新型集成电机推进器设计研究

通过设计实例对集成电机推进器在结构特点尧电机设计尧水动力学仿真与模型水池试验等方面进行说明袁论证集
成推进器高效率尧高功率密度的特点袁适合于作为潜艇应急推进装置遥
关键词院 集成曰 电机曰 推进器曰 潜艇
中图分类号院哉远远源援猿
文献标志码院粤
文章编号院员远苑猿 原 猿员愿缘 渊 圆园11 冤 园1 原 82 原 园4
圆 新型集成电机推进器结构设计
新型集成电机推进器是一种高功率密度尧高 效率的新型推进器遥 它是在参照目前民用船舶上 已广泛使用的吊舱推进器袁 同时参考导管桨结构 特点袁结合现代永磁电机技术袁将导管尧电机尧螺旋
收稿日期院 圆园10 - 03 - 17 基金项目院 国家高技术研究发展计划渊愿远猿 计划冤基金项目渊圆园园远粤粤园怨圆圆员员冤 作者简介院 汪 勇渊员怨76 原 冤 袁男袁工程师袁硕士遥 研究方向院机电一体化设计遥 耘鄄皂葬蚤造院憎憎早苑远岳 员圆远援 糟燥皂
猿援圆 电机定、转子设计
新型集成电机推进器设计中应尽量增大流通 面积袁减小流体阻力袁提高整个装置的效率遥 这就 要求导管在容纳电机定尧 转子的情况下总体厚度 尽量小曰同时袁由于集成电机推进器通常情况下是 浸没于水中工作袁 电机外表面和电机定转子气隙 间水是可以自由流通的袁 因此该类型电机散热条 件相比普通电机要好很多袁 在进行电机设计时应 充分考虑到这些特点遥 在电机设计条件允许的情 况下袁电机定子轭厚度尧转子轭厚度尧磁钢厚度和 定子齿高度要尽量小袁以减小导管厚度袁增大有效 流通面积提高系统效率袁同时袁适当增大电机电流 密度尧线负荷尧热负荷袁以提高系统功率密度遥 与普 通电机相比袁新型集成电机推进器电机极数多尧频 率高尧外形薄袁定子外径到转子内径之间的总厚度 小遥 为了获得最大的转矩输出袁电机定子采用了集 中整距绕组型式遥 集中整距绕组相比其他几种绕 线方式袁它的基波分布系数最大袁基波转矩没有损 失遥 但集中整距绕组相比其他的绕组袁转矩波动较 大袁可以采用多相绕组尧定子斜槽等方式降低转矩 波动遥 电机转子由永磁体尧导磁转子轭和螺旋桨组 成遥 永磁体是产生励磁磁场的核心袁一般采用稀土 永磁材料袁如钕铁硼或钐钴遥 在螺旋桨桨叶叶稍处 安装有凹型端环袁 永磁体和转子扼安装与端环的 凹槽内袁考虑到对转子动平衡的精度要求较高袁用 整体环较好遥 但目前用稀土永磁材料做成的整体 环充磁难度大袁 考虑采用由多块永磁材料均布在 转子上组成的表贴式拼装结构遥
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中国舰船研究
第6卷
阅圆 蕴 越 6.1 伊 103 伊 孕蚤忆
琢蚤 月啄 A
n
式中袁阅 为定子内径曰蕴 为铁芯长度曰琢蚤 为极弧系
数曰月啄 为气隙磁密曰粤 为线负荷曰孕蚤忆为计算视在功
率曰灶 为电机额定转速遥 电机处于长期运行状态
时袁取计算视在功率为院
孕蚤忆 越
孕晕渊1 + 2浊忆冤 3浊忆
式中袁孕晕 为电机额定功率曰浊忆是预估效率遥 在新型 应急推进装置中袁 电机尺寸的选取要结合上述公 式和螺旋桨盘面直径袁 而螺旋桨一般径向尺寸较 大袁而轴向尺寸小袁因此各个参数在取值中袁应根 据螺旋桨尺寸以及上面的公式进行调整袁 以达到 最佳值遥
汪 勇员 李 庆圆
员 武汉船用电力推进装置研究所袁 湖北 武汉 源猿园园远源 圆 中国中铁电气化局集团第二工程有限公司袁湖北 武汉 源猿园园远源
摘 要院 为了实现单轴推进潜艇袁在主推进轴系故障失效状态下的应急推进袁在参照吊舱推进器的基础上并结
合导管桨结构形式袁通过将传统电机尧螺旋桨推进型式在轴向空间进一步集成袁设计出新型集成电机推进器袁并
圆援员 有桨轴型集成电机推进器结构设计
到提高袁 但支撑螺旋桨轴系及其相关附件仍然占 据导管内部分流通面积袁增大了流阻袁降低了系统 效率遥 为了改进这些缺陷袁 进一步提供系统集成 度袁出现了无桨轴型集成电机推进器袁见图 圆遥 相 对于有桨轴型集成电机推进器袁 无桨轴型集成电 机推进器最大的特点就是取消了支撑螺旋桨的轴 系袁但其结构原理与有桨轴型相比没有任何变化袁 仍是将导管尧电机与螺旋桨集成为一体袁只是将支 撑螺旋桨的结构放置到导管内袁 使整个装置集成 度得到进一步提高袁导管内流通面积更大袁流阻更 小袁功率密度和效率也比有桨轴型更高遥 但这种结 构也相应增加了导管内结构的复杂程度袁 此时导 管内不但有电机定子铁芯尧绕组和位置传感器袁还 有支撑螺旋桨以及承受螺旋桨工作时产生推力的 轴承结构袁增加了设计难度遥
由于电机在水下工作袁 电机导线和绕组部分 需要良好的绝缘袁 同时转子励磁用的永磁体在水 下也极容易被腐蚀袁所以在电机定尧转子设计中还
要考虑其水密封问题袁对电机定子绕组尧转子永磁 体水密可以灌入环氧材料密封绝缘处理遥
猿援猿 仿真分析
结合上面对新型集成电机推进器中电机设计 的分析袁对某 圆园 噪宰 有桨轴型集成电机推进器电 机进行设计遥 该电机主要参数如下院额定输出功率 圆园 噪宰曰 额定转速 远园园 则 辕 皂蚤灶曰 额定输入电压 阅悦 圆圆园 灾曰电机效率不小于 怨园豫曰相配的螺旋桨直径 园援缘苑愿 皂遥 根据以上数据袁采用磁路等效的设计方 法袁设计电机相关参数如下院远 相曰员愿园 槽曰极对数 员缘 对曰定子内径 园援远员员 皂曰定子外径 园援远缘猿 皂曰铁芯 长度 园援园怨圆 皂曰 定子轭厚度 园援园员缘 皂曰 转子轭厚度 园援园员 皂曰磁钢厚度 园援园园缘 皂曰气隙长度 园援园园圆 缘 皂曰 总体厚度 园援园源圆 缘 皂遥 以上设计数据充分体现了集 成电机推进器电机定子轭厚度尧转子轭厚度尧磁钢 厚度小袁极数多袁频率高袁外形薄袁总厚度小的特点遥
猿援员 电机类型、主尺寸确定
转子为磁极的永磁电机有两种不同的型式袁 即永磁同步电机和永磁无刷直流电机遥 分析两种 不同类型永磁电机控制策略和对位置传感器类型 及安装的要求袁 综合新型集成电机推进器结构特 点袁 采用带位置传感器的永磁无刷直流电机比较 适合遥 永磁无刷直流电机定子内径和铁芯长度由 下式确定院
员引言
随着动力装置单机功率的增加袁 现代潜艇为 了减小航行阻力袁 提高隐身性能已经趋向于由原 来的双轴推进改为单轴推进遥 目前袁现役先进潜艇 基本都采用单轴推进袁 这就对主动力装置和推进 轴系的可靠性提出了更高的要求遥 鉴于潜艇以水 下航行作战为主的特殊情况袁 一般都另设有应急 动力装置袁以供主动力装置在战损尧故障等失效状 态下提供应急动力袁 从而提高了整个推进系统的 可靠性遥 但是对于单轴推进系统袁存在一个致命的 缺陷就是当推进轴系出现故障袁 比如推进轴系上 的螺旋桨被渔网等障碍物缠绕无法旋转袁 此时即
图 2 无桨轴型集成电机推进器 Fig.2 The integrated motor propulsor without shaft
猿 潜艇新型集成电机推进器的设计
图 1 有桨轴型集成电机推进器 Fig.1 The integrated motor propulsor with shaft
可见有桨轴型集成电机推进器一个显著特点 就是将导管尧电机与螺旋桨在轴向上集成为一体袁 从而使整个推进装置体积减小袁 系统功率密度和 效率得到提高遥
Design of a New Integrated Motor Propulsion System
宰 葬灶早 再 燥灶早1 蕴蚤 匝蚤灶早2 员 宰怎澡葬灶 酝葬则蚤灶藻 耘造藻糟贼则蚤糟 孕则燥责怎造泽蚤燥灶 砸藻泽藻葬则糟澡 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻袁 宰怎澡葬灶 源猿园园远源袁 悦澡蚤灶葬 圆 栽澡藻 杂藻糟燥灶凿葬则赠 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 蕴贼凿援 怎灶凿藻则 悦澡蚤灶葬 砸葬蚤造憎葬赠 耘造藻糟贼则蚤枣蚤糟葬贼蚤燥灶 月怎则藻葬怎 郧则燥怎责袁 宰怎澡葬灶 源猿园园远源袁 悦澡蚤灶葬
第6卷 第1期 圆园11 年 2 月
中国舰船研究 Ch中inese国Journ舰al of船Ship研Rese究arch
doi院 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 3185 . 2011 . 01 . 016
新型集成电机推进器设计研究
灾燥造.6 No.1 Feb第. 圆6园卷11
第1期
汪 勇等院新型集成电机推进器设计研究
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桨进一步集成袁减小轴向空间袁设计出一种新型集 导管尧电机和螺旋桨为一体的推进装置遥 它既可以 做到可收放尧猿远园毅回转与主推进轴系无关联袁又克 服了传统吊舱体积庞大的缺点袁 非常适于用作潜 艇应急推进装置遥 新型集成电机推进器在外观上 类似导管桨袁但和导管桨又有区别袁导管桨驱动螺 旋桨的动力来自与桨轴相连接位于壳体内的原动 机袁 而新型集成电机推进器将电机定子与导管集 成袁电动机转子与螺旋桨集成袁通过电机定尧转子 间的电磁作用力直接带动电机转子旋转袁 就是直 接驱动螺旋桨遥 采用这种结构型式可以显著提高 系统的效率和功率密度遥 根据有无螺旋桨桨轴情 况可将其结构型式分为两类院 有桨轴型和无桨轴 型遥
圆援圆 无桨轴型集成电机推进器结构设计
虽然有桨轴型集成电机推进器已将导管尧电 机尧螺旋桨高度集成袁整个系统功率密度和效率得
一般电机电磁设计中通常采用磁路等效的设 计方法袁 此种设计方法是建立在磁路分析的基础 上的遥 实际中袁磁路等效计算方法有时难以准确计 算磁场分布袁 这样会造成材料浪费或者设计出的 磁场分布不合理遥 因此袁现在多采用场尧路结合的 方法进行电机电磁设计袁 即先使用传统方法对电 机磁路进行设计袁 在此基础上采用电磁场有限元 仿真软件对电机电磁场进行仿真分析袁 以校核磁 路设计结果遥
使有应急动力装置也无法起到应急的作用遥 在国 外袁 如美国核潜艇除了设有与推进轴系相联结的 应急动力装置外袁 还另设有与推进轴系无关联的 应急推进装置遥 该推进装置平时收放在非耐压壳 内袁遇到主推进装置失效时袁再通过收放机构伸出 艇外驱动潜艇以较低的航速源 耀 缘 噪灶 返回基地袁被 艇员亲切的称为野返回家园驱动器冶遥
粤遭泽贼则葬糟贼院 In order to achi藻增藻 贼澡藻 藻皂藻则早藻灶糟赠 责则燥责怎造泽蚤燥灶 燥枣 泽怎遭皂葬则蚤灶藻 凿则蚤增藻灶 遭赠 燥灶藻 泽澡葬枣贼蚤灶早 泽赠泽贼藻皂 蚤灶 糟葬泽藻 燥枣 皂葬造枣怎灶糟贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 皂葬蚤灶 责则燥责怎造泽蚤燥灶 泽澡葬枣贼蚤灶早袁 遭赠 糟燥皂遭蚤灶蚤灶早 贼澡藻 凿怎糟贼 责葬凿凿造藻 泽贼则怎糟贼怎则藻 蚤灶 则藻枣藻则藻灶糟藻 贼燥 贼澡藻 责燥凿 责则燥责藻造造藻则袁 贼澡藻 贼则葬凿蚤贼蚤燥灶葬造 藻造藻糟贼则蚤糟葬造 皂燥贼燥则 葬灶凿 泽责蚤则葬造 责则燥责藻造造藻则 蚤灶 贼澡藻 葬曾蚤葬造 泽责葬糟藻 憎藻则藻 枣怎则贼澡藻则 蚤灶贼藻早则葬贼藻凿袁 葬灶凿 葬 灶藻憎 噪蚤灶凿 燥枣 蚤灶贼藻早则葬贼藻凿 皂燥贼燥则 责则燥责怎造泽蚤燥灶 憎蚤贼澡 澡蚤早澡 藻枣枣蚤糟蚤藻灶糟赠 葬灶凿 澡蚤早澡 责燥憎藻则 凿藻灶泽蚤贼赠袁 憎葬泽 凿藻泽蚤早灶藻凿援 酝燥则藻燥增藻则袁 贼澡藻 凿藻泽蚤早灶 糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽 燥枣 贼澡藻 蚤灶贼藻早则葬贼藻凿 皂燥贼燥则 责则燥责怎造泽蚤燥灶 蚤灶 贼藻则皂泽 燥枣 泽贼则怎糟鄄 贼怎则藻袁 藻造藻糟贼则蚤糟 皂燥贼燥则 葬灶凿 澡赠凿则燥凿赠灶葬皂蚤糟泽 憎藻则藻 葬灶葬造赠扎藻凿袁 贼澡怎泽 责则燥增蚤灶早 贼澡葬贼 贼澡藻 蚤灶贼藻早则葬贼藻凿 皂燥贼燥则 责则燥责怎造泽蚤燥灶 泽赠泽贼藻皂 蚤泽 葬 早燥燥凿 泽藻造藻糟贼蚤燥灶 葬泽 泽怎遭皂葬则蚤灶藻 藻皂藻则早藻灶糟赠 责则燥责怎造泽蚤燥灶 凿藻增蚤糟藻援 运藻赠 憎燥则凿泽院 i灶贼藻早则葬贼藻凿曰 e造藻糟贼则蚤糟 皂燥贼燥则曰 propulsion system曰 s怎遭皂葬则蚤灶藻
Baidu Nhomakorabea
有桨轴型集成电机推进器其结构主要由几个 部分组成渊图 员冤院导管也作为电机定子袁定子铁 芯尧绕组以及位置传感器均置于其中曰螺旋桨作为 电机转子袁在其桨叶叶稍处带有端环袁转子励磁用 的永磁体位于端环内曰 螺旋桨轴是电机转子支撑 轴曰支撑筋是螺旋桨轴与导管之间的支撑件袁支撑 螺旋桨轴袁 同时也将螺旋桨产生的推力传到导管 上曰 轴承包括螺旋桨与桨轴之间的支撑轴承以及 将螺旋桨产生的力传递到支撑筋上的推力轴承曰 锁紧螺母类似常规螺旋桨的毂帽袁 主要作用是固 定螺旋桨轴和导流遥