鐘宏偉，韓 雪，劉亞兵

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七〇五研究所，云南 昆明650118)

0 引 言

航行器的水下動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)是其性能先進(jìn)與否的一個(gè)重要因素，很多先進(jìn)的作戰(zhàn)理念及戰(zhàn)術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)的支撐。無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)取消了傳統(tǒng)推進(jìn)傳動(dòng)軸，將推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳融合為一體，實(shí)現(xiàn)了既能充分利用電機(jī)與海水接觸、散熱效果好的特點(diǎn)，又能有效節(jié)約水下航行器內(nèi)腔體使用空間，它能廣泛應(yīng)用于水面及水下航行器的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。水下無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)研究已成為近20 年航行器技術(shù)研究的熱點(diǎn)，無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)適用于遠(yuǎn)航程低航速的水下/水面航行器。美國(guó)是開(kāi)展航行器水下無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)研究投入最大的國(guó)家。近年，美海軍與多家公司簽訂屬同一概念而采用不同設(shè)計(jì)方式的無(wú)軸推進(jìn)項(xiàng)目，這種新型的無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)把航行器殼體、推進(jìn)電機(jī)、無(wú)軸推進(jìn)器、舵機(jī)和舵面一體化，構(gòu)成整個(gè)浸沒(méi)水下航行器的尾段，具有噪聲低、重量輕、體積小的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下航行器的安靜推進(jìn)，樣機(jī)已在大型UUV/水面艦船上進(jìn)行了成功試驗(yàn)，是未來(lái)無(wú)人艦艇采用先進(jìn)電力推進(jìn)的技術(shù)儲(chǔ)備，并正在研制將其應(yīng)用到高性能輕、重型魚(yú)雷等水下武器裝備上。

在無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)中，受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，所選用的電機(jī)有所不同［1］，主要有交流感應(yīng)電機(jī)(IM)、永磁交流同步電機(jī)(PMACS)、高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)(HTSACS)及超導(dǎo)直流單極電機(jī)(SDCH)4類(lèi)電機(jī)可選。

1 無(wú)軸推進(jìn)電機(jī)技術(shù)

航行器水下推進(jìn)電機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)到無(wú)軸推進(jìn)電機(jī)的發(fā)展過(guò)程:在20 世紀(jì)60 －80年代直流電機(jī)的發(fā)展取得了很大突破;到了90 年代開(kāi)始大規(guī)模研發(fā)交流無(wú)刷電機(jī);進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)始把重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)、研究盤(pán)式電機(jī)技術(shù)、無(wú)軸推進(jìn)的集成電機(jī)技術(shù)及磁耦合推進(jìn)技術(shù)［2］。目前，無(wú)軸推進(jìn)電機(jī)技術(shù)是各國(guó)新型水下/水面航行器動(dòng)力系統(tǒng)的重要研究方向，它具有高效率、高比功率、低噪聲、新型冷卻系統(tǒng)、長(zhǎng)期運(yùn)行的特點(diǎn)。發(fā)展至今，主要形成了交流感應(yīng)電機(jī)、永磁交流同步電機(jī)、高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)、超導(dǎo)直流單極電機(jī)等4 類(lèi)。

1.1 電機(jī)工作原理

1)交流感應(yīng)電機(jī)

由定子及轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子固定于軸承上，與定子由氣隙隔開(kāi)。定子鐵心由鋼片疊成，鐵心內(nèi)圓均勻分布著許多槽，用以嵌放定子繞組，當(dāng)定子繞組通入交流電后，即會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)在轉(zhuǎn)子線圈中感應(yīng)出電流［3］。感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子為圓柱狀，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與氣隙磁場(chǎng)相互作用下，電機(jī)進(jìn)行正常工作。

圖1 感應(yīng)電機(jī)定子鐵心結(jié)構(gòu)Fig.1 Induction motor stator core ＆ slot-embedded conductors

2)永磁交流同步電機(jī)

同步電機(jī)之所以稱(chēng)作“同步”，原因是其在穩(wěn)態(tài)下保持恒定的轉(zhuǎn)速及恒定頻率。同步電機(jī)的2 個(gè)重要部件為電極和電樞，直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子上的直流線圈能通過(guò)電刷及換向片與外部直流電源連接;對(duì)于永磁交流同步電機(jī)而言，直線線圈連接到安裝在轉(zhuǎn)子上的無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。如圖2 所示，直流勵(lì)磁同步電機(jī)的電極尺寸較大［4］，采用永磁體后，電極尺寸得到明顯的縮減;現(xiàn)有的船用推進(jìn)系統(tǒng)中永磁交流同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)可達(dá)50 對(duì)。為增大轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度及切應(yīng)力(通過(guò)增大負(fù)載電流A)，可對(duì)定子線圈進(jìn)行液冷。

3)高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)

此類(lèi)電機(jī)的基本工作原理與直流勵(lì)磁同步電機(jī)類(lèi)似，不同之處在于轉(zhuǎn)子采用了超導(dǎo)線圈。為了維持線圈的超導(dǎo)特性，需用氦氣通入轉(zhuǎn)子，使其溫度保持在約30K;轉(zhuǎn)子外表面有一個(gè)圓柱狀銅殼，通過(guò)一個(gè)密封不銹鋼真空附件將其與轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱隔離，并隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，還能屏蔽由電力變換器引起的高頻諧波磁場(chǎng)。

4)超導(dǎo)直流單極電機(jī)

目前有盤(pán)狀和鼓狀2 種直流單極電機(jī)技術(shù)。對(duì)于在艦艇上應(yīng)用，鼓狀電機(jī)可能是最優(yōu)的選擇，下面僅對(duì)鼓狀電機(jī)進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 直流勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.2 Synchronous motor rotor showing DC excited field poles

圖3 高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)Fig.3 HTSACS motor-cut-away drawing

超導(dǎo)直流單極電機(jī)的工作方式與前面所述的交流電機(jī)不同［5］，如同所有的直流電機(jī)一樣，超導(dǎo)直流單極電機(jī)需要機(jī)械電刷，在徑向磁場(chǎng)中，電流沿轉(zhuǎn)子軸向流通并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。采用超導(dǎo)線圈以產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，與較大的轉(zhuǎn)子電流相互作用就可產(chǎn)生極大地轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度，因此，超導(dǎo)直流單極電機(jī)能夠在較小的體積下具有較大的轉(zhuǎn)矩。此外，此類(lèi)電機(jī)的工作電壓較低，可將電力變換器的電流轉(zhuǎn)換至一個(gè)極大值;為解決低壓/大電流的問(wèn)題，需增加額外的電路進(jìn)行升壓。

1.2 基本性能參數(shù)

表1 給出了4 種推進(jìn)電機(jī)的性能參數(shù)對(duì)比［6］，其中IPS 為感應(yīng)電機(jī)集成動(dòng)力系統(tǒng)。由于對(duì)永磁交流同步電機(jī)及高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)的長(zhǎng)度及直徑獲取的數(shù)據(jù)尚不肯定，故相應(yīng)的切應(yīng)力無(wú)法計(jì)算;另外，對(duì)于其它電機(jī)有數(shù)據(jù)所計(jì)算的切應(yīng)力可信度也尚待推敲，原因是僅根據(jù)電機(jī)外部尺寸數(shù)值推導(dǎo)的，而不是根據(jù)轉(zhuǎn)子直徑及有效的鐵心長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算的，僅供參考。

圖4 單極電機(jī)Fig.4 Homopolar motor principles of operation

表1 各類(lèi)推進(jìn)電機(jī)參數(shù)Tab.1 Various propulsion motor parameters

相對(duì)而言，轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度(單位重量下的轉(zhuǎn)矩)計(jì)算值可能更能代表各類(lèi)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比，利用額定功率及轉(zhuǎn)速可對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，根據(jù)查閱文獻(xiàn)可獲得各個(gè)電機(jī)的重量，因此對(duì)比4 類(lèi)(5 種)電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度可作為一個(gè)重要的參量。對(duì)比可知，永磁交流同步電機(jī)及高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)具有最高的轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度，即作為推進(jìn)電機(jī)時(shí)重量最輕。

所有推進(jìn)電機(jī)均需要電力變換器和控制器在可接受的諧波內(nèi)精確控制電機(jī)電壓及轉(zhuǎn)速，對(duì)交流電機(jī)而言，電力變換器是將直流逆變?yōu)榻涣鳎M(mǎn)足頻率及電壓的要求;對(duì)于直流電機(jī)，它直接輸出直流電。電力變換器受到頻率范圍、相數(shù)、電壓限制、最大載荷及其他因素的影響，使得所選擇推進(jìn)電機(jī)范圍變窄。就要求推進(jìn)電機(jī)所選電力變換器的魯棒性要好，即便出現(xiàn)某個(gè)器件失效時(shí)，仍能可靠實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能，并在滿(mǎn)足噪聲要求的同時(shí)，仍能產(chǎn)生精確的電流波形驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。幾種常用電力變換器包括:用于交流電機(jī)的循環(huán)變換器、整流器+逆變器組合、PWM 變換器以及用于直流電機(jī)的(buck 降壓電路)電力變換器［7］。

2. 應(yīng)用研究

2.1 交流感應(yīng)電機(jī)

1)特點(diǎn)

感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)現(xiàn)如今已較為成熟可靠，在大功率工業(yè)場(chǎng)合已經(jīng)應(yīng)用數(shù)十年，其相關(guān)技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。感應(yīng)電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)之一是機(jī)械簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng);盡管感應(yīng)電機(jī)的聲學(xué)性能不是最優(yōu)，但在過(guò)去的50 年里，關(guān)于感應(yīng)電機(jī)聲學(xué)性能的研究從未間斷，30 MW 級(jí)的感應(yīng)電機(jī)已經(jīng)誕生并且成功投入使用。

一些國(guó)家已經(jīng)將感應(yīng)電機(jī)作為其海上裝備應(yīng)用中的第一選擇，美國(guó)海軍在“集成動(dòng)力系統(tǒng)(IPS)”工程中，證實(shí)了感應(yīng)電機(jī)作為電力推進(jìn)戰(zhàn)艦動(dòng)力源的可行性。感應(yīng)電機(jī)的另一個(gè)特性是可適用于不同的輪輞。

感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度及極對(duì)數(shù)有限，磁切應(yīng)力上限為8 ～10 psi，與其他推進(jìn)電機(jī)相比，感應(yīng)電機(jī)體積更大重量更重;較小的極對(duì)數(shù)限制了產(chǎn)生高頻噪聲的趨勢(shì)。感應(yīng)電機(jī)的技術(shù)相對(duì)較為成熟，提升空間較小，此外感應(yīng)電機(jī)還保持著良好的可靠性記錄［8］。

圖5 鼠籠式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.5 Induction motor squirrel-cage rotor

2)電力變換器要求

前面提到的幾種電力變換器均可適用于感應(yīng)電機(jī)，但聲學(xué)性能要求具有較低的時(shí)間諧波，這樣采用合適開(kāi)關(guān)策略的PWM 電力變換器就成為首選。

3)聲學(xué)性

感應(yīng)電機(jī)對(duì)噪聲源極為敏感，對(duì)于這些噪聲抑制機(jī)理，已有有效應(yīng)對(duì)技術(shù)，并可從公開(kāi)及專(zhuān)利文獻(xiàn)中獲得相應(yīng)的技術(shù)處理方法。文獻(xiàn)［2］對(duì)已有的降噪技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述，極對(duì)數(shù)的限制使得感應(yīng)電機(jī)的聲學(xué)性能不如永磁交流同步電機(jī)(極數(shù)可達(dá)100)優(yōu)越。

2.2 永磁交流同步電機(jī)

1)特點(diǎn)

與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁交流同步電機(jī)具有較大的功率及轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度，此類(lèi)電機(jī)可供選用的技術(shù)包括軸向磁通技術(shù)、徑向磁通技術(shù)、橫向磁通技術(shù)等。其中，徑向磁通技術(shù)最為成熟，能夠較好地應(yīng)用于輪輞無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)，也可用于吊艙式推進(jìn)系統(tǒng);徑向磁通電機(jī)已成為美海軍新型DDX 水面戰(zhàn)艦推進(jìn)系統(tǒng)及輪輞驅(qū)動(dòng)的首選。

目前來(lái)看，采用非永磁材料的電機(jī)功率達(dá)到了20 ～30 MW，正在生產(chǎn)中的美軍DDX 水面戰(zhàn)艦用永磁電機(jī)的功率達(dá)36 MW，另外，美海軍資助設(shè)計(jì)的一種3 MW 永磁交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度將比前面所述幾種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度都要大。

圖6 同步電機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.6 Synchronous motor rotor showing radial flux permanent magnet field poles

永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中，徑向結(jié)構(gòu)尺寸可設(shè)計(jì)得比其他交流電機(jī)都要小，主要原因是永磁交流同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)可設(shè)計(jì)得較多，這樣為避免飽和定子軛厚度就較薄，單個(gè)電極磁路中的磁通量相對(duì)小電極數(shù)要低。因此，得益于徑向結(jié)構(gòu)的更小化，設(shè)計(jì)出的永磁交流同步電機(jī)在質(zhì)量，體積上具有明顯優(yōu)勢(shì);但若要得到較大的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)外徑就不得不設(shè)計(jì)得很大。

2)電力變換器

前述幾種電力變換器同樣均可適用于永磁同步交流電機(jī)，考慮寬范圍的速度調(diào)節(jié)能力及聲學(xué)要求，PWM 電力變換器通常作為其驅(qū)動(dòng)。

3)聲學(xué)性

在精確設(shè)計(jì)的前提下，理論上永磁電機(jī)的聲學(xué)性能比其他電機(jī)都要好(超導(dǎo)直流單極電機(jī)除外)，永磁交流同步電機(jī)的功率等級(jí)可以很大，電極數(shù)可設(shè)計(jì)得較多，對(duì)于大型推進(jìn)電機(jī)，其極對(duì)數(shù)可達(dá)50對(duì)，對(duì)聲學(xué)性有益。

2.3 高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)

1)特點(diǎn)

相比感應(yīng)電機(jī)，高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)在體積及重量上具有較大縮減的可能。采用近來(lái)開(kāi)發(fā)的高溫超導(dǎo)線圈，磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)5 T，與定子線圈相耦合的高場(chǎng)強(qiáng)可增大磁切應(yīng)力及轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度，理論上對(duì)于磁切應(yīng)力而言，超導(dǎo)電機(jī)比非超導(dǎo)電機(jī)都要大。

然而在重量方面，相比永磁電機(jī)，高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)的縮減并沒(méi)有像預(yù)期那樣多。原因如下:第一，由于較大的氣隙以及定子線圈結(jié)構(gòu)，臨近定子線圈(產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩)的實(shí)際磁切應(yīng)力減?。?］;第二，此類(lèi)電機(jī)的徑向結(jié)構(gòu)比永磁交流同步電機(jī)要大，前者轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度不如后者［4］。因徑向結(jié)構(gòu)越小，電機(jī)重量越輕;高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)較少的極對(duì)數(shù)要求定子軛厚度較薄，以使得磁路不飽和。這樣一來(lái)超導(dǎo)電機(jī)的體積雖得到了縮減，但質(zhì)量強(qiáng)度卻很大，因此永磁交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度比超導(dǎo)電機(jī)要大。

超導(dǎo)電機(jī)在機(jī)械、散熱、電氣等方面的設(shè)計(jì)均較為復(fù)雜，應(yīng)用在戰(zhàn)艦上，其可靠性及魯棒性的要求極高。需配備如下幾個(gè)復(fù)雜系統(tǒng):

①冷卻劑輸送系統(tǒng)。

②安裝在轉(zhuǎn)子上的扭矩傳遞管不僅要能承受滿(mǎn)載下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，還要能在短路工況下承受瞬態(tài)的極大扭矩;扭矩傳遞管不能引起過(guò)多的熱量泄露至轉(zhuǎn)子線圈;轉(zhuǎn)子線圈側(cè)的扭矩傳遞管要工作在低溫下，而推進(jìn)軸側(cè)要工作在室溫下，兩側(cè)溫差可達(dá)數(shù)百K。

③不論是滿(mǎn)載工況，還是瞬態(tài)短路故障工況，間隙定子線圈系統(tǒng)都要能將感應(yīng)轉(zhuǎn)矩傳遞至電機(jī)外殼，并為由定子線圈產(chǎn)生的熱量提供一個(gè)低阻傳遞路徑。

由于復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)在輪輞式無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)中并不適用，對(duì)于吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)則有可能。近來(lái)，一種5 MW 的高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)正處于設(shè)計(jì)制造中，并成功開(kāi)始進(jìn)行性能測(cè)試，但聲學(xué)性能信息尚不明。高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)正處于發(fā)展階段，目前還沒(méi)有被證明的可靠性記錄，但受到美國(guó)海軍的支持，該種電機(jī)技術(shù)正飛速進(jìn)步。

2)電力變換器

已有的應(yīng)用中，選PWM 電力變換器為該超導(dǎo)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3)聲學(xué)性

與感應(yīng)電機(jī)相比，高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)的聲學(xué)性能可能較弱。該類(lèi)電機(jī)技術(shù)限制了其極對(duì)數(shù)，與感應(yīng)電機(jī)相似，極對(duì)數(shù)可能只有6 ～8 對(duì)，但其定子線圈處的場(chǎng)強(qiáng)更大;時(shí)間諧波噪聲、磁導(dǎo)感應(yīng)噪聲及其他噪聲預(yù)計(jì)比別的電機(jī)要大。

2.4 超導(dǎo)直流單極電機(jī)

1)特點(diǎn)

超導(dǎo)直流單極電機(jī)的工作電壓一般不超過(guò)600 V，但需要產(chǎn)生極大的電流;為解決這一問(wèn)題，需增加轉(zhuǎn)子回路數(shù)，這樣就導(dǎo)致了嵌套式的鼓狀轉(zhuǎn)子(見(jiàn)圖7)在機(jī)械布局上極為復(fù)雜，并需要大量的電刷;文獻(xiàn)［5］中3.7 MW 單極電機(jī)的電刷多達(dá)1 600 個(gè)。單極電機(jī)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是感應(yīng)轉(zhuǎn)矩起源于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而非脆弱的易受損傷的超導(dǎo)線圈。

該項(xiàng)技術(shù)的主要劣勢(shì)是缺乏實(shí)用性、可靠性，魯棒性低;此外，同高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)類(lèi)似，出于超導(dǎo)線圈冷卻的要求，還需要冷卻劑及相應(yīng)的輸送系統(tǒng)。由于超導(dǎo)直流單極電機(jī)的超導(dǎo)線圈靜止不動(dòng)，故不需要將冷卻氣體輸送至轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)冷卻氣密封。此外，因單極電機(jī)轉(zhuǎn)子始終工作在室溫環(huán)境下，所以扭矩傳遞管無(wú)需像高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)中那樣工作在較大溫差下。

另外，出于大電流的原因，需要使用大量的導(dǎo)線，甚至需要內(nèi)部冷卻以散去銅損造成的熱量;文獻(xiàn)［5］中，19 MW 的超導(dǎo)直流單極電機(jī)預(yù)計(jì)需要5 t 的導(dǎo)線。

對(duì)于吊艙式推進(jìn)電機(jī)而言，大量的冷卻輸送管及導(dǎo)線意味著加重了重量;而對(duì)于輪輞式系統(tǒng)，復(fù)雜的管路不切實(shí)際。

超導(dǎo)直流單極電機(jī)正處于發(fā)展階段，目前還沒(méi)有可靠性證明記錄。

圖7 超導(dǎo)直流單極電機(jī)Fig.7 Superconducting homopolar DC motor cut-away drawing

2)電力變換器

用于超導(dǎo)直流單極電機(jī)的電力變換器為buck 降壓電路，0 ～600 V 的直流電壓由buck 變換器降壓得到，降壓的同時(shí)，提升了電機(jī)所需的大電流。

3)聲學(xué)性

理論上，超導(dǎo)直流單極電機(jī)沒(méi)有在時(shí)間上變化的電磁場(chǎng)或變化的電流，因此在噪聲方面相比其他幾種電機(jī)，此類(lèi)電機(jī)的性能可能最優(yōu)。理論上所有的磁場(chǎng)及電流均為處于穩(wěn)態(tài)，但到目前為止，此類(lèi)大型電機(jī)尚無(wú)可靠的聲學(xué)數(shù)據(jù)可供參考。

下面有幾點(diǎn)關(guān)于該電機(jī)聲學(xué)的考慮。

①由于轉(zhuǎn)矩與電樞電流成比例，而電流由電力變換器產(chǎn)生;當(dāng)buck 電路的輸出電流出現(xiàn)任何波動(dòng)，都會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

②與交流電機(jī)不同，超導(dǎo)直流單極電機(jī)中大多數(shù)磁路均包含非磁材料，因此交流電機(jī)中關(guān)于磁導(dǎo)波動(dòng)的影響在這里并不適用。

③由于磁密實(shí)際上是磁導(dǎo)和磁動(dòng)勢(shì)相互作用的結(jié)果，磁動(dòng)勢(shì)對(duì)聲學(xué)性能的影響與磁導(dǎo)波動(dòng)對(duì)其影響就很相似;若兩者之中任一一個(gè)出現(xiàn)脈動(dòng)頻率，則磁密及磁力會(huì)遏制頻率脈動(dòng)及隨時(shí)間變動(dòng)的磁力，此時(shí)電機(jī)噪聲即會(huì)產(chǎn)生;如果電刷處的電流匯聚造成轉(zhuǎn)子表面的電流強(qiáng)度不均衡，或是轉(zhuǎn)子導(dǎo)電性不一致，都將會(huì)引起噪聲。

圖1 中所示系統(tǒng)皆可采用上述4 種電機(jī)，但集成電機(jī)推進(jìn)器存有一些局限性，若采用高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)，系統(tǒng)須考慮低溫冷卻劑送至超導(dǎo)電磁線圈 (位于旋轉(zhuǎn)的輪緣表面)的導(dǎo)管設(shè)計(jì)，以確保螺旋線圈溫度在約30K 時(shí)的超導(dǎo)特性，同樣，超導(dǎo)直流單極電機(jī)因有嵌入到傳導(dǎo)導(dǎo)管的超導(dǎo)電磁線圈，也不太容易集成到無(wú)軸推進(jìn)器系統(tǒng)中。

圖8 (a)所示的推進(jìn)系統(tǒng)在近期建造的游艇中被廣泛采用，電機(jī)被封裝在一個(gè)密閉防水的吊艙內(nèi)，上述4 種電機(jī)皆可應(yīng)用;圖8 (b)和圖8 (c)所示的無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)美軍已在潛艇和大排量UUV 上進(jìn)行了多次試驗(yàn)，一般用永磁交流同步電機(jī)和永磁無(wú)刷直流電機(jī)作驅(qū)動(dòng)電機(jī);采用高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)，必須要用導(dǎo)管將超低溫冷卻劑輸送至超導(dǎo)電磁線圈(位于旋轉(zhuǎn)的輪緣表面)，旋轉(zhuǎn)線圈溫度須要保持在30K 左右，以維持其超導(dǎo)特性;冷卻劑的輸送路徑為:推進(jìn)器尾部的定子葉輪—中心轂—旋轉(zhuǎn)的低溫密封墊—旋轉(zhuǎn)葉片—旋轉(zhuǎn)電磁線圈，鑒于冷卻劑輸送路徑如此復(fù)雜，故高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)并不適合集成電機(jī)推進(jìn)器。

圖8 應(yīng)用到游艇、潛艇及大排量UUV 等水面/水下航行器上無(wú)軸推進(jìn)系統(tǒng)Fig.8 Shaftless propulsor system mounted on cruise ship，submarine，LDUUV/USV

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)前面對(duì)4 種電機(jī)的綜合分析研究可知:

1)與高溫超導(dǎo)交流同步電機(jī)相比，得益于多電極數(shù)及較小的徑向尺寸，永磁同步交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度大，其質(zhì)量相對(duì)較?。?0］。

2)具有最多的極對(duì)數(shù)，利于聲學(xué)性能。

3)技術(shù)成熟，已有的成功案例中其功率可達(dá)數(shù)百千瓦。

4)技術(shù)可靠、魯棒性好，商業(yè)應(yīng)用廣泛，尤其在輕型永磁電機(jī)等場(chǎng)合。

目前來(lái)看，永磁同步交流電機(jī)是無(wú)軸推進(jìn)技術(shù)的最佳選擇。

基于超導(dǎo)技術(shù)的2 種電機(jī)具有大轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度及小體積的可能，相比交流電機(jī)，超導(dǎo)直流單極電機(jī)能夠表現(xiàn)出很好的噪聲性能;然而對(duì)于艦艇推進(jìn)等應(yīng)用場(chǎng)合，超導(dǎo)電機(jī)仍有一系列問(wèn)題亟待解決。

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