[0074] 情况二：
[0075] 断开电磁离合器，对转电机为双轴反向输出时(此种状态下，UUV的航速已大于10kn)，实时采集UUV的航速：
[0076] 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；
[0077] 当UUV航速小于等于10kn，检测UUV的加速度：
[0078] 若加速度持续10s大于0，则判断UUV处于加速状态，那么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；
[0079] 若加速度持续10s等于0，则判断UUV处于匀速状态，那么保持电磁离合器断开，对转电机仍为双轴反向输出动力；
[0080] 若加速度持续10s小于0，则判断UUV处于减速状态，那么接合电磁离合器，内轴抱紧，此时对转电机切换为仅通过外轴输出动力，并减速至目标航速；
[0081] 由此可见，整个低速工况阶段，对转电机单轴输出的动力完全可以满足水下航行器的需求，水下对转推进电机的效率均能够实现较高的航行效率，确保水下航行器的低速长航程，不仅电刷无磨损，延长使用寿命，双轴间也无动摩擦磨损。高速工况阶段，则将对转电机调整为常规的电机运行模式。
[0082] 情况三：
[0083] 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，内轴抱紧，对转电机仅通过外轴输出动力。
[0084] 综上，通过本发明对于水下对转电机的结构优化和动力控制，能够实现发明目的，不仅能够降低电刷磨损，双轴动摩擦损耗，还能够进行动力输出切换；在稳固水下航行器姿态的前提下，实现高效航行，确保水下航行器的长航程、低能耗。
[0085] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
