無(wú)軸推進(jìn)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展

歐陽(yáng)武，汪盛通，李鋒

武漢理工大學(xué)

無(wú)軸推進(jìn)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展

歐陽(yáng)武，汪盛通，李鋒

武漢理工大學(xué)

航行器的的水下駕駛技術(shù)是其先進(jìn)性能的重要因素。沒(méi)有電力推進(jìn)技術(shù)的支持，許多先進(jìn)的戰(zhàn)斗思路和戰(zhàn)術(shù)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)消除了傳統(tǒng)的推進(jìn)驅(qū)動(dòng)軸，這將促進(jìn)電機(jī)和螺旋槳的整合，可以充分利用電氣和海水接觸，散熱效果好，有效地節(jié)省了水下機(jī)艙空間，地面和水下航行器的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。

無(wú)軸推進(jìn)；電機(jī)技術(shù)；發(fā)展

武漢理工大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助，項(xiàng)目編號(hào)：201610497224。

1.無(wú)軸推進(jìn)電機(jī)技術(shù)

無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)采用新型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，完全替代了推進(jìn)軸，這對(duì)于潛艇來(lái)說(shuō)是一個(gè)歷史性的技術(shù)跨越。電機(jī)的定子集成在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)，轉(zhuǎn)子形成環(huán)形，圍繞推進(jìn)器的輪緣，所以又叫做輪轂推進(jìn)器，這種推進(jìn)技術(shù)在潛艇上也被稱(chēng)之為集成電機(jī)推進(jìn)技術(shù)。

無(wú)軸推進(jìn)是一種全電推進(jìn)方式。它在電機(jī)形式結(jié)構(gòu)和推進(jìn)方式等方面都與普通的全電推進(jìn)方式有所不同。在2004年，DARPA擬定了“唐格-布拉沃”計(jì)劃，與通用電船公司達(dá)成了相關(guān)合同，為美國(guó)的下一代彈道導(dǎo)彈核潛艇、攻擊型核潛艇所使用的集成電機(jī)推進(jìn)技術(shù)研發(fā)做技術(shù)儲(chǔ)備。目前集成電機(jī)的推進(jìn)技術(shù)主要有三種模式：輪緣驅(qū)動(dòng)、輪轂驅(qū)動(dòng)、內(nèi)部驅(qū)動(dòng)。

（1）輪緣驅(qū)動(dòng)。輪緣驅(qū)動(dòng)的中心部位不需要支撐物而是把螺旋槳葉片固定在外徑上。推進(jìn)器把永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成環(huán)形結(jié)構(gòu)，定子裝配帶有水潤(rùn)滑作用的推力以及支座滑動(dòng)軸承。效率高、能夠單獨(dú)替換損壞的葉片，并且不需要把螺旋槳整體拆除是輪緣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

（2）輪轂驅(qū)動(dòng)。輪轂推進(jìn)器可以使用兩種方式，一是軸承組件安裝在外側(cè)定子中，二是將軸承組件安裝在內(nèi)部輪轂內(nèi)。通用公司所使用的第二種方案。第一種方案也正在研究之中。從輪轂驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)上看，推進(jìn)系統(tǒng)中使用了兩臺(tái)推進(jìn)器，機(jī)罩的外殼分別安裝在潛艇耐壓殼的兩側(cè)。每一臺(tái)電機(jī)功率為5.85兆瓦，正常狀態(tài)下的最大轉(zhuǎn)速為125轉(zhuǎn)/分，兩臺(tái)推進(jìn)器的總功率約為12兆瓦，足夠滿足“弗吉尼亞”大小的核潛艇的動(dòng)力需求。

（3）內(nèi)部驅(qū)動(dòng)。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)美國(guó)海軍目前也正在推進(jìn)概念研究，研發(fā)出了基于集成電機(jī)推進(jìn)技術(shù)的名為RED-1的概念潛艇，其中引入了另外一種無(wú)軸推進(jìn)器。安裝在潛艇耐壓艙內(nèi)，位于潛艇尾操縱面之前，并且采用了永磁電機(jī)，類(lèi)似戒指結(jié)構(gòu)，中心有很大的空間，一臺(tái)直徑為1.22米的無(wú)人潛航器甚至能夠從電機(jī)中心穿過(guò)開(kāi)出艇外。結(jié)構(gòu)造型新奇，具有高效推進(jìn)、低噪聲、擁有更多空間攜帶能源或載荷等優(yōu)點(diǎn)。

2.無(wú)軸推進(jìn)電機(jī)發(fā)展概況

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是重要的船舶動(dòng)力。由于電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)布置方便，工作噪音低，節(jié)能，操作靈活，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)[1]。并逐漸取代傳統(tǒng)的推進(jìn)趨勢(shì)。

由于直流電機(jī)調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制是理想的，所以直流調(diào)速系統(tǒng)的組成比較簡(jiǎn)單。然而，直流電動(dòng)機(jī)中的換向器有自己的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，價(jià)格高，周?chē)h(huán)境受到保護(hù)，因?yàn)榛鸹ㄏ拗?，容量限制和限速限制?/p>

交流電機(jī)輸出功率和限速值遠(yuǎn)大于直流電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，運(yùn)行可靠，體積小。隨著矢量控制技術(shù)的發(fā)展，交叉速度控制系統(tǒng)的性能可以與直流捕捉系統(tǒng)相媲美，不僅廣泛應(yīng)用于鋼鐵，造紙，化工等工業(yè)領(lǐng)域。在破冰船，油輪，游船，工程船舶和特種船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)也得到應(yīng)用，逐步取代直流電力推進(jìn)系統(tǒng)。

同時(shí)現(xiàn)在第三代稀土永磁材料釹鐵硼開(kāi)發(fā)成功，永磁電機(jī)功率的水平得到提升。正在開(kāi)發(fā)永磁推進(jìn)電機(jī)的新磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，重量越輕越好，性能越來(lái)越好，更適合大功率提升的要求。

3.船舶推進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

船舶推進(jìn)電機(jī)與普通電機(jī)不同。其設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮使用環(huán)境和工作需要。首先要考慮使用環(huán)境條件如海水，鹽霧，再考慮艙室內(nèi)布置、外形結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕等要求[2]。

發(fā)展趨勢(shì)大容量：高轉(zhuǎn)矩，比功率高，噪音低，調(diào)速面積大，調(diào)光面積小，重量輕，安全可靠，尺寸可靠。

（1）大容量。船舶的排水量越大，所需的推進(jìn)動(dòng)力越大，推進(jìn)機(jī)的能力逐漸增加。早期的船只用槳推進(jìn)?，F(xiàn)在已經(jīng)用單螺旋槳代替，單個(gè)推進(jìn)馬達(dá)的容量增加了太多。

（2）高轉(zhuǎn)矩。較早的螺旋槳是一種高速螺旋槳。為了提高效率和推進(jìn)力，降低噪音，現(xiàn)在采用低速大直徑螺旋槳，低速，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大大提高。

（3）高比功率，體積小、重量輕。推進(jìn)馬達(dá)通常放置在船的后部?，F(xiàn)在船舶為了提高流體力學(xué)和聲學(xué)性能，船尾的收縮導(dǎo)致船廂體積更小，要求推動(dòng)電機(jī)體積小，重量輕，高于功率。

（4）可靠性高。較早的船舶與柴油推進(jìn)電機(jī)同軸推進(jìn)，配備多臺(tái)主推進(jìn)電機(jī)和多臺(tái)輔助推進(jìn)電機(jī)?，F(xiàn)在只有一個(gè)主推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)已經(jīng)成為唯一的推進(jìn)艦。必須具有很高的可靠性，才能保證船舶的活力。

（5）寬調(diào)速范圍和調(diào)速性能。推進(jìn)電機(jī)能夠在很寬的速度范圍內(nèi)順利進(jìn)行，以滿足船舶航行的要求，每分鐘幾十分鐘到幾百轉(zhuǎn)。速度比接近10：1[3]。任何速度都能正常工作。在相同的輸出功率。與電動(dòng)機(jī)的總體速度和變速電動(dòng)機(jī)的中斷速度相比，電力的實(shí)際負(fù)擔(dān)，電力負(fù)荷和堿負(fù)荷要大得多。

直流電機(jī)通常用于改變勵(lì)磁和電樞電壓控制方式。只有速度控制方法之一，不能滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速和高效率要求的廣泛范圍。改變激勵(lì)調(diào)整，使電機(jī)部分磁路以最小速度來(lái)確定尺寸。電機(jī)的尺寸和重量增加，使用率低，效率低，低速[4]。所以集成電路采用勵(lì)磁和電樞電壓同時(shí)調(diào)整方法來(lái)滿足要求。一般使用頻率控制模式。可采用電流和電壓型逆變電源。是采用電壓式變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)交流推進(jìn)電機(jī)的寬速調(diào)速功能。

（6）振動(dòng)和噪聲。特殊船舶如測(cè)量船舶，考察船舶，推進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)和噪音都會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。所以船舶推進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲要求越來(lái)越高。

結(jié)語(yǔ)

目前無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)還處于概念研究和實(shí)驗(yàn)室模型驗(yàn)證階段。如何精確調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速以達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)速比和全新結(jié)構(gòu)的螺旋漿的流體力場(chǎng)需重新計(jì)算、重新設(shè)計(jì)是它所面臨的主要技術(shù)難關(guān)。充分發(fā)揮無(wú)軸推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，解決無(wú)軸推進(jìn)關(guān)鍵性技術(shù)中的難點(diǎn)需要更多人的智慧。

[1]汪勇，李慶.新型集成電機(jī)推進(jìn)器設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)艦船研究,2011（1）：82-85.

[2]鄭坷.集成電機(jī)推進(jìn)器構(gòu)型及特點(diǎn)分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011（6）：96-98.

[3]陳虹，冷文軍.美、俄核潛艇技術(shù)發(fā)展述評(píng)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2008（6）：38-44.

[4]談微中，嚴(yán)新平，劉正林等.無(wú)軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2015（3）:601-605.