無軸推進電機技術的發展

歐陽武，汪盛通，李鋒

武漢理工大學

無軸推進電機技術的發展

歐陽武，汪盛通，李鋒

武漢理工大學

航行器的的水下駕駛技術是其先進性能的重要因素。沒有電力推進技術的支持，許多先進的戰斗思路和戰術是無法實現的。無軸推進技術消除了傳統的推進驅動軸，這將促進電機和螺旋槳的整合，可以充分利用電氣和海水接觸，散熱效果好，有效地節省了水下機艙空間，地面和水下航行器的動力推進系統。

無軸推進；電機技術；發展

武漢理工大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助，項目編號：201610497224。

1.無軸推進電機技術

無軸推進技術采用新型的電機驅動系統，完全替代了推進軸，這對于潛艇來說是一個歷史性的技術跨越。電機的定子集成在導管結構內，轉子形成環形，圍繞推進器的輪緣，所以又叫做輪轂推進器，這種推進技術在潛艇上也被稱之為集成電機推進技術。

無軸推進是一種全電推進方式。它在電機形式結構和推進方式等方面都與普通的全電推進方式有所不同。在2004年，DARPA擬定了“唐格-布拉沃”計劃，與通用電船公司達成了相關合同，為美國的下一代彈道導彈核潛艇、攻擊型核潛艇所使用的集成電機推進技術研發做技術儲備。目前集成電機的推進技術主要有三種模式：輪緣驅動、輪轂驅動、內部驅動。

（1）輪緣驅動。輪緣驅動的中心部位不需要支撐物而是把螺旋槳葉片固定在外徑上。推進器把永磁轉子設計成環形結構，定子裝配帶有水潤滑作用的推力以及支座滑動軸承。效率高、能夠單獨替換損壞的葉片，并且不需要把螺旋槳整體拆除是輪緣驅動的優點。

（2）輪轂驅動。輪轂推進器可以使用兩種方式，一是軸承組件安裝在外側定子中，二是將軸承組件安裝在內部輪轂內。通用公司所使用的第二種方案。第一種方案也正在研究之中。從輪轂驅動的結構上看，推進系統中使用了兩臺推進器，機罩的外殼分別安裝在潛艇耐壓殼的兩側。每一臺電機功率為5.85兆瓦，正常狀態下的最大轉速為125轉/分，兩臺推進器的總功率約為12兆瓦，足夠滿足“弗吉尼亞”大小的核潛艇的動力需求。

（3）內部驅動。內部驅動美國海軍目前也正在推進概念研究，研發出了基于集成電機推進技術的名為RED-1的概念潛艇，其中引入了另外一種無軸推進器。安裝在潛艇耐壓艙內，位于潛艇尾操縱面之前，并且采用了永磁電機，類似戒指結構，中心有很大的空間，一臺直徑為1.22米的無人潛航器甚至能夠從電機中心穿過開出艇外。結構造型新奇，具有高效推進、低噪聲、擁有更多空間攜帶能源或載荷等優點。

2.無軸推進電機發展概況

船舶電力推進系統是重要的船舶動力。由于電動推進系統布置方便，工作噪音低，節能，操作靈活，易于實現自動控制，廣泛應用于船舶推進系統[1]。并逐漸取代傳統的推進趨勢。

由于直流電機調速性能和轉矩控制是理想的，所以直流調速系統的組成比較簡單。然而，直流電動機中的換向器有自己的缺點：結構復雜，體積大，價格高，周圍環境受到保護，因為火花限制，容量限制和限速限制。

交流電機輸出功率和限速值遠大于直流電機，結構簡單，制造成本低，運行可靠，體積小。隨著矢量控制技術的發展，交叉速度控制系統的性能可以與直流捕捉系統相媲美，不僅廣泛應用于鋼鐵，造紙，化工等工業領域。在破冰船，油輪，游船，工程船舶和特種船舶電力推進系統也得到應用，逐步取代直流電力推進系統。

同時現在第三代稀土永磁材料釹鐵硼開發成功，永磁電機功率的水平得到提升。正在開發永磁推進電機的新磁場結構，重量越輕越好，性能越來越好，更適合大功率提升的要求。

3.船舶推進電機的發展趨勢

船舶推進電機與普通電機不同。其設計應充分考慮使用環境和工作需要。首先要考慮使用環境條件如海水，鹽霧，再考慮艙室內布置、外形結構尺寸小、重量輕等要求[2]。

發展趨勢大容量：高轉矩，比功率高，噪音低，調速面積大，調光面積小，重量輕，安全可靠，尺寸可靠。

（1）大容量。船舶的排水量越大，所需的推進動力越大，推進機的能力逐漸增加。早期的船只用槳推進。現在已經用單螺旋槳代替，單個推進馬達的容量增加了太多。

（2）高轉矩。較早的螺旋槳是一種高速螺旋槳。為了提高效率和推進力，降低噪音，現在采用低速大直徑螺旋槳，低速，推進電機轉矩大大提高。

（3）高比功率，體積小、重量輕。推進馬達通常放置在船的后部。現在船舶為了提高流體力學和聲學性能，船尾的收縮導致船廂體積更小，要求推動電機體積小，重量輕，高于功率。

（4）可靠性高。較早的船舶與柴油推進電機同軸推進，配備多臺主推進電機和多臺輔助推進電機。現在只有一個主推進電機，推進電機已經成為唯一的推進艦。必須具有很高的可靠性，才能保證船舶的活力。

（5）寬調速范圍和調速性能。推進電機能夠在很寬的速度范圍內順利進行，以滿足船舶航行的要求，每分鐘幾十分鐘到幾百轉。速度比接近10：1[3]。任何速度都能正常工作。在相同的輸出功率。與電動機的總體速度和變速電動機的中斷速度相比，電力的實際負擔，電力負荷和堿負荷要大得多。

直流電機通常用于改變勵磁和電樞電壓控制方式。只有速度控制方法之一，不能滿足電機轉速和高效率要求的廣泛范圍。改變激勵調整，使電機部分磁路以最小速度來確定尺寸。電機的尺寸和重量增加，使用率低，效率低，低速[4]。所以集成電路采用勵磁和電樞電壓同時調整方法來滿足要求。一般使用頻率控制模式。可采用電流和電壓型逆變電源。是采用電壓式變頻器來實現交流推進電機的寬速調速功能。

（6）振動和噪聲。特殊船舶如測量船舶，考察船舶，推進電機的振動和噪音都會影響到測量的準確性。所以船舶推進電機的振動和噪聲要求越來越高。

結語

目前無軸推進技術還處于概念研究和實驗室模型驗證階段。如何精確調節螺旋槳轉速以達到最佳的轉速比和全新結構的螺旋漿的流體力場需重新計算、重新設計是它所面臨的主要技術難關。充分發揮無軸推進的優點，解決無軸推進關鍵性技術中的難點需要更多人的智慧。

[1]汪勇，李慶.新型集成電機推進器設計研究[J].中國艦船研究,2011（1）：82-85.

[2]鄭坷.集成電機推進器構型及特點分析[J].艦船科學技術，2011（6）：96-98.

[3]陳虹，冷文軍.美、俄核潛艇技術發展述評[J].艦船科學技術，2008（6）：38-44.

[4]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（3）:601-605.