無軸輪緣推進器內置電機防護材料與防護工藝綜述

陳 珂，楊顯照，李燚航，潘凌風，歐陽武，嚴新平,2

(1.武漢理工大學，武漢430070；2.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

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無軸輪緣推進器內置電機防護材料與防護工藝綜述

陳 珂1，楊顯照1，李燚航1，潘凌風1，歐陽武1，嚴新平1,2

(1.武漢理工大學，武漢430070；2.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

無軸輪緣推進器采用永磁電機-螺旋槳-舵一體化設計，取消了傳統軸系推進器的傳動軸等結構，在節省安裝空間、提高推進效率和減振降噪的同時，也面臨著電機水下防護難題。分析了其內置電機的防護需求；討論常用防護材料的優缺點；此外，介紹了電機轉子和定子的防護層制造工藝；最后總結了目前防護材料及工藝的不足，提出需要進一步研究的重點和目標。

無軸輪緣推進器；內置電機；防護材料；增韌；防護工藝

0 引 言

目前，船舶和水下航行器大多采用螺旋槳推進方式，依靠軸穿過船體連接傳遞動力。該方式體積重量大，還存在尾軸密封、軸系振動噪聲和能量傳遞損耗等難題；隨著航運貿易的壯大與科技進步的催化，傳統軸推進的一系列弊端也愈加明顯。無軸輪緣驅動推進系統(以下簡稱RDT)就此誕生[1]。

RDT將永磁電機-螺旋槳-舵一體化設計，將驅動電機嵌入到導罩中，并在水環境工作。早在1995年，英國的Flower 等學者就提出了磁阻式馬達推進器；2004 年美國Schilling Robotics開發五葉推進器；2006年，荷蘭 Van der Velden Marine System 公司開發管道式之七葉無轂環驅推進器，其分為數種規格[2]。由于大尺寸水潤滑軸承的實現難度大，目前文獻大都為小型樣機、推進器仿真或其載荷分布等方面的研究[3-7]。研究RDT關鍵的技術問題對船舶驅動領域有著重大意義，但是，鑒于電機構造與工作環境的特殊性，水下防護成了至關重要的“攔路虎”。本文分析了無軸推進系統的結構特點、防護功能需求，并就現有材料的特性展開對比，隨后在此基礎之上以復合材料為防護材料首選進行強化方案的敘述，介紹了適宜水下電機密封的工藝，最后指出現有材料、工藝尚不能完美配合無軸推進系統，闡述它們改進發展的空間與方向。

1 無軸推進系統結構及電機防護需求分析

1.1 無軸推進系統基本構成及工作原理

所謂無軸是指推進系統取消了傳動軸、聯軸器、齒輪箱和密封等，不再采用穿透船體的傳統軸系統，而是將高效電機-螺旋槳-舵-水潤滑軸承集成為一體，因此還被稱為集成電機推進器(以下簡稱IMP)。關于其內置電機，目前主要形成了交流感應電機、永磁交流同步電機、高溫超導交流同步電機、超導直流單極電機等4類[8]。

圖1、圖2為典型的無軸推進器結構圖，電機定子安裝在導管之中，在電機轉子環的外壁鑲嵌永磁體，槳葉固定在轉子內壁并向內伸出；將兩套水潤滑軸承系統設置在電機轉子兩側，用于承受轉子和葉片的重力，以及傳遞槳葉旋轉產生的推力；推進器與船體之間采用吊艙式的安裝方式。工作時，轉子帶動槳葉旋轉，產生的推力通過轉子兩端的軸承傳遞到船舶上。與傳統軸系推進器相比，它極大地減少傳動過程中能量的損耗，具有結構緊湊、船艙占用空間小、推進效率高、振動噪聲小等顯著優點。而且，由于采用完全水潤滑軸承，節省了潤滑費用，避免了潤滑油泄漏污染的風險，減少了海洋污染物的排放。

圖1 德國Schottel公司的無軸推進器實物圖

圖2 無軸推進器結構示意圖

1.2 內置電機防護功能需求分析

無軸推進器的內置電機要求暴露在水環境中，水通過電機定子和轉子之間的間隙完成對電機冷卻，這給電機防護帶來了極大的挑戰。除了要求導罩對電機起到機械防護作用外，定子和轉子的外壁都需要專門的防護設計，如圖3所示。

圖3 定子、轉子及防護層局部視圖

內置電機的轉子外壁粘貼了一定數量的永磁體。考慮到可能面臨的海水沖刷、腐蝕以及砂石磨損等問題，要求永磁體的防護材料在具有較高強度和韌性的同時，還應該有優良的抗腐蝕和耐磨損。同時，防護材料應盡量規避對磁場的干擾及阻礙，減少漏磁和渦流損耗。

定子主要由定子鐵心和線圈組成，通過電流產生磁場，防護需求基本與轉子一致。但內置電機的定子繞組運行時承載著更大的電流密度，所以防護材料也應具備良好的導熱性[9]。此外，弧形轉子只是外壁需要防護，而且環形定子表面不規則，這就要求防護采用應具有優異的加工性。

2 內置電機防護材料對比及優選

2.1 常用密封材料對比

不銹鋼[1]是國內常用的水防護材料，雖然不銹鋼韌性較好、強度較高，但海水中電化學腐蝕是其致命弱點；無機非金屬中屬兼具有耐腐蝕、耐高溫和耐磨損的優點的陶瓷，還可大幅消減渦流損耗，但工藝性較差、質脆等缺點限制了其應用；如今工業上密封普遍使用的樹脂材料也有一定的防護功能，但其強度、硬度等力學性能較弱的問題需要改善。

新興的纖維復合材料質量輕、強度大、絕緣性和抗腐蝕性好，盡管存在成本較高、模具制造復雜、成型后復雜加工難度大等問題，但考慮到其性能較優，用于內置電機防護層材料的發展空間大，本文重點論述該材料的可行性。常用材料部分性能如表1所示。

表1 常用材料部分性能比較[10]

2.2 防水復合材料及其改性增強方法

復合材料，即由大于等于兩種的不同性質的材料，憑借物/化方法，宏觀(微觀)上具備新性能的材料。大體而言，可劃分為基體材料和增強材料。

2.2.1基體材料

樹脂為常用的基體材料，可分為乙烯基樹脂、環氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂和膠衣樹脂等。幾種材料的優缺點對比如表2所示。

表2 幾種樹脂材料的優缺點對比[11]

2.2.2增強材料

主要采用纖維材料來增強，主要的幾種纖維材料參數如表3所示，性能對比如下：

(1)玻璃纖維(簡稱GF)。擁有密度低、強度高、電絕緣性優良和價格低廉等優點[12]，是一種綜合性能優異的無機非金屬材料，但它相對較脆，耐磨性較差。所以一般通過基底改性來增強韌性。

(2)碳纖維。盡管多項性能均較優異，但它是電的良導體，存在電化學腐蝕[13-14]風險。而且研究表明碳纖維對電磁波有較強反射作用[15-17]，因此不宜作為電機防護殼。

(3)硼纖維。機械性能優異。但硼纖維易與基體相互作用，需在其表面上涂覆碳化硼、碳化硅等材料增惰，而SiC在電場作用下電阻會減小，且對電磁場可能有較大影響。

(4)芳綸纖維。與鋼絲相比，強度是其數倍，而重量僅為五分之一左右[18-19]。它不僅絕緣性能優良，而且耐酸堿，壽命長。

(5)碳化硅纖維。屬陶瓷纖維類，強度高，耐摩，化學穩定性好。缺點是碳化硅具有吸波性能[20-21]，而且純度不夠時還會因鐵磁性雜質的存在而產生磁損耗。

綜上所述，廉價易得的玻璃纖維和韌性良好的芳綸纖維是制作定子、轉子密封殼的最佳材料。

表3 增強纖維的物性對比[22-23]

2.2.3內置電機防護層復合材料增韌

盡管玻璃纖維和芳綸纖維從眾材料中脫穎而出，但玻璃纖維韌性上相對欠缺，為起到更好的內置電機防護作用，可以通過使用韌性優良的基體材料、改變組份含量、添加增韌劑等方法增韌[19-20]。當GF含量較低時，主要依靠基體變形抵消沖擊作用。隨著GF含量上升，材料內部出現應力集中，降低了材料的韌性。當GF含量進一步提升時，不僅會造成基體屈服，還能阻礙裂紋的發展[24]，因此材料韌性隨著GF填充量的增加又略微提高[25]。

目前制備具有優良韌性的GF復合材料有幾種方法：1)SMC材料，為熱固性聚丙烯酸酯材料，是Freeman Chemical公司的產品，抗沖擊強度可達普通SMC的兩倍；2)剛性納米二氧化硅顆粒和柔性PR納米顆粒填充環氧復合材料；3)苯并嗯嗪/環氧樹脂/DDM三元體系，沖擊強度相對提升了291.8%。冉起超等人制備了一種可用于樹脂傳遞模塑(RTM)工藝的性能優異的苯并噁嗪共混樹脂體系(BA21)[26]。

3 內置電機防護層制造工藝

內置電機防護層制造工藝根據防護材料不同會有差異，本部分重點闡述樹脂材料和復合材料的防護制造工藝的研究情況。

3.1 樹脂材料電機防護法

目前已有文獻報道在無軸推進器研制過程中，采用樹脂來防護內置電機。樹脂分為熱塑性和熱固性。由于未添加復合材料的樹脂加熱后具有良好的流動性，冷卻后又能固化成型，所以其加工方便，形狀靈活。

熱固性樹脂需預成型為顆粒狀，利用轉移模具機加工處理。將電機定子線圈壓入底模，再用表模壓緊，樹脂填滿腔室且材料成型需要4～7 min。熱塑性樹脂可采用注射成型法，耗時較短[27]。樹脂密封還可以使用浸烤法、滴浸法，以及VPI真空壓力浸漬系統。該系統可更徹底地排出空氣，從而增加樹脂導熱率[9]，制造的成品不僅絕緣性能與強度得以提升、溫升減小，而工作中出現的松動次數也大大減少。Hubrig J G、Frost N E等[28-29]對VPI程序以及使用裝置進行了研究，封裝的定、轉子外觀如圖4、圖5所示。詳細制備過程見文獻[30]。

樹脂密封雖然工藝相當簡單，但強度、抗沖擊和抗磨損能力較差，所以其在無軸推進器中的使用環境、壽命受到限制，特別在深水航行推進器中應用的可靠性還有待進一步研究。

圖4 封裝的定子外觀圖[28]圖5 封裝的轉子外觀圖[28]

3.2 復合材料電機防護法

目前雖然還未見到復合材料用于無軸推進器內置電機防護的報道，但由于其防護性能優異，其防護制造工藝值得研究。復合材料不同于其他材料，必需先按照電機定子和轉子制作相應的模具，先分體制作各自的防護層，然后通過后期粘結或纏繞再加工的方式結合為一個整體。目前尚無成熟的內置電機防護工藝，通過研究對比，可行性較高方案可概括為[31]：

(1)接觸低壓成型工藝。首先制作定子、轉子模具，然后憑借雙手或工具交替鋪勻一層樹脂、一層增強纖維，循環重復多次。諸如RTM工藝、手糊法、噴射法與熱膨脹模塑等都屬于接觸低壓成型工藝。盡管操作簡單、壓力低，但得到的產品質量可能較低，鋪設可能引入氣泡。

(2)纏繞成型工藝。利用樹脂膠液浸漬增強纖維，隨后將之規則有序地纏繞到芯模上，靜置使樹脂固化，便可進行脫模。低生產成本高效率，自動化程度高，缺點是只適合表面無凹的制品[32]。

(3)模壓成型工藝。將塑料放入模具腔中，保持成型溫度，然后閉模加壓，直至固化成型。適用于多種熱固/熱塑材料，精度高，適合機械化生產，但程序復雜，成本高。

(4)還有擠壓成型、澆鑄、沖壓、層壓等成型工藝，具體見文獻[31]。

復合材料防護過程復雜，工藝較為困難，而且往往面臨上述的諸多問題，所以現階段工業生產采取復合材料來防護密封的較少。

4 發展趨勢和研究方向

無軸推進系統消弭了依靠貫穿船體的機械軸連接傳遞動力的許多弊端，但該項技術尚不成熟，其內置電機防護研究還有大量的工作。

(1)由于樹脂制造工藝相對簡單，因此在無軸推進內置電機防護中已有研究報道。但電機轉子防護時出線處密封問題、材料抗磨、抗沖擊和深水耐壓可靠性等性能提升問題等還有待進一步研究。

(2)關于電機防護用復合材料，尚存在增強纖維和樹脂粘結性、附著性差等問題，需要通過配比比例、制備方法或增韌劑來彌補。脆性復合材料的增韌方法、提高纖維的附著性，不論對無軸推進電機防護而言還是對復合材料而言，都是研究的熱點。

(3)由于無軸推進器電機結構不規則，一方面，研制既具備優良力學性能，又可以高度匹合內置電機加工條件的防護復合材料是難點之一；另一方面，現有工藝還存在適用性不夠、繁瑣和應變能力差等問題，改良或創新出更適合無軸推進系統的密封工藝有待深入探索。

5 結 語

與動力和螺旋槳分體的傳統推進系統相比，RDT取消了軸系和密封，極大解放了船艙空間，顯著提升了推進效率，減少了振動與噪聲，而且因為采用水潤滑軸承而避免滑油泄露污染問題，在軍事和民用領域都具有極高的應用價值和廣闊的市場前景。一體化設計思想帶來諸多優點的同時，苛刻的水環境防護要求是一個關鍵難題，倘若能以現有的防護材料及工藝為基礎，進行改良和發展，解決RDT內置電機的水環境防護問題，無疑對實現高效永磁電機及無軸推進系統整機功能至關重要。

[1] 談微中,嚴新平,劉正林,等.無軸輪緣推進系統的研究現狀與展望[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2015,39(3):601-605.

[2] 葉雨涵.無轂環驅式推進器之整合設計于實現[D].臺南：國立成功大學，2008:1-69.

[3] NEWMAN W F.Design of supplementary thrusting unit for a miniature autonomous submarine[D].Blacksburg,Virginia:Faculty of Ocean Engineering,Virginia Polytechnic Institute and State University,2012:1-37.

[4] FRANK D，GRAY A，SCHWARTZ E.Propagator 2:A Planing autonmous surface vehicle with azimuth rim-driven thrusters[C]// Proceedings of the Fourteenth Annual Early Career Technical Conference,2014.

[5] TUOHY P M,SMITH A C,HUSBAND M.Induction rim-drive for a marine propulsor[C]//Iet International Conference on Power Electronics.2010:1-6.

[6] SHARKH S M,LAI S H.Design optimization of a slotless PM brushless motor with helical edge wound laminations for rim driven thrusters[J].High Technology Letters,2010,16(1):70-79.

[7] CAO Q M,HONG F W,TANG D H,et al.Predict in on of loading distribution and hydrodynamic measurements for propeller blades in a rim driven thruster[J].Journal of Hydrodynamics,2012,24(1):50-57.

[8] 鐘宏偉,韓雪,劉亞兵.無軸推進電機技術應用研究[J].船艦科學技術,2015,37(9):1-6.

[9] TUOHY,MICHAEL P.Development of canned line-start rim-driven electric machines[D].Manchester:University of Manchester,2011.

[10] 張鴻名.船用復合材料螺旋槳成型工藝研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009:1-60.

[11] 李江濤,羅凱,曹明法.船用玻璃鋼/復合材料及其在船舶中應用的最新進展[C]//第十七屆中國國際船艇及其技術設備展暨高性能船學術報告會論文集.上海：中國造船工程學會,2012.

[12] 黃虹,明浩,王選倫,等.碳纖維/空心玻璃微珠/聚丙烯三元復合體系的制備及力學性能研究[J].塑料科技,2012,40(4):69-72.

[13] 先元華,賀大松.碳纖維增強碳鋼在不同氯離子濃度孔隙液中的腐蝕行為[J].鑄造技術，2015(5):1142-1144.

[14] 王強,呂海波.海洋環境下碳纖維加固鋼筋混凝土柱抗腐蝕試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2013(9):42-44.

[15] 蔣洪暉,顧兆栴,于富強,等.功能纖維織物的制備及其吸波性能[J].表面技術,2010,39(5):72-76.

[16] 蔣洪暉,顧兆梅,柳穎,等.雙復纖維排布方式對其吸波性能的影響[J].磁性材料及器件,2010,41(1):32-35.

[17] 鄒田春,趙乃勤,師春生,等.微量碳纖維/樹脂復合吸波材料的研究[C]//國際材料科學與工程學術研討會.太原:中國機械工程學會，2005:1689-1692.

[18] 于鵬利,李舉平.氣脹式聯軸器的研制[J].特種橡膠制品,2010,31(5):37-41.

[19] 沈春萍.新型纖維材料及其制品在體育用品中的應用[J].合成纖維,2011,40(10):11-14.

[20] 李家俊,鄭長進,趙乃勤,等.含碳化硅纖維正交電路屏的吸波復合材料的研究[J].材料工程，2005(3):6-9.

[21] 中國人民解放軍國防科學技術大學.碳化硅纖維增強樹脂基夾層結構的吸波材料及其制備方法：CN:201110086529.6[P].2011-10-19.

[22] 陳祥寶.聚合物基復合材料手冊[M].北京：化學工業出版社,2004.

[23] 周晏云,宋六九．Kevlar、PBO有機纖維及其復合材料的性能[J]．纖維復合材料，2003,20(4):18-19．

[24] 董相茂,劉賢文,李明昆,等.高韌性高剛性玻璃纖維增強聚碳酸酯的研究[J].塑料工業，2015,45(11):138-141.

[25] 黃彩霞,王雄剛,姚丁楊,等.玻璃纖維增強聚碳酸酯材料的增韌研究[J].塑料工業，2015,43(10):31-34.

[26] 冉起超,高念,李培源,等.一種 RTM 用苯并噁嗪樹脂的工藝性及其復合材料性能[J].復合材料學報，2011,28(1):15-20.

[27] CECIRE B F.Coil encapsulation: materials and processes[C]//Electrical Electronics Insulation Conference and Electrical Manufacturing and Coil Winding Conference and Exhibition.1997:641-642.

[28] FROST N E,HUGHES D,LAURENTY D,et al.A review of vacuum pressure impregnation procedures for form wound stators[C]//Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Technology Conference,2003.IEEE,2003:641-644.

[29] HUBRIG J G,BIALLAS G H.Managing Coil Epoxy Vacuum Impregnation Systems At The Manufacturing Floor Level To Achieve Ultimate Properties In State-Of-The-Art Magnet Assemblies[C]//Proceedings of the Particle Accelerator Conference,2005.PAC 2005.2005:4260-4262.

[30] SCHEIN J.Processing with vacuum and vacuum-pressure technology[C]// Electrical Insulation Conference & Electrical Manufacturing & Coil Winding Technology Conference. IEEE, 2003: 141-144.

[31] 陳忠,王麗梅.玻璃鋼成型工藝[J].建設科技，2004(19):61.

[32] 張小溪.復合材料成型工藝方法及優缺點分析[J].科技與企業，2014(18):165.

An Overview on the Protective Material and Its Anticorrosion Technique of Built-in Motors with Shaftless Rim-Driven Thrusters

CHENKe1,YANGXian-zhao1,LIYi-hang1,PANLing-feng1,OUYANG-wu1,YANXin-ping1,2

(1.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.National Engineering Research Center for Water Transport Safety,Wuhan 430063,China)

Shaftless rim-driven thruster, which cancels the traditional propeller shaft, adopts the design of integrating the permanent magnet electric machine, the propeller and the rudder, having the advantage in saving installation space, improving the thruster's efficiency, vibration attenuation and reducing noise and so on, while it also faces the difficulty of protecting under water. The protection demand of built-in motor was analyzed and then the merits and demerits of protective materials were discussed. Additionally, the manufacturing technique for sealing the rotor and stator was described. Finally, deficiencies of the protective materials and anticorrosion technique were summarized, and the focus and targets of further research were put forward.

shaftless rim-driven thruster (RDT); built-in motor; protective material; toughen; anticorrosion technique

2016-03-30

國家水運安全工程技術研究中心開放基金(16KA01)

TM305.1

A

1004-7018(2016)07-0083-05