机桨一体化装置的多场耦合研究

Abstract: With the development of podded thrusters, Integrated Motor Propulsor (IMP) has been a novel propelling form in the field of electric power propelling, and it has notable advantages in noise、reliability and space use ratio. As the complex structure as well as working condition of IMP and its involving in the cross of multi-physics fields, its analysis and design parameters are more sensitive to the coupled effect of electromagnetic field, temperature field and fluid field, but the corresponding research method of IMP is immature in the world. This project intends to apply the multi-field coupled method to the analysis and optimization design of IMP. Firstly, the multi-field coupled model is established, and overall coupling is transformed to the coupling of each sub-system; then twice exploitation based on existing software is done and interpolation matrix is build to solve the data exchange problem between different coupled fields. Meanwhile, in order to ensure the calculation veracity, heat source and parameters of each fluid-solid coupled interface in IMP are calculated exactly; and finally, a set of multi-field coupled method suitable for IMP is obtained, and a prototype is manufactured to test the method above. The comprehensive analysis and design method based on multi-field coupling method proposed in this project makes up the existing insufficient method, and can be the theory foundation to form a more systematic and accurate design method for IMP.

摘要：机桨一体化装置是随着吊舱技术的发展而出现在船舶电力推进领域中的新型推进形式，其在噪声、可靠性以及空间利用率等方面具有显著优势，但由于一体化装置的结构及运行工况复杂，涉及众多物理学科的交叉，它的设计和运行参数对电磁、温度和流体场及其相互间的耦合作用更为敏感，国内外针对一体化装置兼顾多场耦合的设计分析方法尚不成熟。本课题将多场耦合方法用于机桨一体化装置的分析与优化设计，首先建立装置的多场耦合模型，将全局耦合问题转化为各子系统间的耦联问题；然后，对现有软件进行二次开发，构建插值矩阵，解决耦合物理场间的数据交换问题。同时，为确保计算的准确性，对装置中的热源项及各流固界面的耦合参数进行计算；最后，得出一套适用于机桨一体装置设计的多场耦合分析方法，并研制样机进行试验验证。本课题提出的基于多场耦合的综合分析和设计方法，将弥补现有方法的不足，为形成更加系统和精确的机桨一体化设计体系提供理论基础。

机桨一体化装置（IMP）在振动噪声、功率密度、灵活性以及模块化等方面具有显著优势，为船舶推进方式带来了新的变革，对IMP的相关问题开展研究意义重大。.本课题对比研究了不同充磁角度的离散式Halbach永磁电机与常规表贴永磁电机的电磁特性，计算了两种电机在气隙磁密和反电势基波、齿槽转矩和负载转矩脉动等方面的差异，分析了Halbach阵列对电机转子厚度的影响。对具有不同径向和切向永磁体之比（αR/αT）的90ºHalbach永磁电机进行有限元计算，分析了电机气隙磁场、反电势、齿槽转矩、负载转矩以及转子铁心饱和度随αR/αT值的变化，最终选择αR/αT=2的转子方案。.提出了一种计算离散式任意充磁角度Halbach永磁电机气隙磁场的解析方法，分析了气隙磁密与电机极对数、永磁体厚度和充磁角度间的关系，并通过有限元和实验结果对所提出计算方法的有效性进行验证。.为解决多场耦合计算中不同耦合场间的数据传递问题，引入了整体搜索插值法、桶式搜索插值法以及径向基函数插值法。计算了二维铜导体在空气中通风散热的温度场，并应用径向基函数插值算法来完成电磁与温度场间的数据传递。.通过已搭建的测量平台得到了电机铁心材料在不同温度和频率下的磁化曲线和铁损曲线，分别计算了Halbach永磁电机在正弦供电以及PWM供电模式下的铁心损耗。提出一种适用于一体化Halbach电机的场—路—运动耦合分析模型。计算了电机不同初始条件对起动电流和转矩的影响，进而得到电机稳态运行时的反电势、电流和转矩等性能参数。.应用多组分流体法计算一体化Halbach永磁电机水下运行时的多场耦合问题，对所设计的一体化Halbach电机进行电磁—流体—温度场间的顺序耦合计算，最终得到了电机内外部流场和温度场分布。对比了一体化电机水下运行散热与常规散热方式下其内外部的流场分布以及定子各部分的温度分布,研究了转子旋转对整个求解模型流场及温度场分布的影响。这将为电机优化以及整个装置的冷却设计提供技术基础。