第一章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
由于人类无法直接进入水下去探索海洋，所以水下机器人成为了代替人类探索海洋的工具[1]。水下机器人上搭载的电力推进装置是实现定深直航、变深潜浮、转向侧移、动力定位等航行运动的动力装置，设计一个安全可靠，控制准确的推进器是完成一个水下机器人的必要条件。
如今螺旋桨设计方法多种多样，图谱法的出现让螺旋桨的设计更加简单方便，但是图谱法的设计不具有灵活性，CFD 分析法设计螺旋桨在初步建模时，螺旋参数确定困难。本文通过将图谱法和 CFD 分析法相结合来设计螺旋桨，通过图谱法对螺旋桨结构进行初设，再通过 CFD 仿真分析进行优化，得到更高性能的螺旋桨。水下机器人搭载的推进器大多数是机械密封形式的，这种密封形式的推进器结构复杂，可靠性低，寿命短，许多水下机器人工作时出现故障都是因为推进器的不可靠性导致的。磁耦合推进器设计的是采用磁力耦合传动技术代替机械密封，将动密封转化为静密封，从而避免了复杂的动密封结构和补偿油泄漏问题，降低了密封难度，提高了系统可靠性。在传动过程中是非接触传动，产生噪声小，也可以在海洋军事领域进行应用。本文研究了导管螺旋桨设计和永磁耦合器理论设计两个磁耦合推进器的关键技术，为磁耦合水下推进器导管螺旋桨和磁耦合传动部件的设计提供一定的借鉴意义。
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1.2 水下推进器发展现状
水下推进器是一种能量转换装置，它将水下航行器上的热能、核能和电能等转换为推动船前进的动力。在深海环境中，水下机器人利用其搭载的推进器实现定深直航、变深潜浮、转向侧移、动力定位等航行运动，实现深海环境观测、深海矿产勘探、海洋生物考察、海底地形测绘、海底管道与电缆的布放与检修等各种作业任务。推进器也是水下机器人的动力执行装置，推进器一直都广泛的应用在船舶上，所以水下机器人推进器的发展历史就是船舶推进器的发展历史。
各国的学者和专家一直都在不停对水下推进器进行研究，截止到今天，已经出现了多种推进方式，但是应用最早最广泛的还是螺旋桨推进器，喷水推进器和磁流体推进器也在飞速发展。
螺旋桨推进器是最早应用的水下推进器，它是由桨毂和在桨毂上分布的倾斜桨叶组成的推进器，最早螺旋桨是由内机直接或者间接驱动螺旋桨来给大型舰船提供动力，但是随着时间的推移，以内机为原动力的推进系统开始显露弊端。在刚刚进入 20 世纪时，船舶的吨位逐渐变大，传统方式的推进急需解决百米长的主轴和减速器的制造要求。电机驱动开始在船舶动力方面得到应用，电力推进是通过发电机发电然后供电给电动机，为船舶提供前进动力。电驱动推进器也分为液压马达和电动机两种方式。许多大中型水下机器人很多采用液压马达提供推进的动力，美国 JW Fishers 公司生产的 sea lion 号 ROV 搭载了液压马达推进器，sea lion 号 ROV 如图 1.1 所示，推进器如图 1.2 所示，液压泵的配流盘均采用了阀式配流方式，避免马达反转时液压泵的流量方向相反，导致损坏设备，但是为了适应作业，ROV 液压泵的流量和压力都是可以调节的，作业中通常可以根据实际情况，通过调节压力和流量做出调整。液压马达提供推进的动力，液压马达提供转矩大，因为液压马达的液压推进系统受到流量的控制，所以具有很好的调速行，并且可以实现无极调速。
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第二章 磁耦合推进器结构设计
2.1 引言
磁耦合推进器由多个部分的机械结构组成，主要包括螺旋桨、导管、永磁耦合器和推进器外壳等结构。电机输出轴与永磁耦合器的内转子相连，永磁耦合器外转子与螺旋桨桨毂相连，带动螺旋桨转动，产生推力。
磁耦合推进器在满足电机功率条件的情况下，设计满足推进动力的推进器，首先根据机桨匹配，设计导管螺旋桨，通过设计得到导管螺旋桨的推力特性曲线，然后根据螺旋桨的所需要的转矩设计永磁耦合器。磁耦合推进器结构框图如图 2.1 所示。
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2.2螺旋桨的初步设计
螺旋桨设计方法发展至今，最常用的就是基于环流理论设计和基于图谱设计，但是前者设计方法繁琐复杂，后者受到螺旋桨型约束大，缺乏设计自主性。本文将图谱法和CFD 数值计算方法相结合来设计螺旋桨，首先通过图谱进行螺旋螺旋桨的初设，根据螺旋桨推力和效率要求，对螺旋桨进行设计。电机选择功率 750w，最大转速达到 1600rpm的直流无刷电机，设计推力达到 20kg 的推进器。
螺旋桨的很多参数共同决定着螺旋桨的推进特性，比如盘面形状、盘面比、截面形状、桨叶厚度、桨叶数目、螺距比、直径、纵倾角和斜侧角等。通过图谱设计螺旋桨首先要选择合适的螺旋桨类型。AU 型螺旋桨和 B 型螺旋桨应用在商船和运输船这些重载推进器上，常用的水下机器人导管螺旋桨选用 KA 型螺旋桨。KA 型螺旋桨叶梢较宽，无斜侧和后倾，螺旋桨的截面形状为机翼型，在半径为 0.4R 处过度为弓型截面。在选择好螺旋桨类型以后，需要初步确定一些参数，很多参数相互制约，相互影响，可确定的参数越多，设计螺旋桨效率越高。
1. 螺旋桨桨叶数目的确定
在设计螺旋桨时，首先确定桨叶的数目，当桨叶的叶数多，螺旋桨工作时各个桨叶之间的干扰就越大，降低了螺旋桨的效率，但是桨叶多可以分摊螺旋桨叶面上的压力避免在螺旋桨表面发生空泡。为了提高效率，通常情况下水下机器人推进器选择三叶桨或者四叶桨，在这里本文选择三叶桨。
2.螺旋桨直径的确定
一般螺旋桨直径需要在设计过程中综合考虑，但是水下机器人体积有限，推进器体积不可以过大，否则会影响水下机器人的整体结构。本文对螺旋桨直径进行初设 140mm。
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3.1 引言.................................25
3.1.1 控制方程...................................26
3.1.2 连续性方程..................................26
第四章 永磁耦合器仿真分析研究....................46
4.1 引言.................................46
4.2 三维有限元磁场计算模型.................................46
4.3 永磁耦合器不同参数仿真分析...............................47
第五章 磁耦合推进器试验分析........................................54
5.1 磁耦合传动装置的特性试验与分析................................54
5.1.1 磁耦合传动静态性能测试原理及试验方法..............................54
5.1.2 静态特性试验过程和测试结果.....................55
第五章 磁耦合推进器试验分析
5.1 磁耦合传动装置的特性试验与分析
本文永磁耦合器主要需要测试磁耦合传动的最大转矩，所以本文只需要进行静态转矩分析，静态性能测试所需测试的数据有最大传递转矩和不同转角处转矩。
5.1.1 磁耦合传动静态性能测试原理及试验方法
磁耦合传动试验台的主要组成部分如图 5.1 所示，本装置通过磁力驱动装置来给试验台提供动力，转速转矩传感器左端输出轴连接磁力驱动动力装置，右端输出轴连接永磁耦合器，转速转矩传感器可以直接测试电机的输出转速和永磁耦合器的传递转矩，然后数值通过动态信号分析系统传到计算机上，可以直接观察测试的数值，并且结果可靠，负载转矩调节器用来调节负载。
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结论
本文介绍了磁耦合推进器两个关键技术的研究，主要对螺旋桨永磁耦合器进行理论设计和性能分析，本文将图谱法和 CFD 仿真分析法两种方法相结合，设计了螺旋桨，并利用 Fluent 软件分析螺旋桨各个参数的影响，达到优化螺旋桨的目的，最终确定螺旋桨的结构参数。通过理论计算初步设计出永磁耦合器的结构参数，应用 Ansoft 仿真对永磁耦合器进行了传递性能的数值模拟，对理论设计的永磁耦合器结构参数进行优化分析，得到最佳参数。经过试验对理论研究进行验证，获得以下结论：
（1）KA 螺旋桨的外缘两侧受到压差大，容易发生空泡现象，将外缘两侧倒圆角，当圆角半径为取合适值时，在不改变螺旋桨的敞水性能的情况下改变了螺旋桨盘面压力分布，增强了空泡性能。
（2）螺距比的选择受到工作时的进速系数和螺旋桨的推力系数共同制约，螺旋桨效率最佳值随着螺距比的增大对应的进速系数增大，在保证螺旋桨推力系数达到要求的前提下，进速系数越低时，螺距比选小值。盘面比大小不影响桨叶面上的推力，所以螺旋桨效率很接近，当高进速系数时，单位桨叶面提供的推力相等，盘面比大的螺旋桨可以吸收更多的主机功率，效率更高。
（3）导管的结构参数也影响着导管螺旋桨的性能。螺旋桨外缘与导管内径间隙越小，螺旋桨的推进系数越大，导管螺旋桨效率最高。导管螺旋桨推力系数随着收缩系数的改变在某些进速系数下稍微有些波动，总体大小基本不变。但是收缩系数不可以过大。如果载荷较大，则取较小的扩张系数；如果载荷较轻则取较大的扩张系数。
（4）永磁耦合器的磁体厚度与磁体长度都与传递最大转矩成正比，磁体厚度太厚，由于磁阻和漏磁的原因，转矩不在增加，由于磁体端面效应的影响，磁体长度太短会导致磁体利用效率低下。内外永磁体的间隙越小，磁体间的磁感应强度越高，传递效率越高。
参考文献（略）