蔣 寒，盛晨興，歐陽武

（1.武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063；2.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063；3.國家水運安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，武漢 430063；4.中船動力研究院有限公司，上海 201306）

0 引 言

無軸輪緣驅(qū)動推進(jìn)器（shaftless rim-driven thruster，RDT，也稱為集成電力推進(jìn)器，簡稱無軸推進(jìn)器）是由一個同步永磁電機(jī)、螺旋槳、導(dǎo)管和軸承等組成，如圖1（a）所示。電機(jī)圍繞著螺旋槳，并集成到導(dǎo)管中；電機(jī)的定子嵌入到導(dǎo)管中，轉(zhuǎn)子圍繞著螺旋槳形成一個圓環(huán)；軸承通常布置在輪緣兩側(cè)，嵌入到導(dǎo)管中。整個推進(jìn)器淹沒于水下，通過電纜連接到船上發(fā)電裝置。這種推進(jìn)系統(tǒng)可節(jié)省艙室空間，減少振動和噪聲，提高推進(jìn)效率[1]。無軸輪緣推進(jìn)器實體結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，圖中顯示的是德國Voith公司的產(chǎn)品。

圖1 無軸推進(jìn)器結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品Fig.1 Shaftless propeller structure and product diagram

無軸輪緣推進(jìn)器的理論模型最早出現(xiàn)在1940 年，歷經(jīng)幾十年，無軸推進(jìn)器也從理論模型變?yōu)楝F(xiàn)實模型，并應(yīng)用于實踐，已成為船舶行業(yè)里研究的熱點。目前針對無軸推進(jìn)器的電機(jī)和水力部件以及軸承的設(shè)計研究已得到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視，這些功能模塊的性能仿真和優(yōu)化設(shè)計已有文獻(xiàn)報道。對于電機(jī)的設(shè)計，挪威科技大學(xué)的Kr?vel 等[2]將電機(jī)設(shè)計理論與有限元相結(jié)合，設(shè)計了一個100 kW 的永磁電機(jī)，滿負(fù)載實驗時溫升不超過40℃；海軍工程大學(xué)胡鵬飛等[3]對1.76 MW 的電機(jī)進(jìn)行了溫度仿真，結(jié)果顯示定子表面的最高溫度小于H 級絕緣等級規(guī)定的工作溫度。螺旋槳作為主要的水動力模型，Yakovlev 等[4]對轉(zhuǎn)速為15 r/s，槳徑為0.2 m 的有轂及無轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器進(jìn)行了仿真分析，得出了無轂RDT 的螺旋槳能獲得更高推力和扭矩的結(jié)論；武漢理工大學(xué)的劉報等[5]針對RDT 間隙流體的摩擦功耗進(jìn)行了深入的研究，并通過仿真分析與經(jīng)驗公式的對比顯示兩者吻合良好。水潤滑軸承是RDT 的關(guān)鍵部件，設(shè)計不當(dāng)會導(dǎo)致軸承異常磨損和振動，降低RDT 的使用壽命，目前已有學(xué)者開展了水潤滑軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真方法和試驗研究[6]。小型RDT 軸承的摩擦功耗較小[7]，在RDT 集成設(shè)計中，可適當(dāng)簡化，但大型RDT的軸承摩擦功耗需要重視。

無軸推進(jìn)器在工作時，處于電磁場、溫度場、流體場、應(yīng)力場等多物理場中，其性能受到多物理場強(qiáng)耦合作用與影響，因此上述功能模塊之間存在明顯的相互作用關(guān)系。為了盡量提高船舶推進(jìn)力和減少槳葉空化，要求螺旋槳轉(zhuǎn)速較低，例如8 MW 的船舶主機(jī)配備的螺旋槳直徑超過5.8 m，工作轉(zhuǎn)速約為100 r/min。RDT 驅(qū)動電機(jī)在槳葉外圈，這就導(dǎo)致電機(jī)的直徑和重量巨大，例如英國Rolls-Royce的1.6 MW 無軸推進(jìn)裝置內(nèi)外直徑已經(jīng)分別達(dá)到2 m 和2.6 m，干重超過18.3 t。這種水動力設(shè)計與電機(jī)設(shè)計的相互約束關(guān)系顯著限制了RDT的體積功率密度和質(zhì)量功率密度的提升。但從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，目前無軸推進(jìn)器設(shè)計常僅針對電磁場和流場兩者之一進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這種單因素的設(shè)計方法難以實現(xiàn)RDT的綜合性能最優(yōu)化。為此，有必要開展無軸推進(jìn)器電機(jī)與水力部件的集成設(shè)計研究。

本文首先從分析無軸推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，將電機(jī)與螺旋槳之間在結(jié)構(gòu)上存在的約束與聯(lián)系作為接下來研究電機(jī)與水力部件之間協(xié)同優(yōu)化的理論基礎(chǔ)；其次介紹電機(jī)設(shè)計的理論公式以及完成整個設(shè)計所需要的約束條件；并基于圖譜設(shè)計法對導(dǎo)管螺旋槳的幾個重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計；最后以5.5 kW的推進(jìn)器為優(yōu)化算例，對電機(jī)與水力部件進(jìn)行單獨優(yōu)化和耦合優(yōu)化，并對優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行分析。

1 無軸輪緣推進(jìn)器結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化思路

1.1 結(jié)構(gòu)特點分析

無軸推進(jìn)器電機(jī)與普通電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有所不同，電機(jī)的徑向尺寸（指電機(jī)內(nèi)外徑）一般都很大，才能足以容納螺旋槳，這就需要考慮大直徑導(dǎo)致的機(jī)械性能方面的要求，電機(jī)的氣隙也要擴(kuò)大至傳統(tǒng)電機(jī)的2～3 倍[8]，而軸向尺寸則應(yīng)相對較小，以保證較高的輸出轉(zhuǎn)矩。電機(jī)徑向厚度（指電機(jī)內(nèi)外徑差）要盡可能小以減輕重量。螺旋槳的輪緣厚度和長度是轉(zhuǎn)子高度和長度，螺旋槳的內(nèi)徑加上葉梢間隙就是電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，這個葉梢間隙一般取1～2 mm；對于大直徑的推進(jìn)器可忽略，螺旋槳的內(nèi)徑就是轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑。當(dāng)電機(jī)充電后，螺旋槳進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的螺旋槳需要克服旋轉(zhuǎn)阻力，就需要消耗扭矩；在考慮了電機(jī)的氣隙摩擦扭矩、不考慮其他的機(jī)械損失情況下，這個螺旋槳克服的扭矩加上間隙摩擦扭矩可以作為設(shè)計電機(jī)的輸入值，其大小影響電機(jī)的性能參數(shù)。導(dǎo)管外形要保持良好的流線型，因電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子以及軸承都是嵌入到導(dǎo)管中，導(dǎo)管還需要留有足夠的空間，但也不能太厚，否則會影響水動力性能；軸承通常安裝在輪緣的兩端，產(chǎn)生徑向強(qiáng)度，起到軸向定位和水冷卻的作用，但受導(dǎo)管尺寸的影響，要將軸承設(shè)計成體積小、承載能力高、耐磨性好的難度增大。

1.2 耦合優(yōu)化思路

根據(jù)電機(jī)和水力部件通過轉(zhuǎn)矩和螺旋槳的直徑作為兩者聯(lián)系的介質(zhì)，建立了電機(jī)和水力部件的耦合模型。首先確定設(shè)計目標(biāo)總體效率，并根據(jù)各參數(shù)之間的聯(lián)系確定耦合模型的設(shè)計參數(shù)；其次選擇多參數(shù)非線性的優(yōu)化方法；最后給定這些設(shè)計參數(shù)的初值，設(shè)置不等式約束（考慮間隙摩擦扭矩；熱模型的導(dǎo)體溫度約束；繞組的齒形，永磁體的退磁，電磁轉(zhuǎn)換器電頻率；螺旋槳水動力性能參數(shù)）和等式約束（電機(jī)的尺寸，銅損，鐵損，效率；對空泡進(jìn)行不等式約束；其他約束）條件并進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過不斷地迭代計算得到最優(yōu)解。具體過程可參閱圖2顯示的詳細(xì)步驟。

圖2 協(xié)同優(yōu)化的流程圖Fig.2 Flow chart of collaborative optimization

1.3 多參數(shù)、非線性優(yōu)化方法

對于一些目標(biāo)函數(shù)和約束條件很難用線性函數(shù)來表達(dá)，且規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)或約束條件有一個以上的非線性時，就需要采用非線性規(guī)劃。非線性最優(yōu)化的特點是問題的變量比較多，規(guī)模越來越大，問題越來越復(fù)雜。本文基于內(nèi)點法（interior point method）來求解非線性最優(yōu)化問題。該優(yōu)化算法需要在可行域內(nèi)構(gòu)建一個懲罰函數(shù)，在可行域內(nèi)求懲罰函數(shù)的極值點，可通過遍歷內(nèi)部可行區(qū)域來搜索最優(yōu)解；迭代過程始終建立在可行的基礎(chǔ)之上，迭代點會循著有效約束邊界前進(jìn)，直到達(dá)到問題的最優(yōu)點[9]。在研究非線性最優(yōu)化問題方面，可利用有強(qiáng)大優(yōu)化工具的MATLAB來計算非線性最優(yōu)化問題，它不僅有進(jìn)行優(yōu)化計算的強(qiáng)大優(yōu)化函數(shù)，而且還帶有一個非常便于使用的GUI 形式的優(yōu)化工具，即可根據(jù)所要解決問題來選擇非線性規(guī)劃的處理函數(shù)。本文提供的設(shè)計電機(jī)螺旋槳的設(shè)計模型，就需要將電機(jī)、螺旋槳的一些參數(shù)如螺距比（H/DP）、直徑（DP）、最佳轉(zhuǎn)速（n）、盤面比（Ae/A0）、電負(fù)荷（AL）、電密度（J）、齒形比（kt）、極數(shù)（p）、磁體磁極寬度比（β）、填充系數(shù)（kf）、磁通密度（B1）等作為設(shè)計變量X=(x1,x2,x3,x4,…,x11)，由下面的控制模型可知約束條件是一個非線性問題，其目標(biāo)函數(shù)可設(shè)置為：f(x) = 1/(ηelec×ηp)，該目標(biāo)函數(shù)的最小值即為最優(yōu)解。由此可以說明，該問題是一個多維約束的非線性優(yōu)化問題。使用MATLAB 中提供的非線性優(yōu)化的求解函數(shù)fmincon，該函數(shù)引用了并行機(jī)制，可加快梯度計算的速度。其適用于求解最優(yōu)化問題的形式如下：

式中，X、b、beq和lb為n維列向量，b為m1維列向量，beq為m2維列向量。c(X)和ceq(X)為向量的非線性函數(shù)。ub和lb與X同維，為設(shè)計變量X的上下界約束。

2 無軸輪緣推進(jìn)器電機(jī)及水力部件的控制方程

2.1 電機(jī)的控制模型

無軸輪緣推進(jìn)器電機(jī)設(shè)計需要考慮的因素有很多，該永磁電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示（其中參數(shù)含義將在下文給出），包括安裝在導(dǎo)管中的定子、與槳葉連接的轉(zhuǎn)子，以及將定子和轉(zhuǎn)子與水隔離的護(hù)套。其中，與普通永磁電機(jī)的重要不同在于定/轉(zhuǎn)子間隙有水流過以冷卻電機(jī)和潤滑軸承，因此電機(jī)流場也是關(guān)鍵因素。圍繞電機(jī)的性能，本文擬建立的模型將電磁場、溫度場和流場等因素考慮在內(nèi)，通過調(diào)整設(shè)計變量來優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)效率，確定這些設(shè)計參數(shù)為AL、J、p、β、B1、kf、kt的約束條件，可以得到唯一解[10]。

圖3 無軸輪緣推進(jìn)器電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of RDT’s motor

電機(jī)由電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換給轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩為電磁轉(zhuǎn)矩（TEM），其表達(dá)式為

式中，TEM為電磁轉(zhuǎn)矩，kb1為繞組系數(shù)，AL為電負(fù)荷，B1為磁通密度，D為間隙直徑，L為鐵芯軸向長度，ψ為定子電流與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢之間的角度。

考慮到徑向間隙和軸向間隙摩擦轉(zhuǎn)矩[11]，徑向間隙的摩擦轉(zhuǎn)矩，采用由經(jīng)驗得出的BelGand 和Boulos模型[12]。該經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膹较蜷g隙雷諾數(shù)ReT=ρΩRhG/μ，適用于本實驗的經(jīng)驗公式的表達(dá)式為

式中，hG為徑向間隙高度，ρ為流體密度，Ω為旋轉(zhuǎn)角度，μ為流體的運動粘度，L為輪緣長度，R為轉(zhuǎn)子外徑，TM為軸向間隙摩擦轉(zhuǎn)矩。

軸向間隙選用Daily 和Nece 提出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚13]。下標(biāo)1，2 分別表示輪緣前后端面，其輪緣端面的摩擦扭矩的表達(dá)式為

式中，S為軸向間隙寬度，h為輪緣高度，ReS為軸向間隙雷諾數(shù)，TS為徑向間隙摩擦轉(zhuǎn)矩。

氣隙高度（hG）是很關(guān)鍵的影響因素，其大小直接影響電機(jī)的性能，其表達(dá)式為

式中，kG為考慮多物理場影響的間隙因素系數(shù)，k為考慮直徑大小影響的間隙因素系數(shù)。

在有徑向磁通的情況下，磁體高度（hM）與間隙磁通密度（B1）的表達(dá)式為

式中，β為磁體磁極寬度比，Br為永磁體剩磁，μr為永磁體相對磁導(dǎo)率。

考慮到開槽效應(yīng)，其影響系數(shù)ks為

磁阻Re為

式中，kt為齒形比，h'M為磁高，ws為槽高，Spp為每極每相的槽數(shù)，m為相數(shù)。公式（12）、（13）適用于薄氣隙的情況，公式（14）適用于厚氣隙的情況。

槽高（hS）和齒高（hT）相等，其表達(dá)式如下：

通常選擇轉(zhuǎn)子和定子磁軛的最小高度hY(min)作為設(shè)計值，其表達(dá)式為

該公式適用于存在徑向經(jīng)向磁通，且每極每相一槽的三相繞組情況。間隙直徑D的表達(dá)式為

式中，hH為定子、轉(zhuǎn)子附加厚度，Dint為轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑。

鐵損可根據(jù)硅鋼片供應(yīng)商提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，定子磁路中每單位質(zhì)量損耗總損失pFe的表達(dá)式為

式中：f為鐵中的電頻率；BFe為鐵中的磁通密度；pFe0為在給定頻率f0和磁通密度BFe0單位質(zhì)量的鐵損耗，這里b=1.5，c=2.2。假定定子各處的磁通密度為Bmin，可得總損耗pFe。

假設(shè)鐵損主要是由轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起，則電磁轉(zhuǎn)矩TEM的表達(dá)式為

式中，TMeca為機(jī)械轉(zhuǎn)矩?？紤]了水動力摩擦轉(zhuǎn)矩忽略其他機(jī)械損耗的情況下，螺旋槳輸出轉(zhuǎn)矩（Q）與間隙摩擦扭矩的和作為輸入數(shù)據(jù)，即TMeca=Q+TS1+TS2+TM。

電流和每相繞組電阻以及銅損的表達(dá)式如下：

式中，ns為每相每極繞組匝數(shù)，Scond為導(dǎo)體截面，Lcond為繞組導(dǎo)體總長度，ρ1為導(dǎo)體電阻率。

電效率表達(dá)式為

另外考慮了一些不等式約束：物理因素方面有永磁體和繞組的齒飽和度問題、退磁、齒和磁體的完整性、永磁體的尺寸約束等，溫度方面有導(dǎo)體的極限溫度的限制，以及電的特性方面包括電頻率以及時間常數(shù)等。

在ψ=0，Spp=1，m=3的情況下，考慮磁鐵的齒飽和度和繞組的齒飽和度需滿足的表達(dá)式：

齒形需滿足準(zhǔn)則的表達(dá)式：

式中，wT為齒寬，Rmax為齒形完整性的極限比。

磁體高度與寬度的比滿足表達(dá)式：

磁體退磁的約束表達(dá)式為

永磁體一般采用稀土永磁材料，如釹鐵硼或釤鈷。因釤鈷的耐受溫度高于釹鐵硼，選擇的永磁體材料是Smco30M，其矯頑力Hcj=1 000 kA/m。

參見文獻(xiàn)[14]中的熱模型，導(dǎo)體最高溫度TCu(max)約束的表達(dá)式為

式中，Tmax為導(dǎo)體極限溫度，與導(dǎo)體材料有關(guān)。

因電機(jī)是嵌入到導(dǎo)管中的，電機(jī)的厚度hEM（包括端部繞組）必須低于導(dǎo)管厚度hduct，電機(jī)Lmach的總長度小于導(dǎo)管長度Lduct，導(dǎo)管厚度hduct、導(dǎo)管長度Lduct與螺旋槳直徑成線性關(guān)系，即hduct=khductDP，Lduct=kLductDP，且kLduct<1，khduct<1，約束表達(dá)式為

電壓轉(zhuǎn)換器的電頻率需滿足實際值、電機(jī)的電頻率和電機(jī)的時間常數(shù)的約束，其表達(dá)式為

式中，Lmach為同步電機(jī)電感（包括槽漏電感），可見文獻(xiàn)[15-16]中的同步電感經(jīng)典方程。

2.2 水力部件的控制模型

螺旋槳的設(shè)計方法大致可分為兩種[17]：理論設(shè)計法和圖譜設(shè)計法。因理論設(shè)計法設(shè)計制造比較復(fù)雜，所以直接利用基于圖譜法導(dǎo)管螺旋槳敞水實驗的回歸方程進(jìn)行設(shè)計，利用Ka 系列導(dǎo)管螺旋槳敞水實驗的回歸方程對導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行設(shè)計。

在導(dǎo)管螺旋槳的設(shè)計過程中,找到各個參數(shù)的約束條件是設(shè)計最優(yōu)槳的關(guān)鍵。已知進(jìn)水速度V與要求的推力T，在螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計中，涉及的參數(shù)有很多，主要有螺旋槳的螺距比（H/DP）、直徑（DP）、最佳轉(zhuǎn)速（n）、盤面比（Ae/A0）等。文中將以上參數(shù)作為水力部件的設(shè)計變量,將效率作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。其中水力部件的效率的表達(dá)式為

式中，進(jìn)速系數(shù)J0=V0/(nDP)，推力系數(shù)KT=T/(ρWn2)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ=Q/(ρWn2)。

推力系數(shù)（KT）和轉(zhuǎn)矩系數(shù)（KQ）可按Ka系列導(dǎo)管螺旋槳試驗資料的回歸公式[18]計算：

采用Keller公式[19]，不發(fā)生空泡條件約束的表達(dá)式為

式中，p0是螺旋槳中心的靜壓力，pV是15℃下的水的汽化壓力，K為補(bǔ)償系數(shù)，T為推力。

考慮汽蝕風(fēng)險，限制最大葉片尖端速度的表達(dá)式為

其他約束條件有：0.5 ≤H/DP≤1.4；0.3 ≤Ae/A0≤1.05；0.25 ≤DP≤0.4；900 ≤n≤1100。

3 仿真結(jié)果及分析

由于電機(jī)的設(shè)計公式之間都是相互聯(lián)系的，可以進(jìn)行公式的縮減，簡化約束條件。選用5.5 kW的推進(jìn)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在進(jìn)速V=1.8 m/s，要求的推力為T=1 500 N 的情況下，選用的螺旋槳為JD7704+Ka4-70，根據(jù)該螺旋槳的敞水特征曲線的回歸系數(shù)，對推進(jìn)器的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)進(jìn)行計算，原設(shè)計螺旋槳的參數(shù)為n=1 000 r/min，Dp=0.3 m，盤面比Ae/A0=1.2，螺距比H/DP=0.7，效率為0.571 7。先對水力部件進(jìn)行獨立優(yōu)化，采用多參數(shù)非線性優(yōu)化方法得出水力部件的優(yōu)化參數(shù)以及效率；根據(jù)優(yōu)化出導(dǎo)管槳的直徑和轉(zhuǎn)矩作為電機(jī)的輸入值，對電機(jī)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得出電機(jī)的優(yōu)化結(jié)果；最后將電機(jī)與水力部件的約束放在一起，以轉(zhuǎn)矩和直徑作為約束之間的聯(lián)系，從而得到對兩者的耦合優(yōu)化，采用相同的優(yōu)化方法，以總的效率作為目標(biāo)函數(shù)對該耦合模型進(jìn)行迭代優(yōu)化，得出優(yōu)化參數(shù)值以及總效率值，再計算得出電機(jī)與水力部件的效率值。通過與單獨優(yōu)化的值進(jìn)行對比，驗證了該方法的合理性。單獨優(yōu)化與耦合優(yōu)化的結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化的結(jié)果Tab.1 Results of optimization

續(xù)表1

從電機(jī)和螺旋槳的單獨優(yōu)化的結(jié)果可以看出，電機(jī)與水力部件單獨優(yōu)化的總效率分別是0.558 5和0.579 9，較原設(shè)計的總效率高，說明該優(yōu)化方法有一定的優(yōu)勢。將兩者進(jìn)行耦合優(yōu)化后的結(jié)果與單獨優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，單獨優(yōu)化與耦合優(yōu)化后螺旋槳的直徑、電負(fù)荷、電流密度以及磁通密度的值等參數(shù)值的變化相對來說比較明顯。耦合優(yōu)化后的螺旋槳的直徑降低了，其可能的原因是受電機(jī)尺寸的影響；電機(jī)的電負(fù)荷增加會導(dǎo)致電流的增加，從而增加電機(jī)的銅損耗，另外也會減少電機(jī)的尺寸，電流密度增加也會減少電機(jī)的尺寸；電機(jī)的磁通密度相對于單獨優(yōu)化略微降低，但相對于優(yōu)化之前的值是增大的，其值增大會使電機(jī)鐵心的尺寸略微減少，鐵損增加。綜合結(jié)果可知，耦合優(yōu)化的電機(jī)的效率略低于僅電機(jī)單獨優(yōu)化的效率，耦合優(yōu)化的水力部件的效率略低于僅水力部件單獨優(yōu)化的效率，但耦合優(yōu)化的總效率0.581 9卻高于僅電機(jī)單獨優(yōu)化的總效率0.579 9和僅水力部件單獨優(yōu)化的總效率0.558 5，說明耦合優(yōu)化對整體效率的提高有一定的優(yōu)勢，耦合優(yōu)化可以綜合兩者之間的制約關(guān)系使整體的優(yōu)化達(dá)到最佳值。另外該模型使用的是一階公式，相對于一些微分、積分方程計算快，縮短了優(yōu)化設(shè)計的時間。

4 結(jié) 論

（1）無軸輪緣推進(jìn)器的設(shè)計涉及到很多學(xué)科如電磁學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等，各學(xué)科之間存在很強(qiáng)的制約與聯(lián)系，分析其中的一兩個設(shè)計因素難以實現(xiàn)無軸推進(jìn)器的綜合性能最優(yōu)化。

（2）由于無軸推進(jìn)器的氣隙尺寸相對于普通電機(jī)的大，水流過氣隙時的摩擦扭矩就會相應(yīng)地增加，因此將無軸推進(jìn)器的軸向和徑向間隙流動的摩擦扭矩作為優(yōu)化設(shè)計的考慮因素。

（3）根據(jù)電機(jī)和主要的水力部件之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，建立電機(jī)和水力部件的控制模型，該模型選用的是一階分析數(shù)學(xué)模型，減少了計算的復(fù)雜性，縮短了設(shè)計時間，具有一定的精度。

（4）選用5.5 kW無軸推進(jìn)器進(jìn)行設(shè)計，采用多參數(shù)非線性優(yōu)化方法對推進(jìn)器件進(jìn)行單獨優(yōu)化和協(xié)同優(yōu)化，并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，耦合優(yōu)化推進(jìn)器的總體效率提高了5.5%，使效率高達(dá)0.581 9，但耦合優(yōu)化的電機(jī)的效率和水力部件的效率都低于僅電機(jī)單獨優(yōu)化的電機(jī)效率或僅水力部件單獨優(yōu)化水力部件的效率，這也體現(xiàn)了電機(jī)與水力部件相互制約的關(guān)系，也說明了耦合優(yōu)化的重要性。