潛艇舷外機(jī)電作動系統(tǒng)研究

李浩軍，孫桂才，宿 勇，劉 洋

(1. 中國人民解放軍91278部隊，遼寧 大連 116041；2. 中國人民解放軍92857部隊，北京 100161；3. 海軍裝備部，北京 100841；4. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京 100101)

潛艇舷外機(jī)電作動系統(tǒng)研究

李浩軍1，孫桂才2，宿 勇3，劉 洋4

(1. 中國人民解放軍91278部隊，遼寧 大連 116041；2. 中國人民解放軍92857部隊，北京 100161；3. 海軍裝備部，北京 100841；4. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第七一四研究所，北京 100101)

潛艇機(jī)電作動系統(tǒng)用于電纜絞盤驅(qū)動、浮標(biāo)布放與回收等，與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，機(jī)電作動系統(tǒng)具有所占空間小、重量輕、節(jié)能等特點(diǎn)。本文結(jié)合阿特拉斯電子英國分公司開發(fā)潛艇舷外機(jī)電作動系統(tǒng)的情況，探討使用核潛艇（三相交流電）和常規(guī)潛艇（電池直流電）上不同類型電源的機(jī)電作動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。在提高控制能力、功率與重量/空間比、建立冗余等多個方面，比較預(yù)制電機(jī)、無刷直流電機(jī)和同步交流電機(jī)的各自特點(diǎn)。在機(jī)電作動系統(tǒng)的設(shè)計過程中，還要考慮環(huán)境及集成因素的影響。

潛艇舷外；機(jī)電作動；系統(tǒng)設(shè)計

1 潛艇機(jī)電作動系統(tǒng)的電源考慮

潛艇機(jī)電作動系統(tǒng)在核動力潛艇和常規(guī)潛艇上使用，就要面對一個重要問題，就是電源的選擇。核動力潛艇主要提供三相交流電電源，而常規(guī)潛艇則提供直流電電源。針對不同的電源，在機(jī)電作動系統(tǒng)設(shè)計集成過程中，需要仔細(xì)考慮。

1.1 采用三相交流電源

與直流電相比，采用三相交流電的機(jī)電作動系統(tǒng)相對容易地在潛艇上集成使用。在工廠或者商用建筑中，大多數(shù)工業(yè)或商用成品機(jī)電作動技術(shù)都采用三相交流電[1]。在潛艇應(yīng)用中，與電池直流供電相比，核動力裝置供電更加穩(wěn)定且更加充足。對于系統(tǒng)設(shè)計而言，降低了為機(jī)電作動系統(tǒng)選擇關(guān)鍵設(shè)備的難度。采用三相交流電，機(jī)電作動系統(tǒng)能在更大范圍內(nèi)選擇機(jī)電作動系統(tǒng)設(shè)備。如果原有系統(tǒng)部件老化或出現(xiàn)故障時，也能在廣泛的設(shè)備市場中較容易地找到相同技術(shù)規(guī)格的替代品[2]。

在潛艇上應(yīng)用的三相交流電與工業(yè)/商用成品技術(shù)最大不同在于接地中點(diǎn)的不同。因為潛艇上的電氣設(shè)備一般不使用接地中點(diǎn)，但是工業(yè)/商用成品的隔離變壓器則要求提供接地中點(diǎn)；大多數(shù)工業(yè)用驅(qū)動電機(jī)為了能正常運(yùn)行，需要指定接地中點(diǎn)。如果潛艇平臺沒有為變壓器提供接地中點(diǎn)，那么將導(dǎo)致艇內(nèi)的主要電氣設(shè)備體積的大幅增加。這是因為不得不為每套系統(tǒng)都配備 1 臺單獨(dú)的變壓器，擁有多套系統(tǒng)的潛艇平臺無疑將浪費(fèi)大量空間。在綜合電力系統(tǒng)和全電艦概念設(shè)計中，這個因素應(yīng)該重點(diǎn)考慮[3-4]。

在核動力潛艇平臺上，為保證電壓和功率的可用性，系統(tǒng)設(shè)計要求系統(tǒng)運(yùn)行的額定電壓要比常規(guī)潛艇平臺上使用更接近有效電源電壓，如圖1 所示。

圖1 三相交流電系統(tǒng)布置Fig. 1 Three-phase AC systemarrangement

1.2 采用直流電源

與核動力潛艇相比，開發(fā)在常規(guī)潛艇上使用直流電的機(jī)電作動系統(tǒng)將要解決更多的困難。下面介紹 2種應(yīng)用商用成品電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的可行方案。

第 1 種方案的特點(diǎn)是系統(tǒng)零部件數(shù)量相對少，直接由直流電源供電驅(qū)動；第 2 種方案則要求系統(tǒng)運(yùn)行在指定電壓下，使用逆變器產(chǎn)生三相交流電，并通過調(diào)壓器使電壓達(dá)到要求。潛艇 AIP 系統(tǒng)的主要用途是為潛艇電池充電，以增加潛艇潛航時間。常規(guī)潛艇機(jī)電作動系統(tǒng)使用直流電源的可能性很大。第 1 種方案雖然簡單，但對設(shè)備的要求極為嚴(yán)格。在 300 ～ 600 V的電壓范圍內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速要達(dá)到系統(tǒng)要求的額定轉(zhuǎn)速。為了達(dá)到要求，驅(qū)動電機(jī)必須具備在最低電壓下達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的能力。這使得電機(jī)的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際使用要求。由此帶來的負(fù)面影響是驅(qū)動電機(jī)的尺寸及重量都將大幅增加，致使?jié)撏е邪惭b布置愈加困難。另一個原因是能達(dá)到在潛艇上使用要求的商用成品驅(qū)動電機(jī)數(shù)量極少。為了能在系統(tǒng)中使用，驅(qū)動電機(jī)與外部直流總線并聯(lián)連接。根據(jù)經(jīng)驗，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不需要像工業(yè)交流驅(qū)動電機(jī)一樣制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受限于功能性無刷直流驅(qū)動電機(jī)的使用。只有在這些驅(qū)動電機(jī)加裝內(nèi)置整流器才可使用標(biāo)準(zhǔn)三相交流電。繞過整流級，輸電至直流母線終端。如果空間有限制，商用成品驅(qū)動器可以拆除整流級，最有效地節(jié)省空間。

第 2 種方案則要求更多的功率管理設(shè)備，以提供穩(wěn)定的電源，滿足系統(tǒng)中其他設(shè)備的要求。此外，還要求不論是交流驅(qū)動電機(jī)還是直流驅(qū)動電機(jī)，都要使用標(biāo)準(zhǔn)的單相或三相交流電源。這種方案缺點(diǎn)是占用的空間很大，特別是大功率系統(tǒng)。只能通過減少不必要的電氣設(shè)備及裝置，以減少所占空間。如果不是嚴(yán)格限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸時，這種方案具有優(yōu)勢。

圖2 直流電直接驅(qū)動Fig. 2 DC direct drive

2 潛艇機(jī)電作動系統(tǒng)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前用于潛艇機(jī)電作動系統(tǒng)的電機(jī)主要有 3 種類型：第 1 種是預(yù)制電機(jī)，針對使用要求特制的電機(jī)；第 2 種是使用現(xiàn)有的無刷直流電機(jī)，控制精度高；第3 種是使用工業(yè)交流電機(jī)，使用費(fèi)用低。

圖3 直流電轉(zhuǎn)為三相交流電Fig. 3 Convert DC to three-phase AC

2.1 預(yù)制電機(jī)

用于潛艇機(jī)電作動系統(tǒng)的潛水電機(jī)采用預(yù)制設(shè)計，根據(jù)使用需求而專門設(shè)計制造，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見。商用成品潛水電機(jī)的通常型式是缸體長度大于直徑，采用標(biāo)準(zhǔn)軸和鍵槽布置。為了提高功率體積比，要求電機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在諸多潛艇操作及作動系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩不能同時達(dá)到要求。因此，需要配備齒輪箱或功率更大的電機(jī)。這就造成了空間和能量的使用效率低下。使用齒輪箱，特別是傳動比大的齒輪箱，會產(chǎn)生噪聲大等其他問題。后驅(qū)動電機(jī)和輸出扭矩的精確控制及扭矩測量相對更加困難。如果增加齒輪箱，那么使用電驅(qū)動的很多優(yōu)勢將喪失。與其他方式相比，采用高速電機(jī)和齒輪的直接驅(qū)動系統(tǒng)有可能產(chǎn)生更大的噪聲。但這并不意味著傳統(tǒng)電機(jī)及運(yùn)行特性就不能使用，還要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和控制精度的要求而決定。因為預(yù)制電機(jī)要比使用現(xiàn)有電機(jī)的價格高出很多，所以選擇預(yù)制方案要經(jīng)過慎重考慮。

采用預(yù)制電機(jī)設(shè)計，能滿足驅(qū)動系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)速和扭矩輸出的要求。預(yù)制設(shè)計也能改進(jìn)作動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，即使系統(tǒng)體積沒有絕對減少，也更能適合狹窄空間。其他因素也起著重要作用，如對電機(jī)、飛輪和后驅(qū)動等裝置建立冗余，有效提高效率，降低噪聲。建立冗余對于艦船安全至關(guān)重要。預(yù)制電機(jī)能制成擁有 2 個及以上定子、轉(zhuǎn)子副，每對都擁有單獨(dú)的控制器；如果其中一對定子、轉(zhuǎn)子副出現(xiàn)故障，只是降低了電機(jī)性能，但不會導(dǎo)致電機(jī)完全無法使用。

阿特拉斯電子英國分公司研制出多種用于直接驅(qū)動的預(yù)制電機(jī)，如垂直軸向絞盤電機(jī)樣機(jī)，RTOF（可回收帶光纖衛(wèi)星通信浮標(biāo)系統(tǒng)）和 S-80TAHS（西班牙S-80 潛艇的拖曳搬運(yùn)系統(tǒng)）的絞盤電機(jī)，以及 2 臺經(jīng)過重新封裝能在水下環(huán)境中使用的工業(yè)交流電機(jī)[5-6]。這些電機(jī)采用了 3 種不同的預(yù)制電機(jī)設(shè)計方法。

電機(jī)樣機(jī)和 RTOF 電機(jī)完全采用預(yù)制電機(jī)設(shè)計。阿特拉斯電子英國分公司直接與一家專業(yè)設(shè)計可升級電機(jī)線圈的公司合作聯(lián)合設(shè)計電機(jī)。將電機(jī)線圈和磁極直接加到電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子上。采用這種方法制造的電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。但缺點(diǎn)也很突出，由于轉(zhuǎn)子和定子不易拆卸，導(dǎo)致維護(hù)起來十分復(fù)雜。絞盤電機(jī)可隨著潛艇航行，在低張緊度下高速布放，之后在高張緊度下回收。擁有獨(dú)立張緊傳感器的電機(jī)控制系統(tǒng)雖然具有一定的順度，但電機(jī)仍需要從一個方向全速運(yùn)轉(zhuǎn)，迅速減速再加速到相反方向全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 組裝過程中的垂直軸絞盤電機(jī)樣機(jī)Fig. 4 Assemble processing of vertical shaft capstanmotor prototype

圖5 RTOF 絞盤電機(jī)Fig. 5 RTOF capstanmotor

圖6 S-80 TAHS 絞盤電機(jī)Fig. 6 S-80 TAHS capstanmotor

S-80 TAHS 電機(jī)為無外殼（frameless）電機(jī)，也是預(yù)制電機(jī)。電機(jī)線圈和磁極先通過螺栓固定安裝在相應(yīng)的位置上。隨后，轉(zhuǎn)子和定子安裝在壓力補(bǔ)償外殼中。該機(jī)架用于承受絞盤鼓筒運(yùn)轉(zhuǎn)和沖擊載荷。這種電機(jī)的維護(hù)和接口控制相對容易，但所占空間較大。這種電機(jī)無需機(jī)械制動，就能保持對于拖曳陣的最大牽引力，但本著節(jié)能的目的，還會使用機(jī)械制動器。

2.2 無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)通常都使用分解器反饋。這些電機(jī)具有較高的功率密度，可控性好。因此，可用于電纜式操作系統(tǒng)[7]。阿特拉斯電子英國分公司使用的電機(jī)，特別是大型直接驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)位置控制精度達(dá)到了 1°。

2.3 交流電機(jī)

與無刷直流電機(jī)相比，潛水交流電機(jī)的使用成本較低，但功率密度和控制精度都較差[8]。沒有速度反饋，所以速度控制雖然不能像無刷直流電機(jī)那樣精確，但也達(dá)到了一般的控制要求。缺少反饋也有好處，那就是電機(jī)只需要 1 個電纜接頭，因此簡化了外殼設(shè)計，降低了電纜要求。當(dāng)不要求控制精度太高時，如低速控制等，可選用此種電機(jī)。交流電機(jī)通過編碼器反饋，也能提高控制精度，但還達(dá)不到永磁電機(jī)的控制水平。

重新封裝的交流電機(jī)比無刷直流電機(jī)的費(fèi)用低。拆下工業(yè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子，裝入適合水下環(huán)境使用的防水外殼中。這種方案制造費(fèi)用低，并可同時生產(chǎn)多臺電機(jī)。

圖7 經(jīng)過重新封裝的潛水交流電機(jī)Fig. 7 Repackaged submersible ACmotor

3 機(jī)電作動系統(tǒng)的特點(diǎn)

與液壓作動系統(tǒng)相比，機(jī)電作動系統(tǒng)具有控制精度高、有效性和可靠性高、結(jié)構(gòu)更緊湊及控制更靈活等優(yōu)點(diǎn)。

提高作動系統(tǒng)控制精度，要求采用更精密、更靈敏的傳感器。要在作動器工作過程中，減少系統(tǒng)起動和停止載荷沖擊，降低磨損和噪聲。

機(jī)電作動系統(tǒng)要盡量減少運(yùn)動部件的磨損，并且要具備進(jìn)水情況下工作數(shù)周的能力。液壓系統(tǒng)浸入海水，將使比例閥出現(xiàn)嚴(yán)重問題，無法實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的精確控制。

整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較中，機(jī)電作動系統(tǒng)更為緊湊。雖然在單位體積輸出力方面，機(jī)電作動系統(tǒng)還不能取代液壓系統(tǒng)。S-80 TAHS 絞盤電機(jī)的體積相當(dāng)于具有相同輸出功率液壓電機(jī)的 3 倍，重量相差也很大。但是，從整套系統(tǒng)上看，機(jī)電作動系統(tǒng)的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。由于省去了液壓管路、儲油器、蓄壓器、閥體等裝置，能為潛艇節(jié)省大量空間，并降低系統(tǒng)重量。

同時，機(jī)電系統(tǒng)還提高了系統(tǒng)靈活性。提高靈活性不僅在提高電機(jī)的控制精度方面有所體現(xiàn)，也在系統(tǒng)所驅(qū)動及控制的設(shè)備上有所體現(xiàn)。拖曳陣收放系統(tǒng)的控制臺，也能用于控制范圍通信浮標(biāo)系統(tǒng)，僅需要在軟件方面進(jìn)行變化。系統(tǒng)舷外設(shè)備被另一系統(tǒng)舷外設(shè)備代替，并不需要對改變控制硬件。在特殊情況下，通過管理控制，允許 2 個或更多系統(tǒng)使用同一控制臺，交替使用同一電機(jī)驅(qū)動。前提是這 2 套系統(tǒng)不能同時工作。這樣有利于節(jié)省空間。

4 機(jī)電作動系統(tǒng)在潛艇上應(yīng)用可能存在問題

機(jī)電作動系統(tǒng)在潛艇上應(yīng)用，在復(fù)雜性方面沒有更多特別之處。機(jī)電作動系統(tǒng)的功率級別和脈寬調(diào)制（PWM）頻率與mF 聲吶系統(tǒng)相同。

1）在操作系統(tǒng)電驅(qū)動和電磁輻射管理方面容易出現(xiàn)問題。在可評估系統(tǒng)中，應(yīng)用數(shù)十個功率放大器，進(jìn)行方波轉(zhuǎn)化。電機(jī)的PWM控制將保證電纜屏蔽的需要。對于具有壓力補(bǔ)償能力充液潛水電機(jī)，充液的選擇對于系統(tǒng)在低溫下可靠運(yùn)行至關(guān)重要。如果低溫下，液體粘度變得太高，將提高對操作系統(tǒng)的電流要求。經(jīng)常通過電流反饋，檢測電機(jī)產(chǎn)生扭矩的大小，如果檢測到扭矩過大將觸發(fā)故障警報，警示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，沒有正常運(yùn)行。

圖8 用于壓力補(bǔ)償幾種油液比較Fig. 8 Comparison of several oil for pressure compensation

2）充液的熱膨脹要達(dá)到溫度要求。液體熱膨脹量越大，壓力補(bǔ)償就越大。如果不能使液體充分膨脹或收縮，將導(dǎo)致液體從電機(jī)中流出，或電機(jī)進(jìn)水。如果液體流出，就意味著密封失效，并不需要在定期維護(hù)更換密封。如果電機(jī)進(jìn)水且未及時發(fā)現(xiàn)，將侵蝕電機(jī)。基于上述原因，溫度測試中不能僅做簡單的檢查，需要對設(shè)備進(jìn)行徹底的檢查。

3）與傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，機(jī)電作動系統(tǒng)穿過耐壓殼體的供電和反饋電纜數(shù)量較少。機(jī)電作動系統(tǒng)的電纜，通過六角形耐壓殼體穿孔。每個耐壓殼體穿孔可以通過多根線纜。雖然單根線纜不比其他系統(tǒng)復(fù)雜，但是電纜和連接器的數(shù)量和種類多，要占用大量的空間。這需要在設(shè)計的時候考慮。

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Research on the electromechanical actuation systemfor submarine outboard

LI Hao-jun1, SUN Gui-cai2, SU Yong3, LIU Yang4
(1. No.91278 Unit of PLA, Dalian 116041, China; 2. No. 92857 Unit of PLA, Beijing 100161, China; 3. Navy Equipment Department, Beijing 100841, China; 4. The 714 Research Institute of CSIC, Beijing 100101, China)

Submarine electromechanical actuation systemis used for cable capstan drive, buoy laying and recovery, etc. There aremany features compared with traditional hydraulic transmission, such as small size, light weight and energy-saving. This paper introduces the developing of submarine outboard electromechanical actuator systemdesigned by the Atlas Electronics UK Branch Company, and explores the strengths and weaknesses of electromechanical actuation systemon nuclear submarine and conventional submarine. The pre-fabricatedmotor, brushless DCmotor and synchronous ACmotor are compared inmany aspects as improving the control ability, the power and weight/space ratio, and the redundancy of the resume. In the design process of themechanical and electrical system, the influence of environment and integration factor is also considered.

outboard of submarine；electromechanical actuation；systemdesign

U674, T61

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0103 - 04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.020

2016 - 06 - 27

李浩軍(1963 - )，男，高級工程師，主要從事艦艇裝備管理與保障相關(guān)研究工作。