集成電機(jī)推進(jìn)器構(gòu)型及特點(diǎn)分析

鄭 珂

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

集成電機(jī)推進(jìn)器構(gòu)型及特點(diǎn)分析

鄭 珂

(中國(guó)艦船研究院，北京 100192)

集成電機(jī)推進(jìn)器(IMP)是一種新型的水下電動(dòng)力推進(jìn)裝置，通過一種典型IMP構(gòu)型介紹了其工作原理、結(jié)構(gòu)，并分析其技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，認(rèn)為集成電機(jī)推進(jìn)器有較好的發(fā)展和應(yīng)用潛力。

集成電機(jī)推進(jìn)器(IMP);直流無刷電機(jī);泵噴射推進(jìn)器;無人水下航行器(UUV)

0 引言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使無人作戰(zhàn)平臺(tái)在未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中將扮演越來越重要的角色，成為兵力的倍增器。無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicles，UUV)作為一種水下無人作戰(zhàn)力量，受到各國(guó)海軍的追捧，也得到了飛速的發(fā)展。

集成電機(jī)推進(jìn)器(Integrated Motor/Propulsor，IMP)，是將電機(jī)移出航行器殼體外直接同推進(jìn)器組合的一種全新概念的推進(jìn)裝置，具有高功率密度、安靜、高效率等特點(diǎn)，特別適用于UUV推進(jìn)。

1 一型IMP構(gòu)型簡(jiǎn)介

本文以一型UUV用IMP為例(見圖1)，就其構(gòu)型及工作原理進(jìn)行闡述。

1.1 推進(jìn)器

該IMP采用單轉(zhuǎn)槳導(dǎo)管推進(jìn)(即泵噴射)方式，主要由轉(zhuǎn)子、定子和導(dǎo)管(導(dǎo)流罩)3部分組成。電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)子對(duì)流體做功，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)提供所需的推力。

圖1 IMP系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 IMP structure

導(dǎo)管可以分成加速導(dǎo)管和減速導(dǎo)管。IMP采用減速型導(dǎo)管，起到減速、增壓的效果，從而推遲空泡產(chǎn)生，達(dá)到較好的降噪性能。導(dǎo)管外形與航行器尾部結(jié)構(gòu)相匹配，既保證具有良好的流線形，又有足夠的空間安裝電機(jī)定子和其驅(qū)動(dòng)電路。導(dǎo)管設(shè)計(jì)采用面元法，計(jì)算導(dǎo)管流場(chǎng)為轉(zhuǎn)子葉片提供伴流。

IMP的定子裝在轉(zhuǎn)子后面，稱為“后漩”式泵噴射推進(jìn)結(jié)構(gòu)，能獲取較好的空泡性能，降低噪聲。定子除了起扭矩平衡作用外，還為供電電路提供安裝空間。設(shè)計(jì)中建立頂端帶環(huán)的槳葉和導(dǎo)管尾渦模型，著重考慮稍部和端環(huán)模型的載荷修正、氣隙尺寸對(duì)水動(dòng)力影響。轉(zhuǎn)子和定子采用升力面理論渦格法設(shè)計(jì)，進(jìn)行流場(chǎng)分析和水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)。葉數(shù)選取必須避開伴流諧波高峰數(shù)。

轉(zhuǎn)子和定子的設(shè)計(jì)采用NACA系列翼型，設(shè)計(jì)時(shí)保證在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近較寬的升力或迎角范圍內(nèi)，翼型都應(yīng)具有良好的空化特性和流體動(dòng)力特性。

材料的選取考慮重量(在考慮強(qiáng)度、低噪聲的基礎(chǔ)上)的因素，導(dǎo)管材料選用鋁合金，轉(zhuǎn)子螺旋槳采用非金屬材料。IMP的特殊結(jié)構(gòu)加之材料的選擇使其重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水下航行器電機(jī)+軸承+螺旋槳的總重量。轉(zhuǎn)子軸承采用了水潤(rùn)滑軸承，減少油潤(rùn)滑軸承的密封環(huán)境。

1.2 電機(jī)

IMP采用了高能量密度的永磁無刷電機(jī)(BLDCM);在電機(jī)的構(gòu)型上采用在螺旋槳葉片上加永磁體端環(huán)，電機(jī)定子安裝在導(dǎo)流罩內(nèi)的方式。

IMP的流體性能要求電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸越薄越小越好，因此要減薄電機(jī)定轉(zhuǎn)子的厚度，通過增加電機(jī)的極對(duì)數(shù)，提高電機(jī)的電磁負(fù)荷。

由于IMP對(duì)流體特性的要求，所以電機(jī)構(gòu)型采用不同于普通電機(jī)的“錐形電機(jī)”(見圖2)，即電機(jī)定轉(zhuǎn)子呈錐形，可見，該IMP的驅(qū)動(dòng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子及氣隙線型不是常規(guī)的相對(duì)轉(zhuǎn)軸平行，而是相對(duì)轉(zhuǎn)軸呈一定斜角。

圖2 IMP錐形電機(jī)設(shè)計(jì)草圖Fig.2 Sketch of IMP cone-shaped motor

電機(jī)控制中，主功率模塊采用智能功率模塊IPM，控制器采用DSP。考慮水流會(huì)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的波動(dòng)，不適合無傳感器方案，所以采用帶霍

爾位置傳感器的控制方式。

2 特點(diǎn)分析

IMP是滿足UUV安靜、遠(yuǎn)程、高性能等要求的重要技術(shù)途徑，因其具備的主要特點(diǎn)成為未來的發(fā)展方向。

2.1 節(jié)省空間、減輕重量

水下航行器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要約束條件就是體積和重量。UUV設(shè)計(jì)中追求的遠(yuǎn)航程、多裝設(shè)備、多裝載荷等問題，都與其體積和重量密切相關(guān)。

IMP安裝在航行器的外部，這樣省去了傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)需要的聯(lián)軸節(jié)等傳動(dòng)裝置，節(jié)省空間、減輕重量，同時(shí)提高了電機(jī)功率密度。以某型水下航行器為例，如果換裝IMP，其推進(jìn)裝置重量可減輕約60%;節(jié)省的空間如果用于加裝電池，可多裝25%以上。

2.2 降低噪聲

目前水下探測(cè)最常用和最有效的方式是聲探測(cè)。降低推進(jìn)器噪聲不僅可以降低水下航行器被探測(cè)的概率，而且可提高自身聲吶作用距離。

由于IMP在水下航行器尾部同殼體只有1個(gè)聯(lián)接接口，從而大幅消除了內(nèi)置電機(jī)與殼體聯(lián)結(jié)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲;由于不需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，也消除了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的磨擦噪聲;集成電機(jī)定子同時(shí)又是螺旋槳導(dǎo)流罩，可推遲螺旋槳葉片空泡起始并屏蔽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流噪聲，這是一種真正意義上的安靜性推進(jìn)裝置。

2.3 提高效率

IMP采用的泵噴射推進(jìn)方式在效率方面會(huì)比傳統(tǒng)的對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)低約4%～6%;IMP的特種電機(jī)在效率上與傳統(tǒng)電機(jī)基本一致;同時(shí)，采用傳統(tǒng)推進(jìn)裝置的水下航行器傳動(dòng)軸與殼體之間均需要?jiǎng)用芊馓幚?，特別是低速航行器在動(dòng)密封環(huán)節(jié)的效率損失約占到5% ～10%，而IMP避免了此動(dòng)密封環(huán)節(jié)，省去了效率損耗;由于IMP始終在海水環(huán)境中工作，它所產(chǎn)生的熱量可以通過水流進(jìn)行自然散熱冷卻，從而可使結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高了裝置的比功率和效率;加之IMP省去了傳統(tǒng)推進(jìn)的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，所以IMP在效率方面較傳統(tǒng)推進(jìn)，尤其在低速航行器，有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.4 提高保障性

IMP提高了無人水下航行器的可靠性、安全性和維修性。這是因?yàn)槠淙∠霜?dú)立的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸密封裝置，避免了泄漏、軸承等主要故障源。零部件的減少也降低了維修量。此外，IMP作為一個(gè)整段可以方便地從尾部拆下維修，并可隨時(shí)換裝，這就降低了反復(fù)試驗(yàn)和訓(xùn)練之間的維修成本，縮短了周期［3］。

美國(guó)海軍水下戰(zhàn)中心開發(fā)了1個(gè)正浮力輕型魚雷試驗(yàn)床原型，以驗(yàn)證IMP等關(guān)鍵技術(shù)和性能。在2006年7～8月期間，在美國(guó)海軍水下戰(zhàn)中心的靶場(chǎng)成功地進(jìn)行了39條次實(shí)航試驗(yàn)，雖然在試驗(yàn)中檢查了油壓，但在39個(gè)條次中未進(jìn)行任何維護(hù)［1］，顯示了條次間技術(shù)準(zhǔn)備的簡(jiǎn)易性。有時(shí)在8 h內(nèi)連續(xù)完成6個(gè)條次，每個(gè)條次間的技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間只有38 min［3］。

2.5 IMP帶來的新問題

任何事物均有其兩面性，IMP同樣也會(huì)帶來以下一些新的問題:

1)由于電機(jī)的定子安裝在導(dǎo)流罩內(nèi)，導(dǎo)流罩厚度受到限制，對(duì)航行器整體流場(chǎng)產(chǎn)生影響，增加了航行器的阻力。

2)在淺吃水航行時(shí)，特別是沙礫較多的水域，會(huì)存在將碎石和沙礫吸入系統(tǒng)的危險(xiǎn)［4］。

3)可能給航行器帶來重心后移、與鰭舵匹配等問題，需要在航行器總體設(shè)計(jì)中加以考慮。

4)電機(jī)在水中工作，存在新的絕緣和防蝕問題。

3 發(fā)展趨勢(shì)

IMP如何適用于大功率推進(jìn)是目前需要重點(diǎn)研究和攻關(guān)的問題。電機(jī)產(chǎn)生足夠強(qiáng)度、高質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)需要大的安裝空間，導(dǎo)流罩需要較好的水動(dòng)力外形，同時(shí)還要保證為螺旋槳轉(zhuǎn)子、定子提供良好伴流條件，所以，IMP的大功率及集成化的優(yōu)化設(shè)計(jì)是將來發(fā)展的重點(diǎn)。

研究UUV用大功率IMP，筆者有2種構(gòu)型方案:一是采用導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)槳IMP方案(如圖3)，即在導(dǎo)流罩內(nèi)集成2套電機(jī)定子繞組，分別驅(qū)動(dòng)2套螺旋槳轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管對(duì)轉(zhuǎn)槳的方案，這樣能較大提高推進(jìn)器功率;二是仍采用單轉(zhuǎn)槳方案(如圖4)，螺旋槳轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外緣各安裝1套永磁體轉(zhuǎn)子端環(huán)，在導(dǎo)流罩內(nèi)和尾段殼體內(nèi)各對(duì)應(yīng)集成1套電機(jī)定子繞組，實(shí)現(xiàn)功率翻番的目的。進(jìn)一步考慮，甚至可以將此2種方案一并使用獲取更大的功率。

總之，IMP由于其結(jié)構(gòu)新穎，具有低噪聲、高效推進(jìn)、可為能源/載荷提供較多攜帶空間等突出優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事和民用上都擁有廣闊的應(yīng)用前景。IMP可應(yīng)用于電動(dòng)力魚雷、UUV、自航水雷、蛙人運(yùn)載器、水下運(yùn)載器等武器和平臺(tái)，甚至經(jīng)過研究發(fā)展可用于潛艇推進(jìn)。

［1］DUBOIS N J.Rechargeable electric propulsion for lightweight torpedoes［R］.Europe UDT，2007.

［2］張強(qiáng)，程鵬，張敬南.無刷直流電動(dòng)機(jī)在集成電機(jī)推進(jìn)器中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)［J］.微特電機(jī)，2010，38(3):16－17，23.

［3］錢東，崔立，薛蒙.美國(guó)新一代電動(dòng)力輕型魚雷研發(fā)策略分析［J］.魚雷技術(shù)，2007，15(6):1－4.

［4］劉文峰，胡欲立.新型水下集成電機(jī)推進(jìn)裝置的泵噴射推進(jìn)器結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)分析［J］.魚雷技術(shù)，2007，15(6):5－8.

［5］錢東，孟慶國(guó)，薛蒙，張少悟.美國(guó)海軍UUV的任務(wù)與能力需求［J］.魚雷技術(shù)，2005，13(4):7 －12.

Analysis of construction principle and characteristics of integrated motor/propulsor

ZHENG Ke
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Integrated motor/propulsor(IMP)is a new type of underwater electrical propulsor.The mechanical structures，working principle，technology features and development of the IMP are introduced.IMP is an important tendency of development of the underwater electrical propulsor.

IMP;brushless DC motor;pump-jet;UUV

V43

A

1672－7649(2011)06－0096－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.022

2011－05－06

鄭珂(1981－)，男，碩士，工程師，主要從事水下無人航行器研究。