基于磁力耦合器的載人潛水器電力推進裝置研究

倪 天，馬 嶺，許 可

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

在深海環境中，載人潛水器利用其搭載的電力推進裝置實現定深直航、變深潛浮、轉向側移、動力定位等航行運動，實現深海環境觀測、深海礦產勘探、海洋生物考察、海底地形測繪、海底管道與電纜的布放與檢修等各種作業任務［1-2］。

國外在水下電力推進技術上的研究一直處于領先地位，目前TECNADYNE、DSSI、SUB-ATLANTIC 等公司已開發出成熟的系列化產品推向市場，涵蓋了數種產品規格和寬廣的海洋深度。國內關于水下推進裝置的研究起步較晚，目前對水下推進裝置的應用需求主要依賴進口，國內僅有少數幾家科研機構及高校，如中船重工712 所、哈爾濱工業大學、沈陽自動化研究所等，自行試制出一些適用于深海環境的小功率水下推進裝置樣機，主要供科研使用，其大多存在裝置體積大、效率低、可靠性不高、轉速開環控制等問題。目前與國外系列化、標準化的推進產品相比，技術成熟、可靠性高的國產推進裝置少之又少。

1 電力推進裝置傳動特性研究

1.1 電力推進裝置的結構

根據載人潛水器的航行工況和動力需求，對于電力推進裝置的控制與傳動特性進行了相關研究，設計了一種適于載人潛水器的推進裝置，主要由推進電機及其控制系統、機械傳動裝置、壓力補償器和導管螺旋槳幾部分組成，如圖1 所示。圖1 中，機械傳動采用磁力耦合傳動技術，連接電機轉軸的主動輪通過永磁材料的磁力作用驅動從動輪及螺旋槳，將動密封轉化為靜密封，從而避免了復雜的動密封結構和補償油泄漏問題，降低了密封難度，提高了系統可靠性和推進效率。

推進器采用高效導管槳以提高系泊推力及敞水效率。主機采用高效率、高功率密度的水下無刷直流電機，以減小主機的重量和體積，提高載人潛水器的續航能力。推進電機控制器由蓄電池組提供直流電源，配備一種轉速閉環控制系統，以抑制螺旋槳負載轉矩的擾動，提高推進裝置的電壓適應性。

下面就磁力耦合器、螺旋槳和推進電機的傳動與控制特性展開相關研究。

1.2 磁力耦合器的運行機理與特性研究

永磁式磁力耦合器是利用主、從動磁轉子上的永磁材料之間相互作用力來實現主機和螺旋槳之間無接觸式傳動的裝置［3］。一般的磁力耦合器主要由主動輪、從動輪、永磁體、密封罩等部分組成，如圖2 所示。

圖1 基于磁力耦合器的載人潛水器電力推進裝置結構框圖Fig.1 Structure of electric propulsion device based on permanent magnet gear

圖2 永磁磁力耦合器結構圖Fig.2 Structure of permanent magnet gear

主動輪連接電機的轉軸，而在從動輪的外轂安裝螺旋槳，電機轉軸在磁力作用下帶動螺旋槳同步地旋轉。在主、從動輪之間采用非導磁(防止磁短路)耐腐蝕高強度金屬材料做成隔離罩將兩者隔開，為了提高傳動效率，應盡量減小密封罩的壁厚，密封罩的內部可充油作壓力補償以平衡外部水壓。采用磁力傳動方式，將動密封轉化為靜密封，提高了密封性能，大大提高了系統的可靠性［4-5］。

磁力耦合器的主、從動輪上均安裝了徑向充磁的釤鈷永磁體，并以不同的極性交替排列，主、從動輪上的磁極對數相等，因此這種結構的磁力耦合器的傳動比λ = 1。應用有限元法計算與分析磁力耦合器的靜磁場，圖3 分別給出了轉差電角度等于0°和90°的兩個特殊位置的磁力線分布圖。

圖3 轉差電角度為0°和90°時磁力線分布情況Fig.3 Distribution of flux lines at 0 degree and 90 degree

從圖3 所示的磁力線分布情況可以看出，當轉差電角度為0°時，主、從動輪的相異磁極對齊，磁力線通過氣隙與主、從動輪均發生交鏈，但是磁力線不發生偏轉，因此在主、從動輪之間只存在徑向相互的吸引力，傳遞的轉矩為零。同理當轉差電角度為180°時，主、從動輪的相同磁極對齊，磁力線自行閉合，主、從動輪之間的磁鏈不經過氣隙的互相交鏈，全部相當于是漏磁通，主、從動輪之間只存在徑向相互的排斥作用，也不傳遞轉矩。當轉差電角度為90°和270°時，磁力線通過氣隙，并與主、從動輪交鏈且發生扭曲，此時在主、從動輪之間有轉矩的傳遞并且為最大值。

分析磁力耦合器的矩角特性時，保持從動輪處于靜止狀態，使主動輪旋轉，得出傳遞轉矩與轉差電角度之間的關系曲線如圖4 所示。由該特性可知，在每個電周期內靜轉矩按近似正弦規律變化，當機械角度為11.25°即電角度為90°時，靜態轉矩達到最大值，數值約為200 N·m，而當電角度為0°和180°時傳遞的轉矩為零。因此要使磁力耦合器傳遞一定的轉矩，應使主從動輪間保持一定轉矩角。

圖4 磁力耦合器的轉差-轉矩的矩角特性Fig.4 Torque-angle property of permanent magnet gear

分析磁力耦合器傳動穩定性，當工作點在(0°，90°)和(270°，360°)的區間內處于某一平衡狀態，若螺旋槳上的負載轉矩發生了擾動，當擾動作用消除后能重新回到原來的平衡狀態繼續運行，故該區域即為磁力耦合器的穩定工作區。

若螺旋槳上的負載轉矩超過磁力耦合器矩角特性的最大值，則會產生失步現象，此時磁力耦合器發生“打滑”，不能正常傳遞主機發出的轉矩。因此必須對螺旋槳負載在各種工況條件下的動態運轉特性進行計算與分析。

1.3 螺旋槳建模與特性分析

潛水器的螺旋槳將主機發出的轉矩轉化為潛水器航行所需的推力，因而分析螺旋槳的運轉特性對于推進裝置的研究與設計至關重要。根據螺旋槳在敞水中運轉時產生的流體動力特性可知，螺旋槳的推力T 和轉矩M 可用無因次量表示［6］:

其中，KT和KM分別為推力系數和轉矩系數，均為進速比的函數，令進速比J 為:

式中:n 為螺旋槳的轉速，r/s;Vp為螺旋槳的進速，m/s;t 為推力減額系數;Dp為螺旋槳的直徑，m;ρ 為海水密度，kg/m3。

為了分析系泊狀態(J = 0 )螺旋槳的運轉特性，在水池進行了推進器的系泊試驗，并采用多項式函數對轉矩、功率的試驗數據進行分段擬合，擬合函數形式如下:

式中:k 為多項式函數的階數。由式(1)分析可得，螺旋槳的推力T 和轉速n 的平方近似成正比，故預取kT=2;功率P 和轉速n 的立方近似成正比，故預取kP=3。轉速-推力特性的試驗數據和擬合曲線如圖5 所示，轉速-功率特性的試驗數據和擬合曲線如圖6 所示，分析上述曲線可得，試驗結果和數值擬合結果比較接近。如果擬和函數未能達到一定的精度要求，可分別提高多項式的階數并重新進行數據擬合。

由于載人潛水器的航行運動較為復雜，螺旋槳的動態特性與潛水器的正航/倒航、推進器正車/倒車的狀態有關，因此需要建立螺旋槳的四象限敞水特性的動態模型，進一步分析螺旋槳在各種復雜工況下的運轉特性，令相對進速比J' 為:

圖5 螺旋槳的系泊轉速-推力特性曲線Fig.5 Bollard thrust property of propeller

圖6 螺旋槳的系泊轉速-功率特性曲線Fig.6 Bollard power property of propeller

采用n 階切比雪夫多項式對螺旋槳的敞水特性進行逼近［7］，則推力系數和轉矩系數的表達式如下:

切比雪夫多項式中的Tn(x)在區間［－1，1］上具有正交性，其有限項擬合結果是均方誤差最小意義下的最佳逼近，其基本形式為

在實際應用分析中，應綜合考慮計算精度和效率，可取八階的切比雪夫多項式的擬合形式，得到如圖7、8 所示的結果。

圖7 螺旋槳的四象限推力特性曲線Fig.7 Four quadrant thrust-property curves

圖8 螺旋槳的四象限轉矩特性曲線Fig.8 Four quadrant torque-property curves

圖7 和圖8 所示曲線描述了推進器在各種工況下的運轉特性，上下兩條曲線分別對應正轉和反轉的推力、轉矩特性。上面一條曲線的第一象限部分對應正航時用正車狀態，第二象限部分對應為倒航時拉正車狀態;下面一條曲線在第三象限部分對應倒航時用倒車狀態;第四象限部分對應為倒航時拉倒車狀態。由螺旋槳的動態模型計算所得各種工況下的轉矩值，均應小于磁力耦合器矩角特性的幅值。

1.4 推進電機的數學模型

推進電機采用三相無刷直流電動機，下面建立主機的數學模型［8］。

可直接利用無刷直流電機本身的相變量來建立數學模型，假設氣隙磁感應強度在空間呈梯形分布;忽略不計定子齒槽、磁滯和渦流效應的影響;并忽略不計電樞反應對氣隙磁通的影響［9］。三相繞組的電壓平衡方程可表示為:

式中:ua，ub，uc是定子繞組的相電壓;ia，ib，ic是定子繞組的相電流;ea，eb，ec是定子繞組的反電勢;L 是每相繞組的自感;M 是每兩相繞組間的互感;P 是微分算子，即有P = d/dt。

若三相繞組為Y 連接，當沒有中線連接時有ia+ib+ic=0，代入式(9)可得:

故主機的狀態方程表示為:

主機的定子繞組的線間反電勢為:

主機的電磁轉矩方程為:

由上述方程推導可得推進電機動態模型結構圖，如圖9 所示。因此，無刷推進電機的動態模型可簡化等效為一個輸入為端電壓、輸出為轉速，并受到螺旋槳轉矩干擾的一階系統。

圖9 無刷直流電機動態模型框圖Fig.9 Block diagram of dynamic model

圖10 推進電機轉速閉環控制系統拓撲結構Fig.10 Block diagram of velocity closed-loop system

由圖9 的推進電機動態結構，進一步求得其傳遞函數為:

式中:K1為電動勢系數，K1=1/Ce，Ce為電動勢系數;K2為轉矩傳遞函數，K2=R/(CeCt)，R 為電機內阻，Ct為轉矩系數;Tm=RGD2/(375CeCt)為機電時間常數，G 為轉子重量，D 為轉子直徑，TL為螺旋槳上負載轉矩。

1.5 推進電機控制系統設計

由于采用蓄電池供電，電源電壓Ud隨著儲電量、輸出電流和內阻的變化在一定范圍內波動，而螺旋槳上的負載轉矩TL中也因為水流不均勻引入了擾動。為了抑制水流不均勻等因素引起的干擾轉矩，減小蓄電池供電造成電壓波動影響，設計一種如圖10 所示的轉速閉環控制系統。相對于開環控制，由于引入了轉速負反饋，減小了穩態誤差，提高了系統響應速度。

推進電機轉速閉環控制系統框圖如圖11 所示，推進電機的換相控制器根據霍爾傳感器提供的位置信號，切換各相繞組的導通邏輯(三相六狀態)，并采用超前角控制以減低電流波動和轉矩波動。轉速控制器根據轉速指令和測速模塊估算的實際轉速，通過PID 調節器計算導通相繞組的占空比并產生相應的PWM信號，實現對推進器的轉速與推力控制。

如圖12 所示，設計了一種基于DSP 的推進電機驅動器。該系統主要由以下幾個部分組成:DSP 及其外圍電路、驅動隔離電路、智能功率模塊IPM、電流傳感器及其采樣電路、霍爾傳感器電路、系統保護電路、RS422 通訊電路、輔助電源等，該系統具有過流保護、欠/過壓保護、過熱報警、超速保護等功能。推進電機驅動器與上位機之間采用RS422 串口通訊，并設置了模擬輸入(±5 V)的應急通道。

圖11 推進電機轉速閉環控制系統結構圖Fig.11 Velocity closed-loop control system of thruster

圖12 推進電機驅動器的系統結構圖Fig.12 System structure of the motor controller

2 試驗與分析

為了驗證推進裝置的可行性和適用性，完成了樣機的設計與制造，樣機的主要技術指標:電源電壓Us=(260 ± 20%)VDC，額定功率PN= 6.28 kW，額定轉速nN= 260 r/min，機殼耐壓值1.8 MPa，正向最大系泊推力140 kg，反向最大系泊推力100 kg，該推進裝置樣機的實物如圖13 所示。搭載了該型推進裝置的載人潛水器如圖14 所示，在艇體艏部布置了側向推進器一臺、垂向推進器兩臺，艉部布置了側向和垂向推進器各一臺、主推進器兩臺。

圖13 推進裝置的樣機(槽道)實物圖Fig.13 Model machine of propulsion device

圖14 載人潛水器和搭載的推進裝置Fig.14 Manned submarine and propulsion device

推進裝置的試驗中，采用直流穩壓電源給電力推進裝置提供260 V 電源，將推進電機帶槳安裝在試驗水筒中，在負載條件下測試電力推進裝置的工作性能。分別給控制器設定不同的轉速指令:30 r/min、100 r/min、200 r/min、260 r/min，測試推進器的轉速并繪制轉速響應曲線，如圖15 所示。

由圖15 所示的試驗結果可得，當電源電壓為額定值時，在轉速調節范圍內，推進器的實際轉速始終能夠跟隨給定值，穩態誤差較小;轉速響應曲線比較平穩、無卡滯、振蕩現象，試驗結果表明所設計的控制器對負載轉矩的擾動具有較強的抑制能力和良好的魯棒性，推進器輸出推力較為平穩。

為了驗證當蓄電池的電壓波動或電力不足條件下推進系統的驅動能力和控制性能，調節電源電壓至180 V，測試推進器的轉速并繪制轉速響應曲線，如圖16 所示。分析試驗結果可得，推進器的轉速未隨著電源電壓的降低而下降，表明推進裝置的轉速閉環控制效果良好，驅動能力穩定。在試驗過程中，當電源電壓為180 V 時，推進器從起動到達穩態轉速的系統調節時間，相對于額定電壓情況延長了約30%。分析控制系統的動態模型可知，該情況相當于減小了閉環控制系統的增益，因而導致系統調節時間變長。

水池試驗中，通過布置在艇體不同位置的推進裝置，較好地實現了載人潛水器的定深直航、變深潛浮、轉向側移、動力定位等航行運動。由于磁力耦合器發生過載時自動“打滑”，當螺旋槳被異物卡死時能有效地保護推進電機，提高了載人潛水器在惡劣工況下的生存能力和安全性。此外與采用開環控制的推進器相比，能夠降低航行控制系統的復雜度，提高航行自動控制的快速響應能力和控制精度，從而提高了載人潛水器的機動能力和作業效率。

圖15 推進器轉速響應曲線(電源電壓260 V)Fig.15 Speed response of thruster (Voltage 260 V)

圖16 推進器轉速響應曲線(電源電壓180 V)Fig.16 Speed response of thruster (Voltage 180 V)

3 結 語

對水下電力推進裝置進行了系統設計與傳動特性分析。通過磁力耦合傳動技術實現主機和螺旋槳之間無接觸式傳動，提高了推進裝置的可靠性和載人潛水器的生存能力。所設計的轉速閉環控制系統，能夠有效地抑制螺旋槳轉速波動，提高推進器輸出推力的平穩度，當蓄電池的電壓波動或電力不足情況下仍能穩定工作，確保了潛水器的安全性。水池試驗結果表明，能夠較好地實現了載人潛水器的各種航行運動，有利于提高載人潛水器的機動能力和作業效率。

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