【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下推进电机。
技术介绍
1、一直以来，为了能通过水下装备电池携带的有限能源实现自身的长续航，推进电机的高效化是重要技术之一。水下装备在低速巡航时，所需要的电机扭矩小，在高速航行时，所需要的电机扭矩和功率会急剧增大。通常，本领域中高速航行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敌方舰船进行打击，低速巡航指的是航速为5kn左右。根据水下动力推进理论可知，水下装备所需的推进功率随航行速度的提升呈三次方的关系增长，导致具备高航速的水下装备如鱼雷、auv、uuv等在低速巡航和高速航行时的功率差距巨大，甚至可达300倍以上。为保证高速航行的功率输出能力，设计时通常主要考虑高速工况下的设计指标，并同时兼顾优化低速巡航时的效率，这种设计方法研制的推进电机体积一般较大，而使其运行于低速、功率极小的状态下会出现“大马拉小车”的现象，从而导致效率难以提高。由于水下装备绝大部分时间都处于低速巡航的工况下，而高速航行时间一般为十几分钟。因此，如何提升大功率跨度的水下推进电机的低速效率成为推进电机高效化，从而实现水下装备长续航化的关键问题。
2、在水下推进电机领域，受限于水下装备的空间和质量严格制约、两种工况所需的推进功率跨度巨大以及需自主控制等多方面因素的约束，使得在电动汽车等通用领域中发展较为成熟的换挡变速器与电机结合的方案很难转用于水下推进电机。因此，为了提升其在工作区内的综合效率，本领域技术人员目前多采用高、低功率组合式推进电机系统，在高速航行
技术实现思路
1、为了解决目前用于提升水下推进电机在工作区内的综合效率而采用的高、低功率组合式推进电机系统，需配备动力切换装置使其分时驱动螺旋桨，且需分别配备两台电机控制器，具有系统冗杂，电气控制复杂的技术问题，本专利技术提供了一种大功率跨度的变速水下推进电机及其设计方法、水下装备。
2、本专利技术的技术方案是：
3、大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
4、步骤1：将水下装备对动力推进系统要求的总设计指标分解为高速电机总成和变速器总成的设计指标；
5、步骤2：根据水下装备的空间约束和高速电机总成的加工制造工艺难度，预取高速电机总成的高功率转速，结合步骤1分解到的高速电机总成的设计指标，进行高速电机总成设计，得到尺寸、效率和重量均满足步骤1分解得到的高速电机总成的设计指标的高速电机总成，并获取所得到的高速电机总成在低功率状态下效率最佳的转速，将所述效率最佳的转速作为所得到的高速电机总成的低功率状态下的输出转速；
6、步骤3：基于所述总设计指标、步骤2预取的高速电机总成的高功率转速，以及步骤2确定的低功率状态下的输出转速计算减速比，基于所述减速比和步骤1分解到的变速器总成的设计指标进行变速器总成设计，得到尺寸、效率和重量均满足步骤1分解得到的变速器总成的设计指标的变速器总成；
7、步骤4：重复执行步骤2和3，得到多个设计样本点，每个设计样本点均包括高速电机总成和与之匹配的变速器总成的结构参数；
8、步骤5：对所有设计样本点，采用智能优化算法，以低速总效率最大和总重量最轻为优化目标进行总体优化，得到满足所述总设计指标的最优pareto解集，根据对低速总效率和总重量的重视程度，从所述最优pareto解集中选择最优设计解。
9、进一步地，所述变速水下推进电机的设计方法具体为：
10、步骤1：将水下装备对动力推进系统要求的总设计指标分解为高速电机总成和变速器总成的设计指标；
11、步骤2：基于步骤1分解到的高速电机总成的设计指标，进行高速电机总成设计；
12、步骤2.1：根据水下装备的空间约束和高速电机总成的加工制造工艺难度，预取高速电机总成的高功率转速；
13、步骤2.2：根据预取的高速电机总成的高功率转速，结合步骤1分解到的高速电机总成的设计指标，确定高速电机总成中电磁结构的参数取值范围，同时设定参数选取步长；
14、步骤2.3：基于所述参数选取步长，从步骤2.2确定的电磁结构的参数取值范围内选取一组高速电机总成的电磁结构参数；
15、步骤2.4：判断当前电磁结构参数下，高速电机总成的尺寸是否满足步骤1分解到的高速电机总成的设计指标，若是，则进入步骤2.5；否则，在步骤2.2确定的电磁结构的参数取值范围内调整当前电磁结构参数，直至高速电机总成的尺寸满足步骤1分解到的高速电机总成的设计指标后，再进入步骤2.5；
16、步骤2.5：进行电磁性能计算，判定高速电机总成的效率和重量是否都满足步骤1分解得到的高速电机总成的设计指标，若是，则进入步骤2.6；否则，在步骤2.2确定的电磁结构的参数取值范围内调整当前电磁结构参数，返回步骤2.4；
17、步骤2.6：计算高速电机总成的效率map图，在效率map图上寻找低功率状态下高速电机总成效率最佳的转速，将该效率最佳的转速作为高速电机总成的低功率状态下的输出转速，进入步骤3；
18、步骤3：基于步骤1确定的变速器总成的设计指标，进行变速器总成设计；
19、步骤3.1：计算减速比；
20、根据步骤2.1预取的高速电机总成的高功率转速和步骤1中所述总设计指标中要求的高速工况下的输出转速，计算高速下变速器总成需要实现的减速比；
21、根据步骤2.6确定的高速电机总成的低功率状态下的输出转速和步骤1中所述总设计指标中要求的低速工况下的输出转速，计算低速下变速器总成需要实现的减速比；
22、步骤3.2：根据步骤1分解到的变速器总成的设计指标以及步骤3.1计算的减速比，采用两个2z-x型行星齿轮机构中的二级行星齿轮系设计变速器总成，并确定二级行星齿轮系的结构参数取值范围，同时设定结构参数选取步长；
23、步骤3.3：基于所述结构参数选取步长，从步骤3.2得到的二级行星齿轮系的结构参数取值范围内选取一组结构参数；
24、步骤3.4：计算当前结构参数下二级行星齿轮系的尺寸，判断当前尺寸是否满足步骤1分解到的变速器总成的设计指标，若满足，则进入步骤3.5；若不满足，则在步骤3.2确定的二级行星齿轮系的结构参数取值范围内调整当前结构参数，直至二级行星齿轮系的尺寸满足变速器总成的设计指标后，再进入步骤3.5；
25、步骤3.5：对二级行星齿轮系进行齿形参数设计，所述齿形参数包括压力角和齿高；
26、步骤3.6：对二级行星齿轮系进行强度校核，若强度满足预设要求，则进入步骤3.7；若强度不满足预设要求，则调整二级行星齿轮系的齿本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：所述变速水下推进电机的设计方法具体为：
3.根据权利要求1或2所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：步骤1中分解到的高速电机总成的设计指标包括：功率、电压、效率、尺寸和重量；分解到的变速器总成的设计指标包括功率、输出转速、效率、尺寸和重量。
4.根据权利要求2所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：步骤2.3中在选取高速电机总成的电磁结构参数时，对关键部位平均磁通密度进行约束如下：
5.根据权利要求2所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：步骤3.3中在选取结构参数时，应保证齿轮运行过程中不发生根切。
6.根据权利要求2所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：步骤5中智能优化时采用的优化模型为：
7.大功率跨度的变速水下推进电机，其特征在于：包括高速电机总成、变速器总成、离合器和制动器；p>
8.根据权利要求7所述的大功率跨度的变速水下推进电机，其特征在于：所述离合器和制动器设置在所述高速电机总成和变速器总成的壳体之外。
9.根据权利要求8所述的大功率跨度的变速水下推进电机，其特征在于：所述离合器为多摩擦片式离合器，制动器为齿圈啮合式制动器；对所述离合器和制动器进行控制的控制器集成于所述高速电机总成的控制器中。
10.水下装备，其特征在于：包括动力推进系统；所述动力推进系统为权利要求7-9任一所述的大功率跨度的变速水下推进电机。
...【技术特征摘要】
1.大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：所述变速水下推进电机的设计方法具体为：
3.根据权利要求1或2所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：步骤1中分解到的高速电机总成的设计指标包括：功率、电压、效率、尺寸和重量；分解到的变速器总成的设计指标包括功率、输出转速、效率、尺寸和重量。
4.根据权利要求2所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：步骤2.3中在选取高速电机总成的电磁结构参数时，对关键部位平均磁通密度进行约束如下：
5.根据权利要求2所述的大功率跨度的变速水下推进电机的设计方法，其特征在于：步骤3.3中在选取结构参数时，应保证齿轮...
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