張曉飛，葉家瑋，曾曉鵬

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510640)

0 引言

推進(jìn)裝置是水面和水下航行器的主要組成部分，它將其他形式的能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以推動航行器運動。從遠(yuǎn)古時代的舟楫、風(fēng)帆到現(xiàn)代的螺旋槳、明輪、直葉推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器等，各種推進(jìn)裝置適應(yīng)了不同航行器的需要。推進(jìn)器的種類雖然很多，但絕大多數(shù)水面和水下航行器都采用螺旋槳作為推進(jìn)器［1］。傳統(tǒng)螺旋槳作為應(yīng)用最廣泛的推進(jìn)器，有著設(shè)計方法成熟、推進(jìn)效率高、工作可靠、運行成本低等優(yōu)點，但也存在著傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量和體積大等缺點。電力推進(jìn)系統(tǒng)由于其高效率、高可靠性、高自動化以及低維護(hù)等優(yōu)點，正成為新造船舶所青睞的主推進(jìn)系統(tǒng)［2］，將成為新世紀(jì)船舶動力發(fā)展的新方向［3］。傳統(tǒng)的電力推進(jìn)裝置與傳統(tǒng)的主機(jī)直接帶動螺旋槳一樣，經(jīng)由主軸傳遞功率，由于電機(jī)與螺旋槳分離，不得不面臨軸系的密封等問題，而主軸一旦出現(xiàn)故障，則喪失推進(jìn)功能。一種新型推進(jìn)裝置應(yīng)運而生，即集成電機(jī)推進(jìn)器，這種推進(jìn)器把電機(jī)和螺旋槳集成到一起，從而減小了體積，降低了噪聲，效率和可靠性都有提升?？梢宰鳛轸~雷、水下機(jī)器人的推進(jìn)裝置，也可以作為潛艇應(yīng)急推進(jìn)裝置［4］。

1 集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

集成電機(jī)推進(jìn)器一般分為導(dǎo)管、電動機(jī)、螺旋槳等幾部分，如圖1所示。一般將電動機(jī)的轉(zhuǎn)子與螺旋槳設(shè)計成一體，將電動機(jī)的定子與導(dǎo)管設(shè)計成一體，在電磁力作用下電動機(jī)轉(zhuǎn)子直接帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

圖1 集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Exploded view of the integrated integrated motor propulsor

1.1 對轉(zhuǎn)槳設(shè)計

對轉(zhuǎn)螺旋槳(Contra-Rotating Propeller，CRP)是20世紀(jì)石油危機(jī)以后隨著船舶節(jié)能措施的發(fā)展而出現(xiàn)的。這種槳采用前后2個同軸、旋轉(zhuǎn)方向相反的螺旋槳實現(xiàn)推進(jìn)。與傳統(tǒng)單螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)相比，對轉(zhuǎn)螺旋槳的后槳吸收了前槳未被有效利用的渦動能量，轉(zhuǎn)化為有效的推力，從而使其節(jié)能效果達(dá)到了10% ～20%［5］。此外，在相同推力要求下，降低了單個槳所承受的負(fù)荷，因而也提高了螺旋槳的效率。由于對轉(zhuǎn)螺旋槳必須采用雙尾管軸承，使用傳統(tǒng)軸承又產(chǎn)生了液體動力產(chǎn)生的壓力不足問題，從而阻礙了對轉(zhuǎn)螺旋槳的廣泛應(yīng)用［6］。此外，對轉(zhuǎn)螺旋槳還有軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封內(nèi)外軸困難、維護(hù)困難等缺點。而在集成電機(jī)推進(jìn)器的設(shè)計中，由于不考慮軸系傳動，從而避免了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以方便地采用對轉(zhuǎn)螺旋槳。水下機(jī)器人或魚雷采用對轉(zhuǎn)槳后，不僅可以提高推進(jìn)效率，而且由于前后槳扭矩方向相反，相互抵消，減小了扭矩，使得水下航行器不容易發(fā)生橫滾，提高了穩(wěn)定性。對轉(zhuǎn)槳前后槳轉(zhuǎn)速可以不同，前后槳葉片數(shù)也可以設(shè)計成不同數(shù)目以進(jìn)一步提高推進(jìn)效率。具體的研究可見參考文獻(xiàn) ［7］。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

集成電機(jī)推進(jìn)器主要包括導(dǎo)管、電動機(jī)、螺旋槳和附屬部件。其中導(dǎo)管中安裝電動機(jī)的定子，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子固定在螺旋槳的圓周，由轉(zhuǎn)子帶動螺旋槳共同旋轉(zhuǎn)從而使航行器運動，此時位于螺旋槳軸心的主軸不再承擔(dān)傳遞主機(jī)到螺旋槳的推力，因此可以省去主軸。但如果省去主軸后，水作用與螺旋槳產(chǎn)生的反向推力就要通過電動機(jī)轉(zhuǎn)子傳遞給航行器，這樣就增加了導(dǎo)管內(nèi)的設(shè)計與加工難度，故宜采用有槳軸型設(shè)計。此時螺旋槳主軸可以不旋轉(zhuǎn)，僅僅起到固定螺旋槳和轉(zhuǎn)子位置并傳遞推力的作用。

要帶動螺旋槳對轉(zhuǎn)有幾種方式:一種是采用1個單向電動機(jī)，通過機(jī)械傳動裝置實現(xiàn)前后螺旋槳的反向旋轉(zhuǎn);第二種是采用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，這里又可以細(xì)分2種，一種是電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子相對于固定部分都可以旋轉(zhuǎn)，分別帶動前后槳異向旋轉(zhuǎn)，另一種是電動機(jī)有定子和內(nèi)外2個轉(zhuǎn)子，如圖2所示;第三種是使用2個電動機(jī)，分別帶動前后槳實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。對第一種方案而言，設(shè)計比較復(fù)雜，顯然不適合于集成電機(jī)推進(jìn)器。第二種方案中，前一種由于電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子分別帶動前后槳旋轉(zhuǎn)，可以自動適應(yīng)螺旋槳的推力要求，達(dá)到最佳的推進(jìn)效率，是比較適宜的方案。但是，由于雙轉(zhuǎn)子電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都需要旋轉(zhuǎn)，而電動機(jī)繞組的出線必須通過滑環(huán)引出來，對于工作在空氣中的電機(jī)問題不大，但集成電機(jī)推進(jìn)器工作于水中，這就帶來需要密封滑環(huán)以防止短路的新問題，從而影響其實用性，顯然也不是合理的設(shè)計而后一種電動機(jī)雖然不再需要滑環(huán)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也不適宜在集成電機(jī)推進(jìn)器中應(yīng)用。最后一種方案雖然增加了1個電動機(jī)，但是也提高了螺旋槳的推進(jìn)功率，結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，2個電動機(jī)獨立運行，當(dāng)有1個損壞時航行器也可以正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖2 兩種形式的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)Fig.2 Two forms of dual-rotor motor

2 電機(jī)設(shè)計

集成電機(jī)推進(jìn)器可以采用多種形式的電機(jī)［8-9］，而直流永磁無刷電機(jī)由于具有良好的啟動性能和調(diào)節(jié)性能以及功率密度大，結(jié)構(gòu)簡單等特點，比較適宜運用在集成電機(jī)推進(jìn)器上。由于集成電機(jī)推進(jìn)器工作于水下，要求電機(jī)的定子軛、轉(zhuǎn)子軛和定子齒的厚度盡量小，為滿足需要，可以采用高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度的釹鐵硼永磁體、增加電樞鐵心長度或增加磁極對數(shù)等措施。永磁體采用表面貼裝式結(jié)構(gòu)。集成電機(jī)推進(jìn)器工作在水下，受水流的影響轉(zhuǎn)矩會有較大的波動，不適合無傳感器電機(jī)，所以應(yīng)采用帶傳感器的電機(jī)［10］。

設(shè)計的電機(jī)主要數(shù)據(jù)如表1所示，電機(jī)運行參數(shù)如表2所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the motor

表2 電機(jī)主要性能Tab.2 Main performance of the motor

電機(jī)設(shè)計中，由于電機(jī)工作環(huán)境處于水下，散熱條件良好，電樞線負(fù)荷可以取較大值。但是應(yīng)該注意絕緣，電樞鐵心和磁鋼都應(yīng)該涂有絕緣涂層，轉(zhuǎn)子永磁體外面用不導(dǎo)磁的不銹鋼包裹，以防止離心力將永磁體甩出，而且有利于保護(hù)永磁體。無刷直流電機(jī)的控制是比較成熟的，具體可見參考文獻(xiàn)［11］。

3 電機(jī)仿真分析

Ansoft Maxwell是世界著名的低頻電磁場有限元軟件，在各個工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，它不僅可以對單個電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計算，還可對整個系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真［12］。Ansoft Maxwell 12自帶了RMxprt旋轉(zhuǎn)電機(jī)分析專家模塊，可以分析多種電機(jī)類型的性能，給電機(jī)設(shè)計帶來了極大的方便。

利用Ansoft可以繪制二維或三維電機(jī)模型，而用RMxprt模塊只需輸入電機(jī)主要尺寸、材料和主要性能等就可以方便地建立電機(jī)模型。計算結(jié)果與上一節(jié)設(shè)計電機(jī)結(jié)果相比，轉(zhuǎn)速達(dá)不到要求，上節(jié)設(shè)計的電機(jī)電樞電流較大，造成銅耗較大，使得電機(jī)效率較低。為優(yōu)化設(shè)計，將每槽導(dǎo)體數(shù)減少1即變成9，并將導(dǎo)線更換為0.85 mm的導(dǎo)線，此時功率和轉(zhuǎn)矩沒有下降，效率反而上升。計算的電機(jī)主要性能如表3所示。

表3 Ansoft仿真計算的電機(jī)主要數(shù)據(jù)Tab.3 Main data of the simulation of the motor with Ansoft

4 結(jié)語

本文對集成電機(jī)推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比較不同結(jié)構(gòu)的特點，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出符合要求的推進(jìn)器。并利用Ansoft軟件對電機(jī)進(jìn)行仿真分析，驗證了設(shè)計電機(jī)的合理性。實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合螺旋槳的負(fù)載特性進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計，以利于進(jìn)一步提高推進(jìn)器的效率，提高二者的匹配性。

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