[科普中國]-水下特種推進(jìn)電機(jī)

結(jié)構(gòu)簡介

右圖是集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖。集成電機(jī)推進(jìn)器由集成電機(jī)，導(dǎo)流罩，轉(zhuǎn)子葉片和靜葉柵組成。電機(jī)用于直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，電機(jī)的轉(zhuǎn)子和泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為一體，電機(jī)磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子輪緣上，轉(zhuǎn)子通過軸承安裝在安裝軸上，可以繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的定子和推進(jìn)器導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)為一體，電機(jī)的電樞鐵心安裝固定在導(dǎo)流罩內(nèi)。電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子需要分別進(jìn)行絕緣和密封處理，整個(gè)電機(jī)工作在水中，電機(jī)的散熱問題可以得到很好的解決。推進(jìn)器的靜葉柵安裝在轉(zhuǎn)子的后方，用于消除液流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，平衡扭矩。集成電機(jī)推進(jìn)模塊（IMP）通過安裝軸可以比較方便的安裝在水下航行器上，電機(jī)電纜通過導(dǎo)流罩，靜葉柵和安裝軸中的通道與電機(jī)控制裝置連接?？刂蒲b置安裝在水下航行器內(nèi)部，由計(jì)算機(jī)控制。1

特種電機(jī)類型的選擇電動(dòng)機(jī)類型的選擇對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)以及航行器整體性能有較大影響，需要對(duì)不同電動(dòng)機(jī)及其控制方式進(jìn)行比較和分析。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的中小功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)四類。由這四類電動(dòng)機(jī)所組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其總體比較如表所示。

直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)并有優(yōu)良電磁轉(zhuǎn)矩控制的特性，所以直到 20世紀(jì)80年代中期它仍是國內(nèi)外的主要研發(fā)對(duì)象，目前直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還在廣泛的應(yīng)用。但是普通直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生電火花，不宜在多塵、潮濕、易燃易爆環(huán)境中使用，其換向器維護(hù)困難，很難向大容量、高速度發(fā)展。此外，電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對(duì)高度電子化的水下航行器來說將是致命的。此外，直流電動(dòng)機(jī)價(jià)格較高、體積和重量大。隨著控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，己處于劣勢(shì)。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，廠礦企業(yè)，交通工具，娛樂，科研農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，日常生活都離不開感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。常見的有鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，繞線式異步電動(dòng)機(jī)和各種控制用電動(dòng)機(jī)三大類。一般的感應(yīng)電機(jī)有啟動(dòng)力矩小、過載能力低、體積大、效率低、調(diào)速不理想等缺點(diǎn)，在要求較高的場(chǎng)合下，往往不能滿足要求。

永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(BDCM)，另一類是永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(PMSM)，也稱之為正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。BDCM系統(tǒng)不需要絕對(duì)位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形換相。PMSM系統(tǒng)一般需要絕對(duì)式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器。從磁鐵所處不同位置的結(jié)構(gòu)上看，永磁無刷電動(dòng)機(jī)可以分成表面型、鑲嵌型、深埋式等結(jié)構(gòu)型式。

開關(guān)磁 阻電動(dòng)機(jī)(SRM)目前己投入實(shí)際使用，SRM是沒有任何形式的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁鐵的無刷電動(dòng)機(jī)，它的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的。由于SRM具有集中的定子繞組和脈沖電流，其功率變換器可以采用更可靠的電路拓?fù)湫问?。SRM具有簡單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但SRM有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線性特性等缺點(diǎn)。所以，目前應(yīng)用還受到限制。1

可以看到，相對(duì)而言無刷直流電機(jī)結(jié)合了直流電機(jī)與交流同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有體積小，壽命長，控制簡單，調(diào)速精度高的特點(diǎn)，且不會(huì)失步?？紤]到集成電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)使用的特種電機(jī)在結(jié)構(gòu)上受到了很大限制，并且推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)調(diào)速性能的要求，集成電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)使用永磁直流無刷電機(jī)是比較適合的。

無刷直流電動(dòng)機(jī)可分為正弦波電機(jī)和方波電機(jī)，正弦波電機(jī)的磁通分布為正弦波形式。方波電機(jī)的磁通分布為120。的平頂方波，瓦片永磁體的充磁方向?yàn)閺较蚣ご?，極弧寬度大于120’電角度，若采用整距集中繞組，可獲得梯形反電勢(shì)，電樞電流為矩形波。推進(jìn)系統(tǒng)中選用了方波電機(jī)，它與正弦波電機(jī)相比，具有電機(jī)與電力電子控制電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、在同樣的情況下材料利用率高，出力大、控制方法簡單的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)展及應(yīng)用IMP最早是由美國海軍水下作戰(zhàn)中心和賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制的，最初用于無人潛行器，是把電機(jī)放在潛行器的外罩內(nèi)。這種布置省去了常規(guī)電機(jī)的冷卻水套，電機(jī)輔助冷卻系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)軸和連軸節(jié)。這樣可以增加潛行器的有效負(fù)載，而且內(nèi)部空間的布置非常靈活，大有好處。節(jié)省下來的空閫可以用于安裝輔助傳感器或儲(chǔ)存能量，從而提高了執(zhí)行任務(wù)的能力和續(xù)航力。該IMP的電機(jī)選用永磁同步電機(jī)，這種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是功率密度大、效率高而且聲學(xué)性能極佳。

正是由于IMP的優(yōu)點(diǎn)突出，西方一些發(fā)達(dá)國家很重視IMP的發(fā)展。目前IMP的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，除了在水下機(jī)器人應(yīng)用外，隨著推進(jìn)功率的提高和某些關(guān)鍵技術(shù)的成熟，有些IMP模塊將逐漸被用于電動(dòng)魚雷和潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)。IMP模塊有著十分廣闊的發(fā)展前景，由于他相對(duì)傳統(tǒng)的電力推進(jìn)裝置有明顯的優(yōu)勢(shì)，它的出現(xiàn)很可能會(huì)對(duì)水下推進(jìn)帶來一次革命。

但是，在國內(nèi)對(duì)集成電機(jī)推進(jìn)裝置的研究可以說還是空白，到目前為止，未見到有關(guān)產(chǎn)品或?qū)嶒?yàn)樣機(jī)的報(bào)道，國內(nèi)相關(guān)資料也寥寥無幾。

優(yōu)點(diǎn)集成電機(jī)推進(jìn)模塊相對(duì)現(xiàn)有推進(jìn)裝置的優(yōu)點(diǎn)可以總結(jié)為一下幾點(diǎn)：

1．大多的IMP的電機(jī)都使用無刷直流電動(dòng)機(jī)(一種同步電機(jī))，無刷直流電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合的機(jī)電一體化新型電機(jī)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要特征是具有與普通有刷直流電動(dòng)機(jī)相似的機(jī)械特性以及必須有電子換向電路。無刷直流電動(dòng)機(jī)徹底取消了機(jī)械換向器和電刷，這樣在可靠性方面和電磁兼容方面有了很大的改善，同時(shí)無刷電機(jī)又具備和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)相同的線性機(jī)械特性，有調(diào)速范圍寬、起動(dòng)力矩大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2．由于IMP只占用航行器內(nèi)部很小的體積，這樣可以使航行器有效容積得到很好利用，節(jié)省下來的內(nèi)部空間可以用于安放儀器或電池，從而提高了航行器執(zhí)行任務(wù)的能力和航程，而傳統(tǒng)的推進(jìn)裝置則要占用很大一部分航行器內(nèi)部體積。

3．IMP推進(jìn)器的噪音小，集成電機(jī)推進(jìn)器的螺旋槳是由電機(jī)直接帶動(dòng)的，而且螺旋槳導(dǎo)管也可以抑制空泡的出現(xiàn)，所以整個(gè)裝置噪音較低。

4．整個(gè)IMP可后期安裝，從而減小了建造周期，便于維護(hù)。

5．相對(duì)傳統(tǒng)的電力推進(jìn)裝置，由于IMP是工作在水中環(huán)境的所以在電機(jī)設(shè)計(jì)中基本不需要考慮電機(jī)冷卻問題，同時(shí)IMP也省去了聯(lián)軸節(jié)等傳動(dòng)裝景，這樣增加了動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的靠性。2

水下特種推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)特種電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)集成電機(jī)推進(jìn)器電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1 )額定輸出功率:P≈160w;( 2)額定電流 :IN