王小雷, 樊曉波

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魚雷磁耦合傳動(dòng)金屬隔離罩分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

王小雷, 樊曉波

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第 705 研究所昆明分部, 云南 昆明, 650118)

磁耦合傳動(dòng)技術(shù)可解決魚雷大深度攻擊所面臨的尾軸密封問題, 但其金屬隔離罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)與損耗分析是該技術(shù)難點(diǎn)之一?；谝恍痛篷詈蟼鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的工作特性, 開展了金屬隔離罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算工作, 建立了2D和3D有限元損耗模型, 開展了感應(yīng)電流、渦流損耗分析, 建立了3D有限元耐壓強(qiáng)度模型, 并進(jìn)行了耐壓強(qiáng)度分析。仿真結(jié)果表明, 金屬隔離罩設(shè)計(jì)合理, 渦流損耗小, 能滿足耐壓強(qiáng)度要求。

魚雷; 金屬隔離罩; 渦流損耗; 耐壓強(qiáng)度; 有限元分析

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)深潛狀態(tài)(近1 km)敵方潛艇的有效攻擊, 未來(lái)電動(dòng)力魚雷和遠(yuǎn)程巡航雷的工作深度將不斷增加, 因此對(duì)在大深度、跨深度等多工況下電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的尾軸密封裝置提出了更高的要求[1]。磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)利用永磁材料的力學(xué)性質(zhì)將磁體作為能量傳動(dòng)的動(dòng)力源, 利用磁力耦合作用實(shí)現(xiàn)力或轉(zhuǎn)矩(功率)的無(wú)接觸傳遞?；隰~雷推進(jìn)系統(tǒng)工作特點(diǎn), 其具有以下優(yōu)勢(shì): 1) 具有過(guò)載保護(hù)功能; 2) 實(shí)現(xiàn)非接觸無(wú)摩擦傳動(dòng); 3)不存在直接接觸, 可保證絕對(duì)密封。因此磁耦合傳動(dòng)在水下密封傳動(dòng)方面, 特別是水下大深度運(yùn)載方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

磁耦合傳動(dòng)因可實(shí)現(xiàn)非接觸動(dòng)力傳遞而備受關(guān)注。1999年, 美國(guó)Magna Drive公司在該技術(shù)上獲得了突破性的進(jìn)展, 2004年其產(chǎn)品通過(guò)了美國(guó)海軍最嚴(yán)格的9-G抗震試驗(yàn)[2]。在國(guó)內(nèi), “蛟龍”號(hào)載人潛水器的動(dòng)力系統(tǒng)使用了磁耦合傳動(dòng)技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了水下7 km推進(jìn)電機(jī)主軸與推進(jìn)器之間的絕對(duì)密封傳動(dòng), 但其磁耦合推進(jìn)裝置的傳動(dòng)功率較小, 轉(zhuǎn)速較低, 無(wú)法滿足高速魚雷大功率動(dòng)力傳動(dòng)的需求。目前, 磁耦合傳動(dòng)技術(shù)還存在著許多需攻克解決的問題, 主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì), 進(jìn)一步大型化, 隔離罩渦流損耗計(jì)算及抑制方法, 結(jié)構(gòu)材料和構(gòu)件的開發(fā)選擇等[3]。

本文基于一型磁耦合傳動(dòng)裝置的基本參數(shù), 針對(duì)金屬隔離罩工作特性開展感應(yīng)電流、渦流損耗, 耐壓強(qiáng)度等特性研究與分析, 完成金屬隔離罩的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 磁耦合傳動(dòng)隔離罩損耗原理

磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的隔離套可采用非金屬材料和金屬材料。采用非金屬材料時(shí), 隔離套上不會(huì)感應(yīng)出渦流, 但可承受的外壓較小, 同時(shí)可加工性較差。采用金屬材料時(shí), 其可承受較大的外壓, 但金屬隔離罩處于交變磁場(chǎng)中, 據(jù)楞次定律: 變化的磁場(chǎng)將產(chǎn)生電場(chǎng), 金屬隔離罩在垂直磁力線方向的截面上會(huì)感應(yīng)出渦流[4]。渦流會(huì)減弱工作氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度, 降低傳遞轉(zhuǎn)矩, 同時(shí)在金屬隔離罩中產(chǎn)生渦流損失, 降低了傳動(dòng)效率[5]。

依據(jù)Maxwell方程, 則有

式中:為隔離罩厚度;為隔離罩中心半徑。將式(1)代入式(2), 有

則有

感應(yīng)電流密度

為了滿足魚雷武器大深度攻擊的戰(zhàn)術(shù)要求, 磁耦合傳動(dòng)隔離罩一般采用金屬材料。由式(7)可以看出, 在滿足工作強(qiáng)度的情況下, 減小金屬隔離套的厚度以及減小材料電導(dǎo)率, 可減小損耗, 適當(dāng)增加氣隙, 也可減小損耗, 但必須結(jié)合轉(zhuǎn)矩要求。同時(shí)傳動(dòng)轉(zhuǎn)速越大, 渦流損耗越大[6]。

2 隔離罩損耗模型及分析

2.1 磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基本參數(shù)

現(xiàn)有一型磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 基本結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。結(jié)構(gòu)為內(nèi)嵌式切向充磁, 極對(duì)數(shù)為9, 主從動(dòng)磁鋼為釹鐵硼稀土永磁, 磁極為電工純鐵, 主從動(dòng)轉(zhuǎn)子支撐為鋁合金材料。

該機(jī)構(gòu)磁路如圖2(b)所示, 磁路走向?yàn)? 主動(dòng)轉(zhuǎn)子磁鋼N極→電工純鐵→氣隙→隔離罩→氣隙→電工純鐵→從動(dòng)轉(zhuǎn)子磁鋼S極→從動(dòng)轉(zhuǎn)子磁鋼N極→電工純鐵→氣隙→隔離罩→氣隙→電工純鐵→主動(dòng)轉(zhuǎn)子磁鋼S極, 依次形成磁場(chǎng)回路。

2.2 金屬隔離罩損耗2D和3D有限元分析

若不考慮金屬隔離罩對(duì)磁場(chǎng)的作用, 即假定隔離罩物理屬性與空氣相同, 通過(guò)2D有限元靜磁場(chǎng)分析可以得出磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的氣隙磁密分布如圖3所示。從圖中可以看出, 氣隙磁密波形在主從動(dòng)轉(zhuǎn)子相位差0°時(shí), 峰值為0.82 T; 相位差為90°時(shí), 氣隙磁密達(dá)到最大值0.92 T。磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在200 r/min時(shí)的傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性如圖4所示。傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形均近似為正弦曲線, 臨界轉(zhuǎn)矩為74.3 N·m。

圖2 磁耦合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)回路

圖3 氣隙磁密波形

圖4 轉(zhuǎn)矩波形

現(xiàn)對(duì)金屬隔離罩進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及損耗分析。鑒于鈦合金材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、磁導(dǎo)率低、電阻率大等特點(diǎn), 金屬隔離罩采用鈦合金材料。建立磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2D有限元模型, 如圖5所示,依據(jù)鈦合金材料的屬性對(duì)2D有限元模型中的隔離罩進(jìn)行物理屬性定義。

圖5 金屬隔離罩損耗2D有限元模型

圖6 2D感應(yīng)電流密度及損耗密度云圖

圖7為在200 r/min時(shí)隔離罩不同壁厚時(shí)的損耗?？梢钥闯? 當(dāng)主從轉(zhuǎn)子相位差相同時(shí), 隔離罩損耗隨壁厚增大成線性增加; 當(dāng)隔離罩壁厚相同時(shí), 主從轉(zhuǎn)子相位差越小, 隔離罩損耗越大。

圖7 2D隔離罩不同壁厚損耗

圖8為不同轉(zhuǎn)速和相位差時(shí)壁厚為2 mm的隔離罩2D模型損耗?？梢钥闯? 當(dāng)相位差相同時(shí), 損耗隨轉(zhuǎn)速成平方增長(zhǎng), 這是因?yàn)閾p耗與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率為平方關(guān)系; 在轉(zhuǎn)速相同時(shí), 損耗與相位差大小有關(guān), 相位差越小, 損耗越大。

圖8 2D隔離罩不同轉(zhuǎn)速損耗

基于有限元建立磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的3D有限元1/36模型, 如圖9所示。其中圓周方向取半個(gè)電氣周期, 設(shè)置半周期邊界條件, 即圓周方向?yàn)?/18模型, 軸向取幾何中心面, 設(shè)置對(duì)稱邊界條件, 即軸向?yàn)?/2模型。

圖9 3D有限元1/36損耗模型

圖10 3D矢量感應(yīng)電流密度及損耗密度云圖

圖11為3D全模型損耗密度云圖。圖12為不同轉(zhuǎn)速、不同相位差時(shí)的3D模型損耗。由該圖可以看出, 損耗值與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系, 且隨相位差增大而減小, 與2D計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)相符。

圖13為在轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)的2D和3D損耗曲線?？梢钥闯? 2D和3D計(jì)算出的損耗曲線趨勢(shì)一致, 損耗值基本吻合。

考慮到隔離罩渦流對(duì)傳遞轉(zhuǎn)矩的削弱影響, 經(jīng)分析得出不同轉(zhuǎn)速時(shí)的實(shí)際臨界轉(zhuǎn)矩, 如圖14所示?？梢钥闯? 實(shí)際臨界轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速增加而減小, 在1000 r/min范圍內(nèi), 實(shí)際臨界轉(zhuǎn)矩削弱幅值2D有限元計(jì)算為0.89 N×m, 3D有限元計(jì)算為0.73 N×m, 轉(zhuǎn)矩削弱較小。

圖11 3D全模型損耗密度

圖12 3D有限元不同轉(zhuǎn)速、相位差時(shí)的損耗

圖13 2D, 3D有限元不同相位差的損耗

圖14 2D, 3D有限元不同轉(zhuǎn)速的臨界轉(zhuǎn)矩

圖15為不同轉(zhuǎn)速時(shí)傳動(dòng)效率損失曲線, 可看出效率損失和工作轉(zhuǎn)速、相位差有關(guān)。效率損失隨轉(zhuǎn)速升高而增加, 隨相位差增大而減小。一般情況下, 磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相位差在60°~90°范圍內(nèi), 因此可得出, 由于隔離罩損耗導(dǎo)致的效率損失在0.12%~2.02%之間, 效率損失較小。

圖15 2D, 3D有限元不同轉(zhuǎn)速的效率損失

3 耐壓強(qiáng)度3D有限元分析

依據(jù)上文分析得出的隔離罩材料及優(yōu)化尺寸, 基于Ansys有限元軟件進(jìn)行耐壓強(qiáng)度分析, 基本參數(shù)如圖16所示。

圖16 金屬隔離罩基本參數(shù)

4 結(jié)論

本文針對(duì)一型磁耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo),完成了金屬隔離罩的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明, 隔離罩的渦流損耗與金屬材料特性有關(guān), 與工作轉(zhuǎn)速、相位差及氣隙磁場(chǎng)有關(guān), 隔離罩渦流效應(yīng)會(huì)對(duì)臨界轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響, 在較大工作深度時(shí), 金屬隔離罩的變形主要發(fā)生在端部中間。本研究可為魚雷大深度和跨深度等多工況航行的推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)方面提供有價(jià)值的技術(shù)支持。

圖17 應(yīng)力及形變?cè)茍D

[1] 張仁茹, 左艷軍, 高天孚, 等. 國(guó)外潛艇作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 6(33): 11-15. Zhang Ren-ru, Zuo Yan-jun, Gao Tian-fu, et al. Develop- ment of Oversea Submarine Combat System[J]. Ship Science and Technology, 2011, 6(33): 11-15.

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(責(zé)任編輯: 陳 曦)

Analysis and Optimization Design of Metal-Split Casing for Torpedo Magnetic Coupling Drive

WANG Xiao-lei, FAN Xiao-bo

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China)

The technology of magnetic coupling drive can be applied to the stern shaft seal of the torpedo for attacking at large depth. However, the optimization design and the power loss analysis of the metal-split casing in this technology are difficult. In this paper, the optimization design and parameters calculation are performed according to the operation characteristics of a magnetic coupling drive device. Two-dimensional(2D) and three-dimensional(3D) finite element models of power loss are established to analyze the induced current and eddy current loss. 3D finite element models of compressive strength are also established to analyze the compressive strength of the metal-split casing. Simulation results show that thus designed metal-split casing meets the strength requirement with lower eddy current loss．

torpedo; metal-split casing; eddy current loss; compressive strength; finite element analysis

TJ631.2;TM351

A

1673-1948(2014)05-0347-06

2014-06-11.

王小雷(1986-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)轸~雷電動(dòng)力推進(jìn)技術(shù).