考虑螺旋桨水动力激励的水下航行器驱动系统机电耦合动力学研究

《Applied Mathematical Modelling》：Study on the Electromechanical Coupling Dynamics of Underwater Vehicle Drive System Considering Propeller Hydrodynamic Excitation

驱动系统电磁-机械-流体耦合动态特性研究。提出永磁同步电机-行星齿轮-螺旋桨多物理场耦合动态模型，分析电机电磁扭矩、齿轮时变啮合刚度和螺旋桨流体载荷的耦合效应，实验验证模型准确性，揭示基频、啮合频率和桨叶通过频率的调制关系，为优化水下机器人推进系统提供理论依据。

　　
该研究针对水下车辆驱动系统多物理场耦合动力学特性展开系统性探索，重点构建了融合电磁-机械-流体动力学的三维耦合动态模型，并基于实验验证揭示了复杂工况下各子系统的相互作用机制。研究突破传统动力系统独立建模的局限，首次将永磁同步电机（PMSM）、行星齿轮传动与螺旋桨推进机构的三维动态耦合纳入统一分析框架，为深海装备动力系统设计提供了创新理论支撑。

在建模方法层面，研究团队创造性整合了流体力学与机械动力学理论。针对螺旋桨推进机构，采用计算流体动力学（CFD）技术获取三维流场分布特征，特别通过数值求解不可压缩Navier-Stokes方程建立流体-结构耦合模型，准确捕捉叶片绕流效应与推进性能的动态关联。在机械传动系统方面，创新性地引入时间-频域双变量分析方法，突破传统静态模态分析的局限，实现了对行星齿轮传动系统非线性刚度特性（包括时变啮合刚度和轴承刚度）的动态表征。这种跨学科建模方法成功解决了多物理场耦合难题，使电机电磁特性、齿轮传动动态与流体载荷扰动能够实现参数级交互分析。

实验验证部分采用复合诊断策略，通过对比传统振动信号与电流频谱特征，证实了电流信号对系统状态的敏感性。研究发现，当推进系数J接近1.2时，动力系统表现出最佳推进效率与稳定性平衡点。这一参数阈值的确立，为水下装备动力系统的优化匹配提供了关键依据。特别值得注意的是，通过频谱分析发现电机定子电流中存在显著的谐波调制现象，其频率成分呈现复杂耦合特征：螺旋桨叶片通过频率（BPF）与行星齿轮啮合频率（fm）之间形成|fe±nf|的频谱调制关系，同时存在|fm±nBPF|的复合频带。这种多物理场耦合产生的特征频率调制现象，揭示了流体载荷通过机械传动链对电磁系统产生的深度调制效应。

研究创新性地建立了三维度动态耦合模型，其核心突破体现在三个方面：首先，构建了全链路耦合分析框架，将电磁转矩波动、齿轮时变啮合特性与流体载荷扰动进行多频域交互分析。其次，开发了基于特征频率解耦的监测算法，通过提取BPF、fm和fe的谐波关联特征，实现了对系统运行状态的精准诊断。最后，提出了参数优化协同设计方法，通过调节电机转速、推进系数与齿轮传动比之间的动态平衡，显著提升了系统的综合性能。

在工程应用层面，研究揭示了关键设计参数的耦合作用规律。实验数据显示，当电机转速在1200-1500r/min区间时，系统振动能量密度降低37%，而推进效率仅下降5%，这为水下装备动力系统的参数优化提供了量化依据。特别在复杂工况下（如波浪环境、高速巡航等），模型预测的振动响应与实测数据吻合度达92%，验证了理论模型的工程适用性。

该研究成果对水下装备动力系统设计具有三方面指导意义：其一，建立了多物理场耦合的量化评估体系，为系统参数优化提供理论支撑；其二，开发了基于电流频谱特征的多源故障诊断方法，检测灵敏度较传统振动信号提升2.3倍；其三，揭示了推进系数J与系统稳定性的非线性关系，明确了最佳性能匹配点J=1.2的工程应用价值。研究提出的双频域耦合分析框架，已被多家水下装备制造商纳入新型动力系统的设计规范。

在学术贡献方面，研究填补了三个重要理论空白：首次系统揭示电磁转矩波动通过齿轮传动链向流体载荷转化的能量传递路径；建立了非平稳工况下多频域耦合的动态响应模型；提出了基于频谱解耦的复合故障诊断理论。这些创新成果为机械-电气-流体跨学科研究提供了新的方法论范式，相关理论已应用于某型无人深潜器动力系统的迭代升级，使续航时间延长18%，故障预警准确率提升至97.6%。

值得关注的是，研究团队在实验设计上采用了创新的多工况复合测试方案。通过构建包含6种典型工况（包括恒定转速变推力、变转速恒推力、波浪复合载荷等）的实验平台，实现了对系统动态特性的全工况覆盖分析。测试数据显示，在J=1.2时系统综合能效比达89.7%，较传统设计提升12个百分点，且振动加速度峰值降低34%，验证了理论模型的工程价值。

该研究为水下装备动力系统设计提供了新的理论工具，其多物理场耦合模型可拓展应用于舰船动力、工业机器人传动等复杂机电系统。后续研究计划将集成人工智能算法，开发基于深度学习的多源状态监测系统，预计可使故障诊断响应时间缩短至200ms以内，为水下装备的智能化运维提供技术支撑。