對轉集成電機推進器研究

張曉飛，葉家瑋，曾曉鵬

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州510640)

0 引言

推進裝置是水面和水下航行器的主要組成部分，它將其他形式的能源轉換為機械能以推動航行器運動。從遠古時代的舟楫、風帆到現代的螺旋槳、明輪、直葉推進器、噴水推進器等，各種推進裝置適應了不同航行器的需要。推進器的種類雖然很多，但絕大多數水面和水下航行器都采用螺旋槳作為推進器［1］。傳統螺旋槳作為應用最廣泛的推進器，有著設計方法成熟、推進效率高、工作可靠、運行成本低等優點，但也存在著傳動系統結構復雜、質量和體積大等缺點。電力推進系統由于其高效率、高可靠性、高自動化以及低維護等優點，正成為新造船舶所青睞的主推進系統［2］，將成為新世紀船舶動力發展的新方向［3］。傳統的電力推進裝置與傳統的主機直接帶動螺旋槳一樣，經由主軸傳遞功率，由于電機與螺旋槳分離，不得不面臨軸系的密封等問題，而主軸一旦出現故障，則喪失推進功能。一種新型推進裝置應運而生，即集成電機推進器，這種推進器把電機和螺旋槳集成到一起，從而減小了體積，降低了噪聲，效率和可靠性都有提升。可以作為魚雷、水下機器人的推進裝置，也可以作為潛艇應急推進裝置［4］。

1 集成電機推進器結構設計

集成電機推進器一般分為導管、電動機、螺旋槳等幾部分，如圖1所示。一般將電動機的轉子與螺旋槳設計成一體，將電動機的定子與導管設計成一體，在電磁力作用下電動機轉子直接帶動螺旋槳旋轉。

圖1 集成電機推進器結構圖Fig.1 Exploded view of the integrated integrated motor propulsor

1.1 對轉槳設計

對轉螺旋槳(Contra-Rotating Propeller，CRP)是20世紀石油危機以后隨著船舶節能措施的發展而出現的。這種槳采用前后2個同軸、旋轉方向相反的螺旋槳實現推進。與傳統單螺旋槳推進系統相比，對轉螺旋槳的后槳吸收了前槳未被有效利用的渦動能量，轉化為有效的推力，從而使其節能效果達到了10% ～20%［5］。此外，在相同推力要求下，降低了單個槳所承受的負荷，因而也提高了螺旋槳的效率。由于對轉螺旋槳必須采用雙尾管軸承，使用傳統軸承又產生了液體動力產生的壓力不足問題，從而阻礙了對轉螺旋槳的廣泛應用［6］。此外，對轉螺旋槳還有軸系結構復雜，密封內外軸困難、維護困難等缺點。而在集成電機推進器的設計中，由于不考慮軸系傳動，從而避免了復雜的結構設計，可以方便地采用對轉螺旋槳。水下機器人或魚雷采用對轉槳后，不僅可以提高推進效率，而且由于前后槳扭矩方向相反，相互抵消，減小了扭矩，使得水下航行器不容易發生橫滾，提高了穩定性。對轉槳前后槳轉速可以不同，前后槳葉片數也可以設計成不同數目以進一步提高推進效率。具體的研究可見參考文獻 ［7］。

1.2 整體結構設計

集成電機推進器主要包括導管、電動機、螺旋槳和附屬部件。其中導管中安裝電動機的定子，電動機的轉子固定在螺旋槳的圓周，由轉子帶動螺旋槳共同旋轉從而使航行器運動，此時位于螺旋槳軸心的主軸不再承擔傳遞主機到螺旋槳的推力，因此可以省去主軸。但如果省去主軸后，水作用與螺旋槳產生的反向推力就要通過電動機轉子傳遞給航行器，這樣就增加了導管內的設計與加工難度，故宜采用有槳軸型設計。此時螺旋槳主軸可以不旋轉，僅僅起到固定螺旋槳和轉子位置并傳遞推力的作用。

要帶動螺旋槳對轉有幾種方式:一種是采用1個單向電動機，通過機械傳動裝置實現前后螺旋槳的反向旋轉;第二種是采用雙轉子電機，這里又可以細分2種，一種是電動機的定子和轉子相對于固定部分都可以旋轉，分別帶動前后槳異向旋轉，另一種是電動機有定子和內外2個轉子，如圖2所示;第三種是使用2個電動機，分別帶動前后槳實現旋轉。對第一種方案而言，設計比較復雜，顯然不適合于集成電機推進器。第二種方案中，前一種由于電動機定子和轉子分別帶動前后槳旋轉，可以自動適應螺旋槳的推力要求，達到最佳的推進效率，是比較適宜的方案。但是，由于雙轉子電動機的定子和轉子都需要旋轉，而電動機繞組的出線必須通過滑環引出來，對于工作在空氣中的電機問題不大，但集成電機推進器工作于水中，這就帶來需要密封滑環以防止短路的新問題，從而影響其實用性，顯然也不是合理的設計而后一種電動機雖然不再需要滑環，但是結構復雜，也不適宜在集成電機推進器中應用。最后一種方案雖然增加了1個電動機，但是也提高了螺旋槳的推進功率，結構也不復雜，2個電動機獨立運行，當有1個損壞時航行器也可以正常工作，提高了系統的可靠性。

圖2 兩種形式的雙轉子電機Fig.2 Two forms of dual-rotor motor

2 電機設計

集成電機推進器可以采用多種形式的電機［8-9］，而直流永磁無刷電機由于具有良好的啟動性能和調節性能以及功率密度大，結構簡單等特點，比較適宜運用在集成電機推進器上。由于集成電機推進器工作于水下，要求電機的定子軛、轉子軛和定子齒的厚度盡量小，為滿足需要，可以采用高剩余磁感應強度的釹鐵硼永磁體、增加電樞鐵心長度或增加磁極對數等措施。永磁體采用表面貼裝式結構。集成電機推進器工作在水下，受水流的影響轉矩會有較大的波動，不適合無傳感器電機，所以應采用帶傳感器的電機［10］。

設計的電機主要數據如表1所示，電機運行參數如表2所示。

表1 電機主要參數Tab.1 Main parameters of the motor

表2 電機主要性能Tab.2 Main performance of the motor

電機設計中，由于電機工作環境處于水下，散熱條件良好，電樞線負荷可以取較大值。但是應該注意絕緣，電樞鐵心和磁鋼都應該涂有絕緣涂層，轉子永磁體外面用不導磁的不銹鋼包裹，以防止離心力將永磁體甩出，而且有利于保護永磁體。無刷直流電機的控制是比較成熟的，具體可見參考文獻［11］。

3 電機仿真分析

Ansoft Maxwell是世界著名的低頻電磁場有限元軟件，在各個工程電磁領域都得到了廣泛應用，它不僅可以對單個電磁機構進行數值計算，還可對整個系統進行聯合仿真［12］。Ansoft Maxwell 12自帶了RMxprt旋轉電機分析專家模塊，可以分析多種電機類型的性能，給電機設計帶來了極大的方便。

利用Ansoft可以繪制二維或三維電機模型，而用RMxprt模塊只需輸入電機主要尺寸、材料和主要性能等就可以方便地建立電機模型。計算結果與上一節設計電機結果相比，轉速達不到要求，上節設計的電機電樞電流較大，造成銅耗較大，使得電機效率較低。為優化設計，將每槽導體數減少1即變成9，并將導線更換為0.85 mm的導線，此時功率和轉矩沒有下降，效率反而上升。計算的電機主要性能如表3所示。

表3 Ansoft仿真計算的電機主要數據Tab.3 Main data of the simulation of the motor with Ansoft

4 結語

本文對集成電機推進器的結構進行分析，比較不同結構的特點，進行優化設計，設計出符合要求的推進器。并利用Ansoft軟件對電機進行仿真分析，驗證了設計電機的合理性。實際應用中，應結合螺旋槳的負載特性進行電機優化設計，以利于進一步提高推進器的效率，提高二者的匹配性。

［1］盛振邦，劉應中.船舶原理(下冊)［M］.上海:上海交通大學出版社，2004.3-7.

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［12］趙博，張洪亮.Ansoft 12在工程電磁場中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.