集成電機推進器構型及特點分析

鄭 珂

(中國艦船研究院，北京 100192)

集成電機推進器構型及特點分析

鄭 珂

(中國艦船研究院，北京 100192)

集成電機推進器(IMP)是一種新型的水下電動力推進裝置，通過一種典型IMP構型介紹了其工作原理、結構，并分析其技術特點及發展趨勢，認為集成電機推進器有較好的發展和應用潛力。

集成電機推進器(IMP);直流無刷電機;泵噴射推進器;無人水下航行器(UUV)

0 引言

科學技術的發展，使無人作戰平臺在未來現代化戰爭中將扮演越來越重要的角色，成為兵力的倍增器。無人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicles，UUV)作為一種水下無人作戰力量，受到各國海軍的追捧，也得到了飛速的發展。

集成電機推進器(Integrated Motor/Propulsor，IMP)，是將電機移出航行器殼體外直接同推進器組合的一種全新概念的推進裝置，具有高功率密度、安靜、高效率等特點，特別適用于UUV推進。

1 一型IMP構型簡介

本文以一型UUV用IMP為例(見圖1)，就其構型及工作原理進行闡述。

1.1 推進器

該IMP采用單轉槳導管推進(即泵噴射)方式，主要由轉子、定子和導管(導流罩)3部分組成。電機通過驅動螺旋槳轉子對流體做功，將電能轉化為動能，為系統運動提供所需的推力。

圖1 IMP系統構成示意圖Fig.1 IMP structure

導管可以分成加速導管和減速導管。IMP采用減速型導管，起到減速、增壓的效果，從而推遲空泡產生，達到較好的降噪性能。導管外形與航行器尾部結構相匹配，既保證具有良好的流線形，又有足夠的空間安裝電機定子和其驅動電路。導管設計采用面元法，計算導管流場為轉子葉片提供伴流。

IMP的定子裝在轉子后面，稱為“后漩”式泵噴射推進結構，能獲取較好的空泡性能，降低噪聲。定子除了起扭矩平衡作用外，還為供電電路提供安裝空間。設計中建立頂端帶環的槳葉和導管尾渦模型，著重考慮稍部和端環模型的載荷修正、氣隙尺寸對水動力影響。轉子和定子采用升力面理論渦格法設計，進行流場分析和水動力性能預報。葉數選取必須避開伴流諧波高峰數。

轉子和定子的設計采用NACA系列翼型，設計時保證在設計點附近較寬的升力或迎角范圍內，翼型都應具有良好的空化特性和流體動力特性。

材料的選取考慮重量(在考慮強度、低噪聲的基礎上)的因素，導管材料選用鋁合金，轉子螺旋槳采用非金屬材料。IMP的特殊結構加之材料的選擇使其重量遠遠低于傳統水下航行器電機+軸承+螺旋槳的總重量。轉子軸承采用了水潤滑軸承，減少油潤滑軸承的密封環境。

1.2 電機

IMP采用了高能量密度的永磁無刷電機(BLDCM);在電機的構型上采用在螺旋槳葉片上加永磁體端環，電機定子安裝在導流罩內的方式。

IMP的流體性能要求電機結構尺寸越薄越小越好，因此要減薄電機定轉子的厚度，通過增加電機的極對數，提高電機的電磁負荷。

由于IMP對流體特性的要求，所以電機構型采用不同于普通電機的“錐形電機”(見圖2)，即電機定轉子呈錐形，可見，該IMP的驅動電機定轉子及氣隙線型不是常規的相對轉軸平行，而是相對轉軸呈一定斜角。

圖2 IMP錐形電機設計草圖Fig.2 Sketch of IMP cone-shaped motor

電機控制中，主功率模塊采用智能功率模塊IPM，控制器采用DSP。考慮水流會對電機的轉矩產生較大的波動，不適合無傳感器方案，所以采用帶霍

爾位置傳感器的控制方式。

2 特點分析

IMP是滿足UUV安靜、遠程、高性能等要求的重要技術途徑，因其具備的主要特點成為未來的發展方向。

2.1 節省空間、減輕重量

水下航行器設計中的一個重要約束條件就是體積和重量。UUV設計中追求的遠航程、多裝設備、多裝載荷等問題，都與其體積和重量密切相關。

IMP安裝在航行器的外部，這樣省去了傳統推進系統需要的聯軸節等傳動裝置，節省空間、減輕重量，同時提高了電機功率密度。以某型水下航行器為例，如果換裝IMP，其推進裝置重量可減輕約60%;節省的空間如果用于加裝電池，可多裝25%以上。

2.2 降低噪聲

目前水下探測最常用和最有效的方式是聲探測。降低推進器噪聲不僅可以降低水下航行器被探測的概率，而且可提高自身聲吶作用距離。

由于IMP在水下航行器尾部同殼體只有1個聯接接口，從而大幅消除了內置電機與殼體聯結產生的振動噪聲;由于不需傳動機構，也消除了傳動機構產生的磨擦噪聲;集成電機定子同時又是螺旋槳導流罩，可推遲螺旋槳葉片空泡起始并屏蔽轉子旋轉產生的流噪聲，這是一種真正意義上的安靜性推進裝置。

2.3 提高效率

IMP采用的泵噴射推進方式在效率方面會比傳統的對轉槳推進低約4%～6%;IMP的特種電機在效率上與傳統電機基本一致;同時，采用傳統推進裝置的水下航行器傳動軸與殼體之間均需要動密封處理，特別是低速航行器在動密封環節的效率損失約占到5% ～10%，而IMP避免了此動密封環節，省去了效率損耗;由于IMP始終在海水環境中工作，它所產生的熱量可以通過水流進行自然散熱冷卻，從而可使結構更加緊湊，提高了裝置的比功率和效率;加之IMP省去了傳統推進的傳動環節，所以IMP在效率方面較傳統推進，尤其在低速航行器，有一定的優勢。

2.4 提高保障性

IMP提高了無人水下航行器的可靠性、安全性和維修性。這是因為其取消了獨立的傳動機構和軸密封裝置，避免了泄漏、軸承等主要故障源。零部件的減少也降低了維修量。此外，IMP作為一個整段可以方便地從尾部拆下維修，并可隨時換裝，這就降低了反復試驗和訓練之間的維修成本，縮短了周期［3］。

美國海軍水下戰中心開發了1個正浮力輕型魚雷試驗床原型，以驗證IMP等關鍵技術和性能。在2006年7～8月期間，在美國海軍水下戰中心的靶場成功地進行了39條次實航試驗，雖然在試驗中檢查了油壓，但在39個條次中未進行任何維護［1］，顯示了條次間技術準備的簡易性。有時在8 h內連續完成6個條次，每個條次間的技術準備時間只有38 min［3］。

2.5 IMP帶來的新問題

任何事物均有其兩面性，IMP同樣也會帶來以下一些新的問題:

1)由于電機的定子安裝在導流罩內，導流罩厚度受到限制，對航行器整體流場產生影響，增加了航行器的阻力。

2)在淺吃水航行時，特別是沙礫較多的水域，會存在將碎石和沙礫吸入系統的危險［4］。

3)可能給航行器帶來重心后移、與鰭舵匹配等問題，需要在航行器總體設計中加以考慮。

4)電機在水中工作，存在新的絕緣和防蝕問題。

3 發展趨勢

IMP如何適用于大功率推進是目前需要重點研究和攻關的問題。電機產生足夠強度、高質量的旋轉磁場需要大的安裝空間，導流罩需要較好的水動力外形，同時還要保證為螺旋槳轉子、定子提供良好伴流條件，所以，IMP的大功率及集成化的優化設計是將來發展的重點。

研究UUV用大功率IMP，筆者有2種構型方案:一是采用導管對轉槳IMP方案(如圖3)，即在導流罩內集成2套電機定子繞組，分別驅動2套螺旋槳轉子，實現導管對轉槳的方案，這樣能較大提高推進器功率;二是仍采用單轉槳方案(如圖4)，螺旋槳轉子的內、外緣各安裝1套永磁體轉子端環，在導流罩內和尾段殼體內各對應集成1套電機定子繞組，實現功率翻番的目的。進一步考慮，甚至可以將此2種方案一并使用獲取更大的功率。

總之，IMP由于其結構新穎，具有低噪聲、高效推進、可為能源/載荷提供較多攜帶空間等突出優點，使其在軍事和民用上都擁有廣闊的應用前景。IMP可應用于電動力魚雷、UUV、自航水雷、蛙人運載器、水下運載器等武器和平臺，甚至經過研究發展可用于潛艇推進。

［1］DUBOIS N J.Rechargeable electric propulsion for lightweight torpedoes［R］.Europe UDT，2007.

［2］張強，程鵬，張敬南.無刷直流電動機在集成電機推進器中的應用及設計［J］.微特電機，2010，38(3):16－17，23.

［3］錢東，崔立，薛蒙.美國新一代電動力輕型魚雷研發策略分析［J］.魚雷技術，2007，15(6):1－4.

［4］劉文峰，胡欲立.新型水下集成電機推進裝置的泵噴射推進器結構原理及特點分析［J］.魚雷技術，2007，15(6):5－8.

［5］錢東，孟慶國，薛蒙，張少悟.美國海軍UUV的任務與能力需求［J］.魚雷技術，2005，13(4):7 －12.

Analysis of construction principle and characteristics of integrated motor/propulsor

ZHENG Ke
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Integrated motor/propulsor(IMP)is a new type of underwater electrical propulsor.The mechanical structures，working principle，technology features and development of the IMP are introduced.IMP is an important tendency of development of the underwater electrical propulsor.

IMP;brushless DC motor;pump-jet;UUV

V43

A

1672－7649(2011)06－0096－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.022

2011－05－06

鄭珂(1981－)，男，碩士，工程師，主要從事水下無人航行器研究。