随着全球海洋资源开发力度的加大，高性能水下机器人的需求越来越强，对推进电机系统的要求也越来越高。例如，美国“虎鲸”无人潜航器长 24m，直径 2.5m，重约 63t，最大航速 10kn；俄罗斯“波塞冬”核动力无人潜航器直径 1.6m，长度超过 25m，可携带 1.5t 以上载荷，最高航速可达 56kn。

目前，常用的水下推进电机主要有永磁直流电机、无刷直流电机和永磁同步电机。永磁电机的优势在于永磁体励磁，功率密度和效率较高。永磁直流电机由于电刷结构和不易弱磁等原因，在大功率推进系统中应用受限。无刷直流电机由方波电流驱动，永磁同步电机由正弦波电流驱动，两种电机具有相似的结构，前者控制相对简单，但弱磁困难；另外，前者的电磁转矩波动及振动噪声更为明显。因此，对于水下噪声和弱磁范围要求较高的场合，宜应用永磁同步推进电机。

永磁推进系统主要包括永磁同步电机及其控制系统。永磁同步电机具有结构简单、 功率密度高、转矩密度高、效率高、运行可靠等优点，是水下电力推进系统的动力核心。采用低速永磁直驱推进方式，取消减速器，可使系统效率更高、振动噪声更小，是水下电力推进的发展方向。

永磁同步推进电机技术

水下噪声关系到海洋环境噪声达标和潜器的水下通信可靠性，是电机设计极为关注的问题。同样振动的水中声压要比空气中高很多，因而电机水下噪声抑制对振动的要求比在空气中更苛刻。

目前，电磁振动噪声研究主要集中在电磁力计算以及电磁振动噪声预测、影响因素，及抑制方法。电磁力是推进电机产生振动和噪声的主要原因之一。通过电磁有限元模型与结构有限元模型耦合，对电磁振动进行谐响应分析，可以分析推进电机振动特性。选择合适的极槽配合、开辅助槽削弱电磁激振 力等措施均有利于推进电机减振降噪。研究表明，电机径向电磁力由永磁磁场单独作用、 电枢反应磁场单独作用，以及永磁磁场与电枢反应磁场相互作用，产生各阶次各电流基波频率偶数倍的径向电磁力组成。

公开文献显示，中国船舶集团有限公司第 705 研究所针对大型无人水下航行器推进电机减振降噪应用需求 , 设计出了额定功率100kW、额定转速 250r/min 的分段斜槽低速大扭矩永磁同步电机。

另外，声学指向性是水下电机噪声的重要问题。实际电机相电流中含有大量谐波电流，干涉后会导致各个齿上的激励力有别， 并在电机机壳表面形成驻波。分析电磁力干涉规律特点，对于推进电机水下降噪具有重要意义。

永磁推进系统控制器技术

永磁推进控制中，额定转速以下为恒转矩控制方式，额定转速以上调速时采用弱磁控制，并需要关注弱磁运行的动态性能。高效低噪和长时可靠是推进电机控制系统的基本要求。针对水下工作环境，控制系统需小型化和高集成度，应注重高效散热设计，需具有多重故障诊断与应对机制以保证运行的高可靠性。同时，还需要有效抑制控制系统的输出电流谐波。

水下推进系统通常采用电池组供电，三相电压源逆变器开关会对有限容量直流电网及设备造成冲击和干扰，需要在逆变器直流侧加设支撑电容。通过估算和经验选取电容会导致过设计，不利于节省空间和成本。为此，有研究基于支撑电容抑制直流母线高频谐波机理，给出了减小直流母线高频谐波的电容选取方法。

水下推进电机的一些关键参数在运行过程中会发生变化，控制系统性能随之受到影响。有研究基于智能在线参数辨识进行电流环自适应控制，采用粒子群算法在线辨识出推进电机的定子电阻和电感，并将其实时用于电流控制器，可以有效抑制水下洋流对推进电机的负载扰动。

对转螺旋桨双转子永磁推进系统技术

对转螺旋桨具有高推进效率、转矩平衡、 改善振动等优点，因而适用于对驱动系统有严格空间和重量限制的水下装备。对转螺旋桨驱动通常采用单定子 - 双转子永磁同步电机，两个永磁转子直接与螺旋桨相连，实现反向同速旋转运行。对转永磁同步电机采用一套定子绕组单电气输入实现反向同速的双机械量输出，相当于两台永磁电机复合成一台电机，具有推进结构简单紧凑、重量轻、成本低、无电刷， 以及运行安全可靠等优点。转子永磁体还可采用 Halbach 阵列以提高转矩密度。

双转子推进电机设计和输出转矩平衡控制难度较大。随着电机功率密度以及转矩密度的提高，热负荷随之增大，温升可能接近设计极限，需考虑多物理场耦合的设计分析方法。在负载不平衡的条件下，双转子电机若控制不当，转子转速和电机输出转矩会出现较大的脉动，从而影响航行器姿态稳定。为确保电机系统在不同负载转矩下稳定运行，有研究采用负载转矩观测补偿、动态主从控制，解决两个转子同步旋转的问题。

双三相永磁推进系统技术

双三相永磁同步电机融合了永磁同步电机与多相电机的双重优势，将传统单套绕组替换为拥有空间相移 30°电角度的两套绕组，系统结构简化，功率密度提高，具有较好的运行容错性、较低的转矩脉动和低压大功率驱动特性，适用于水下推进。

由于气隙磁场畸变以及逆变器非线性特性等因素，双三相电机定子绕组中通常含有大量的谐波电流，会增加系统损耗、引起转矩脉动、降低电磁兼容性。双三相电机谐波电流抑制主要有两类：一是优化电机本体，如定子斜槽、转子斜极，以及永磁体削极等：二是应用控制策略，考虑逆变器死区补偿等 非线性因素。

为了抑制双三相电机高频振动，可采用载波移相调制算法。通过调整逆变器载波之间相位角度，使得输出电流中边频带谐波相位角变化，削弱气隙磁动势中的对应频率谐波。载波移相90°时，开关频率谐波电流及其振动可以大幅衰减。有研究表明，载波移相能将双三相电机中心频率 5kHz的高频振 动降低 18dB。

仿生推进技术

水下生物具有独到的水中运动能力，通过模仿水下生物推进机理，能有效提高水下机器人的性能。水下仿生机器人具有低能耗、 高机动性、低噪声、隐蔽性强，以及对环境扰动小等特点。按照推力来源可分成两大类:：一类仿照章鱼等向后方喷出液体推进：另一 类模仿鱼类和鲸豚类，利用身体和鳍面运动时产生的涡流推进。

仿生鱼的电驱动研究较少。有研究认为尾鳍驱动电机的驱动力矩包含水动力矩和惯性力矩，并给出了仿生鱼直线运动时电机位置角。仿生鱼高效驱动电机设计国内外均鲜有涉及。对于采用鱼体、尾柄和尾鳍构成的三节仿生鱼驱动系统，天津大学设计了无减速机构直接驱动尾柄的 54 槽 60 极有限转角旋转电枢式腰关节永磁同步电机，能够满足轻质高效和安装空间限制等要求。

传统螺旋桨推进的水下航行器，推进系统只需跟踪给定转速指令进行恒速和非高动态变速运动。然而，对于某些机动灵活水下仿生推进应用场合，需要推进系统在水下变负载条件下跟踪期望指令，进行周期性正弦摆动。常规 PID 控制难以满足上述高精度跟随要求，有研究针对变负载工况水下推进系 统的正弦指令跟踪问题 , 采用余弦前馈补偿与常规 PID 构成复合前馈控制，消除了正弦跟随的幅值与相位误差。

无位置传感器集成推进系统技术

集成推进是将电机转子与推进器桨叶集成，取消推进轴系的新型电力推进装置，具有结构紧凑、功率密度高、效率高，以及振动噪声低等优点。因高度集成和结构复杂等原因，集成电机推进装置设计与制造难度较大。集成电机推进的低噪声特性适合于水下安静型航行体，美国开展了鱼雷和潜航器应用研究，分别研制了 110kW 和 7.5kW 样机， 在推进器重量、节省空间和噪声等方面取得了良好对比结果。

传统永磁同步电机多采用矢量控制策略， 需要准确的转子位置信息实现转速和电流控制，位置传感器通常为旋转变压器或编码器。集成推进电机因无轴而难以安装传统机械式位置传感器，故多采用无位置传感器控制，有利于简化驱动器和推进器之间接线、提高抗电磁干扰能力、提高系统整体可靠性。中高速时，基于电机方程解算获得转子位置。低速和零速时，利用电机凸极特征注入高频信号后提取转子位置信息。

高频信号注入会产生高频噪声，不利于对振动噪声要求高的应用。另外，不同水文条件下，推进器负载转矩会变化，集成推进装置桨叶在水中旋转产生的脉动力会直接传递给转子，造成电机转矩波动，并且集成电机对于加减速动态性能和运行噪声也有要求，上述因素使得其无位置传感器控制难度很大，是制约高性能无轴推进的关键技术。

永磁推进系统故障诊断技术

推进电机在高压高盐环境下长时间高负荷运行，容易出现故障，如果能及早诊断并处理，可大幅提高水下机器人的安全性。堵转是推进系统的常发故障，在螺旋桨缠绕异物等情况下，推进电机堵转后如无妥善诊断处理，将造成驱动器受损和功率开关元件损坏。推进器动密封处渗漏或者静密封失效导致海水渗入电机和驱动器，也会因绝缘问题引起推进系统故障。

因电机老化、不均匀水流或外力冲击， 推进电机可能发生偏心故障，定转子间发生不断变化的偏移，气隙长度随之变化。与普通电机相比，无轴推进电机偏心故障更为严重。研究表明，不同类别偏心故障均会引起气隙磁密、电磁转矩和相电流变化，转矩高次谐波及电流频谱中的特征频率曲线可作为故障识别量。

在水下推进电机控制系统中 , 霍尔位置传感器因体积小和响应速度快，被用于获取转子位置信息进行矢量控制。然而，剧烈振动等因素会造成霍尔位置传感器故障。为保障水下推进系统的可靠运行 , 实现霍尔位置传感器故障诊断非常重要。研究表明，通过线电压频谱分析和基于霍尔状态序列均可进行故障诊断 , 通过滑模观测器和锁相环提取转子位置等其它故障诊断和容错控制方法也在探索中。

永磁推进系统水下降噪控制技术

电流谐波产生的电磁振动是推进电机噪声的主要来源。不同于陆上降噪主要针对高频振动，包括低频和高频在内的全频段振动均是水下降噪关注的重点，实现推进电机全频段减振是水下降噪的难点所在。从控制角度解决减振降噪问题，具有更高的灵活性和更低的成本。

永磁同步电机通常采用空间矢量脉宽调制 (SVPWM)，在开关频率整数倍处的电流谐 波幅值较大，使得电机在上述频率处高频振动严重，从而形成上述频率处的明显噪声特征。有源噪声抑制存在滤波器结构复杂、可靠性低，以及通用性差等问题，目前仍难以满足推进电机系统需求。无源噪声抑制仅采用无源元件组成滤波器，如 LC 低通滤波器等， 可靠性高，适用于多种电力电子拓扑结构。同时，随着碳化硅等新一代高频宽禁带电力电子器件应用，大功率场合的无源滤波元件的体积和重量也会显著降低。

随机脉宽调制 (RPWM) 噪声抑制方法仅通过改进软件算法即可实现。相较于传统的 PWM 技术，RPWM 具备谐波频谱分散能力，能够有效降低开关频率整数倍处的高频电流谐波幅值，进而降低电机高频振动噪声。RPWM 可分为随机开关频率 (RSF) 和固定开关频率 (FSF) 两类。其中，RSF 在开关频率整数倍处的电流谐波分散效果更为明显。RPWM 的优势在于：无需增加硬件，系统可靠性较高；适用于不同功率等级系统，通用性好。公开文献显示，最大输出功率 40kW，最高转速 400r/min 的永磁推进电机，采用 RPWM 后，电磁噪声可降低 3dB ~ 5dB。

尽管 RPWM 可显著削弱载波频率及其整数倍处的谐波含量，但并未降低总谐波能量，只是将其分散到了较宽频带内。另外，由于 谐波频谱分布更为均匀，会在一定层度上削弱输出滤波器的效果。

考虑水下推进系统高开关频率工况和高功率密度要求，实际应用中可根据需要综合使用多种降噪技术，并不断探索新型水下降噪的有效方法。

作者：北京工业大学信息学部人工智能与自动化学院副教授 许家群