新型集成電機(jī)推進(jìn)器設(shè)計研究

汪 勇 李 慶

1武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北 武漢 430064

2中國中鐵電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，湖北武漢 430064

新型集成電機(jī)推進(jìn)器設(shè)計研究

汪 勇1李 慶2

1武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北 武漢 430064

2中國中鐵電氣化局集團(tuán)第二工程有限公司，湖北武漢 430064

為了實現(xiàn)單軸推進(jìn)潛艇，在主推進(jìn)軸系故障失效狀態(tài)下的應(yīng)急推進(jìn)，在參照吊艙推進(jìn)器的基礎(chǔ)上并結(jié)合導(dǎo)管槳結(jié)構(gòu)形式，通過將傳統(tǒng)電機(jī)、螺旋槳推進(jìn)型式在軸向空間進(jìn)一步集成，設(shè)計出新型集成電機(jī)推進(jìn)器，并通過設(shè)計實例對集成電機(jī)推進(jìn)器在結(jié)構(gòu)特點、電機(jī)設(shè)計、水動力學(xué)仿真與模型水池試驗等方面進(jìn)行說明，論證集成推進(jìn)器高效率、高功率密度的特點，適合于作為潛艇應(yīng)急推進(jìn)裝置。

集成；電機(jī)；推進(jìn)器；潛艇

1 引言

隨著動力裝置單機(jī)功率的增加，現(xiàn)代潛艇為了減小航行阻力，提高隱身性能已經(jīng)趨向于由原來的雙軸推進(jìn)改為單軸推進(jìn)。目前，現(xiàn)役先進(jìn)潛艇基本都采用單軸推進(jìn)，這就對主動力裝置和推進(jìn)軸系的可靠性提出了更高的要求。鑒于潛艇以水下航行作戰(zhàn)為主的特殊情況，一般都另設(shè)有應(yīng)急動力裝置，以供主動力裝置在戰(zhàn)損、故障等失效狀態(tài)下提供應(yīng)急動力，從而提高了整個推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性。但是對于單軸推進(jìn)系統(tǒng)，存在一個致命的缺陷就是當(dāng)推進(jìn)軸系出現(xiàn)故障，比如推進(jìn)軸系上的螺旋槳被漁網(wǎng)等障礙物纏繞無法旋轉(zhuǎn)，此時即使有應(yīng)急動力裝置也無法起到應(yīng)急的作用。在國外，如美國核潛艇除了設(shè)有與推進(jìn)軸系相聯(lián)結(jié)的應(yīng)急動力裝置外，還另設(shè)有與推進(jìn)軸系無關(guān)聯(lián)的應(yīng)急推進(jìn)裝置。該推進(jìn)裝置平時收放在非耐壓殼內(nèi)，遇到主推進(jìn)裝置失效時，再通過收放機(jī)構(gòu)伸出艇外驅(qū)動潛艇以較低的航速4～5 kn返回基地，被艇員親切的稱為“返回家園驅(qū)動器”。

2 新型集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型集成電機(jī)推進(jìn)器是一種高功率密度、高效率的新型推進(jìn)器。它是在參照目前民用船舶上已廣泛使用的吊艙推進(jìn)器，同時參考導(dǎo)管槳結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)，將導(dǎo)管、電機(jī)、螺旋槳進(jìn)一步集成，減小軸向空間，設(shè)計出一種新型集導(dǎo)管、電機(jī)和螺旋槳為一體的推進(jìn)裝置。它既可以做到可收放、360°回轉(zhuǎn)與主推進(jìn)軸系無關(guān)聯(lián)，又克服了傳統(tǒng)吊艙體積龐大的缺點，非常適于用作潛艇應(yīng)急推進(jìn)裝置。新型集成電機(jī)推進(jìn)器在外觀上類似導(dǎo)管槳，但和導(dǎo)管槳又有區(qū)別，導(dǎo)管槳驅(qū)動螺旋槳的動力來自與槳軸相連接位于殼體內(nèi)的原動機(jī)，而新型集成電機(jī)推進(jìn)器將電機(jī)定子與導(dǎo)管集成，電動機(jī)轉(zhuǎn)子與螺旋槳集成，通過電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的電磁作用力直接帶動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，就是直接驅(qū)動螺旋槳。采用這種結(jié)構(gòu)型式可以顯著提高系統(tǒng)的效率和功率密度。根據(jù)有無螺旋槳槳軸情況可將其結(jié)構(gòu)型式分為兩類：有槳軸型和無槳軸型。

2.1 有槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

有槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器其結(jié)構(gòu)主要由幾個部分組成（圖1）：導(dǎo)管也作為電機(jī)定子，定子鐵芯、繞組以及位置傳感器均置于其中；螺旋槳作為電機(jī)轉(zhuǎn)子，在其槳葉葉稍處帶有端環(huán)，轉(zhuǎn)子勵磁用的永磁體位于端環(huán)內(nèi)；螺旋槳軸是電機(jī)轉(zhuǎn)子支撐軸；支撐筋是螺旋槳軸與導(dǎo)管之間的支撐件，支撐螺旋槳軸，同時也將螺旋槳產(chǎn)生的推力傳到導(dǎo)管上；軸承包括螺旋槳與槳軸之間的支撐軸承以及將螺旋槳產(chǎn)生的力傳遞到支撐筋上的推力軸承；鎖緊螺母類似常規(guī)螺旋槳的轂帽，主要作用是固定螺旋槳軸和導(dǎo)流。

可見有槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器一個顯著特點就是將導(dǎo)管、電機(jī)與螺旋槳在軸向上集成為一體，從而使整個推進(jìn)裝置體積減小，系統(tǒng)功率密度和效率得到提高。

2.2 無槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

雖然有槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器已將導(dǎo)管、電機(jī)、螺旋槳高度集成，整個系統(tǒng)功率密度和效率得到提高，但支撐螺旋槳軸系及其相關(guān)附件仍然占據(jù)導(dǎo)管內(nèi)部分流通面積，增大了流阻，降低了系統(tǒng)效率。為了改進(jìn)這些缺陷，進(jìn)一步提供系統(tǒng)集成度，出現(xiàn)了無槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器，見圖2。相對于有槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器，無槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器最大的特點就是取消了支撐螺旋槳的軸系，但其結(jié)構(gòu)原理與有槳軸型相比沒有任何變化，仍是將導(dǎo)管、電機(jī)與螺旋槳集成為一體，只是將支撐螺旋槳的結(jié)構(gòu)放置到導(dǎo)管內(nèi)，使整個裝置集成度得到進(jìn)一步提高，導(dǎo)管內(nèi)流通面積更大，流阻更小，功率密度和效率也比有槳軸型更高。但這種結(jié)構(gòu)也相應(yīng)增加了導(dǎo)管內(nèi)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，此時導(dǎo)管內(nèi)不但有電機(jī)定子鐵芯、繞組和位置傳感器，還有支撐螺旋槳以及承受螺旋槳工作時產(chǎn)生推力的軸承結(jié)構(gòu)，增加了設(shè)計難度。

3 潛艇新型集成電機(jī)推進(jìn)器的設(shè)計

一般電機(jī)電磁設(shè)計中通常采用磁路等效的設(shè)計方法，此種設(shè)計方法是建立在磁路分析的基礎(chǔ)上的。實際中，磁路等效計算方法有時難以準(zhǔn)確計算磁場分布，這樣會造成材料浪費或者設(shè)計出的磁場分布不合理。因此，現(xiàn)在多采用場、路結(jié)合的方法進(jìn)行電機(jī)電磁設(shè)計，即先使用傳統(tǒng)方法對電機(jī)磁路進(jìn)行設(shè)計，在此基礎(chǔ)上采用電磁場有限元仿真軟件對電機(jī)電磁場進(jìn)行仿真分析，以校核磁路設(shè)計結(jié)果。

3.1 電機(jī)類型、主尺寸確定

轉(zhuǎn)子為磁極的永磁電機(jī)有兩種不同的型式，即永磁同步電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)。分析兩種不同類型永磁電機(jī)控制策略和對位置傳感器類型及安裝的要求，綜合新型集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)特點，采用帶位置傳感器的永磁無刷直流電機(jī)比較適合。永磁無刷直流電機(jī)定子內(nèi)徑和鐵芯長度由下式確定：

式中，D為定子內(nèi)徑；L為鐵芯長度；αi為極弧系數(shù)；Bδ為氣隙磁密；A 為線負(fù)荷；Pi′為計算視在功率；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)處于長期運行狀態(tài)時，取計算視在功率為：

式中，PN為電機(jī)額定功率；η′是預(yù)估效率。在新型應(yīng)急推進(jìn)裝置中，電機(jī)尺寸的選取要結(jié)合上述公式和螺旋槳盤面直徑，而螺旋槳一般徑向尺寸較大，而軸向尺寸小，因此各個參數(shù)在取值中，應(yīng)根據(jù)螺旋槳尺寸以及上面的公式進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳值。

3.2 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子設(shè)計

新型集成電機(jī)推進(jìn)器設(shè)計中應(yīng)盡量增大流通面積，減小流體阻力，提高整個裝置的效率。這就要求導(dǎo)管在容納電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的情況下總體厚度盡量小；同時，由于集成電機(jī)推進(jìn)器通常情況下是浸沒于水中工作，電機(jī)外表面和電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙間水是可以自由流通的，因此該類型電機(jī)散熱條件相比普通電機(jī)要好很多，在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計時應(yīng)充分考慮到這些特點。在電機(jī)設(shè)計條件允許的情況下，電機(jī)定子軛厚度、轉(zhuǎn)子軛厚度、磁鋼厚度和定子齒高度要盡量小，以減小導(dǎo)管厚度，增大有效流通面積提高系統(tǒng)效率，同時，適當(dāng)增大電機(jī)電流密度、線負(fù)荷、熱負(fù)荷，以提高系統(tǒng)功率密度。與普通電機(jī)相比，新型集成電機(jī)推進(jìn)器電機(jī)極數(shù)多、頻率高、外形薄，定子外徑到轉(zhuǎn)子內(nèi)徑之間的總厚度小。為了獲得最大的轉(zhuǎn)矩輸出，電機(jī)定子采用了集中整距繞組型式。集中整距繞組相比其他幾種繞線方式，它的基波分布系數(shù)最大，基波轉(zhuǎn)矩沒有損失。但集中整距繞組相比其他的繞組，轉(zhuǎn)矩波動較大，可以采用多相繞組、定子斜槽等方式降低轉(zhuǎn)矩波動。電機(jī)轉(zhuǎn)子由永磁體、導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子軛和螺旋槳組成。永磁體是產(chǎn)生勵磁磁場的核心，一般采用稀土永磁材料，如釹鐵硼或釤鈷。在螺旋槳槳葉葉稍處安裝有凹型端環(huán)，永磁體和轉(zhuǎn)子扼安裝與端環(huán)的凹槽內(nèi)，考慮到對轉(zhuǎn)子動平衡的精度要求較高，用整體環(huán)較好。但目前用稀土永磁材料做成的整體環(huán)充磁難度大，考慮采用由多塊永磁材料均布在轉(zhuǎn)子上組成的表貼式拼裝結(jié)構(gòu)。

由于電機(jī)在水下工作，電機(jī)導(dǎo)線和繞組部分需要良好的絕緣，同時轉(zhuǎn)子勵磁用的永磁體在水下也極容易被腐蝕，所以在電機(jī)定、轉(zhuǎn)子設(shè)計中還要考慮其水密封問題，對電機(jī)定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體水密可以灌入環(huán)氧材料密封絕緣處理。

3.3 仿真分析

結(jié)合上面對新型集成電機(jī)推進(jìn)器中電機(jī)設(shè)計的分析，對某20 kW有槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器電機(jī)進(jìn)行設(shè)計。該電機(jī)主要參數(shù)如下：額定輸出功率20 kW；額定轉(zhuǎn)速600 r／min；額定輸入電壓DC 220 V；電機(jī)效率不小于90%；相配的螺旋槳直徑0.578 m。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，采用磁路等效的設(shè)計方法，設(shè)計電機(jī)相關(guān)參數(shù)如下：6相；180槽；極對數(shù)15 對；定子內(nèi)徑 0.611 m；定子外徑 0.653 m；鐵芯長度0.092 m；定子軛厚度0.015 m；轉(zhuǎn)子軛厚度0.01 m；磁鋼厚度 0.005 m；氣隙長度 0.002 5 m；總體厚度0.042 5 m。以上設(shè)計數(shù)據(jù)充分體現(xiàn)了集成電機(jī)推進(jìn)器電機(jī)定子軛厚度、轉(zhuǎn)子軛厚度、磁鋼厚度小，極數(shù)多，頻率高，外形薄，總厚度小的特點。

針對以上設(shè)計結(jié)果，采用場的方法應(yīng)用專門電磁場仿真分析軟件Ansoft仿真驗證分析，顯示其磁密分布云圖，如圖3，計算得出其空載反電勢平均值 101.8 V，空載氣隙磁密 0.58 T，額定狀態(tài)工作時電磁轉(zhuǎn)矩 352.8 N·m。

4 導(dǎo)管、螺旋槳水動力性能設(shè)計

新型集成電機(jī)推進(jìn)器以水下工作為主，其外部線型包括導(dǎo)管和螺旋槳必須經(jīng)過嚴(yán)格水動力學(xué)設(shè)計和水池試驗，力求流阻小、效率高，取得最佳的水動力學(xué)特性。

仍以20 kW有槳軸型集成電機(jī)推進(jìn)器為例，導(dǎo)管、螺旋槳參數(shù)為：螺旋槳吸收功率20 kW；額定轉(zhuǎn)速 600 r／min；軸系效率取 0.95；設(shè)計航速 5 kn；伴流分?jǐn)?shù)0.1；流體介質(zhì)為海水。根據(jù)以上參數(shù)采用荷蘭船模試驗水池導(dǎo)管槳Bp－δ圖譜設(shè)計結(jié)果如下：No.19A 導(dǎo)管長徑比 0.625； 螺旋槳 Ka4－55 槳，直徑 0.578 m，轂徑比 0.25，盤面比 0.51，側(cè)斜 22°，螺距比 1.15；前后支撐筋 NCAC0012。 根據(jù)圖譜設(shè)計的結(jié)果，應(yīng)用環(huán)流理論，用專門流體仿真軟件Fluent對圖譜設(shè)計進(jìn)行仿真校核，整個集成電機(jī)推進(jìn)器表面壓力分布見圖4。螺旋槳水動力計算結(jié)果如下：進(jìn)速系數(shù)J0＝0.4；推力系數(shù)KT＝0.368； 轉(zhuǎn)矩系數(shù) 10KQ＝0.455； 螺旋槳敞水效率η0＝0.515，產(chǎn)生總推力T＝430 kgf。

根據(jù)導(dǎo)管、螺旋槳設(shè)計數(shù)據(jù)，制作集成電機(jī)推進(jìn)器水池試驗?zāi)Ｐ?，見圖5。該模型包含導(dǎo)管、螺旋槳、支撐筋全部要素，僅不含電機(jī)部分，通過水池模型試驗進(jìn)一步驗證了導(dǎo)管、螺旋槳水動力性能，論證了設(shè)計的可行性。

5 結(jié)束語

潛艇新型集成電機(jī)推進(jìn)器涉及到機(jī)械、電機(jī)、控制、流體等多學(xué)科知識，本文分析了其在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)、流體等方面設(shè)計特點，并通過實例設(shè)計進(jìn)行了論證。新型集成電機(jī)推進(jìn)器高效率、高功率密度的特點使得它非常適合于作為潛艇應(yīng)急推進(jìn)的動力裝置，同時隨著各方面技術(shù)的進(jìn)步、研究的深入，其功率范圍也必將擴(kuò)大，由現(xiàn)在的小功率用于潛艇應(yīng)急推進(jìn)發(fā)展到大功率可用于潛艇主推進(jìn)或水面艦船的推進(jìn)。

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Design of a New Integrated Motor Propulsion System

Wang Yong1Li Qing2
1 Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute， Wuhan 430064， China
2 The Secondary Engineering Ltd.under China Railway Electrification Bureau Group，Wuhan 430064，China

In order to achieve the emergency propulsion of submarine driven by one shafting system in case of malfunction of the main propulsion shafting，by combining the duct paddle structure in reference to the pod propeller，the traditional electrical motor and spiral propeller in the axial space were further integrated， and a new kind of integrated motor propulsion with high efficiency and high power density，was designed.Moreover， the design characteristics of the integrated motor propulsion in terms of structure， electric motor and hydrodynamics were analyzed， thus proving that the integrated motor propulsion system is a good selection as submarine emergency propulsion device.

integrated； electric motor； propulsion system； submarine

U664.3

A

1673－3185（2011）01－82－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.016

2010-03-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）基金項目（2006AA092211）

汪 勇（1976－），男，工程師，碩士。研究方向：機(jī)電一體化設(shè)計。E-mail：wwg76＠ 126.com