魚雷磁耦合傳動金屬隔離罩分析與優化設計

王小雷, 樊曉波

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魚雷磁耦合傳動金屬隔離罩分析與優化設計

王小雷, 樊曉波

(中國船舶重工集團公司 第 705 研究所昆明分部, 云南 昆明, 650118)

磁耦合傳動技術可解決魚雷大深度攻擊所面臨的尾軸密封問題, 但其金屬隔離罩的優化設計與損耗分析是該技術難點之一。基于一型磁耦合傳動機構的工作特性, 開展了金屬隔離罩的優化設計及參數計算工作, 建立了2D和3D有限元損耗模型, 開展了感應電流、渦流損耗分析, 建立了3D有限元耐壓強度模型, 并進行了耐壓強度分析。仿真結果表明, 金屬隔離罩設計合理, 渦流損耗小, 能滿足耐壓強度要求。

魚雷; 金屬隔離罩; 渦流損耗; 耐壓強度; 有限元分析

0 引言

為了實現對深潛狀態(近1 km)敵方潛艇的有效攻擊, 未來電動力魚雷和遠程巡航雷的工作深度將不斷增加, 因此對在大深度、跨深度等多工況下電動力推進系統的尾軸密封裝置提出了更高的要求[1]。磁耦合傳動機構利用永磁材料的力學性質將磁體作為能量傳動的動力源, 利用磁力耦合作用實現力或轉矩(功率)的無接觸傳遞?；隰~雷推進系統工作特點, 其具有以下優勢: 1) 具有過載保護功能; 2) 實現非接觸無摩擦傳動; 3)不存在直接接觸, 可保證絕對密封。因此磁耦合傳動在水下密封傳動方面, 特別是水下大深度運載方面有著十分廣闊的應用前景。

磁耦合傳動因可實現非接觸動力傳遞而備受關注。1999年, 美國Magna Drive公司在該技術上獲得了突破性的進展, 2004年其產品通過了美國海軍最嚴格的9-G抗震試驗[2]。在國內, “蛟龍”號載人潛水器的動力系統使用了磁耦合傳動技術, 實現了水下7 km推進電機主軸與推進器之間的絕對密封傳動, 但其磁耦合推進裝置的傳動功率較小, 轉速較低, 無法滿足高速魚雷大功率動力傳動的需求。目前, 磁耦合傳動技術還存在著許多需攻克解決的問題, 主要表現在結構的優化設計, 進一步大型化, 隔離罩渦流損耗計算及抑制方法, 結構材料和構件的開發選擇等[3]。

本文基于一型磁耦合傳動裝置的基本參數, 針對金屬隔離罩工作特性開展感應電流、渦流損耗, 耐壓強度等特性研究與分析, 完成金屬隔離罩的優化設計。

1 磁耦合傳動隔離罩損耗原理

磁耦合傳動機構的隔離套可采用非金屬材料和金屬材料。采用非金屬材料時, 隔離套上不會感應出渦流, 但可承受的外壓較小, 同時可加工性較差。采用金屬材料時, 其可承受較大的外壓, 但金屬隔離罩處于交變磁場中, 據楞次定律: 變化的磁場將產生電場, 金屬隔離罩在垂直磁力線方向的截面上會感應出渦流[4]。渦流會減弱工作氣隙的磁場強度, 降低傳遞轉矩, 同時在金屬隔離罩中產生渦流損失, 降低了傳動效率[5]。

依據Maxwell方程, 則有

式中:為隔離罩厚度;為隔離罩中心半徑。將式(1)代入式(2), 有

則有

感應電流密度

為了滿足魚雷武器大深度攻擊的戰術要求, 磁耦合傳動隔離罩一般采用金屬材料。由式(7)可以看出, 在滿足工作強度的情況下, 減小金屬隔離套的厚度以及減小材料電導率, 可減小損耗, 適當增加氣隙, 也可減小損耗, 但必須結合轉矩要求。同時傳動轉速越大, 渦流損耗越大[6]。

2 隔離罩損耗模型及分析

2.1 磁耦合傳動機構基本參數

現有一型磁耦合傳動機構, 基本結構如圖2(a)所示。結構為內嵌式切向充磁, 極對數為9, 主從動磁鋼為釹鐵硼稀土永磁, 磁極為電工純鐵, 主從動轉子支撐為鋁合金材料。

該機構磁路如圖2(b)所示, 磁路走向為: 主動轉子磁鋼N極→電工純鐵→氣隙→隔離罩→氣隙→電工純鐵→從動轉子磁鋼S極→從動轉子磁鋼N極→電工純鐵→氣隙→隔離罩→氣隙→電工純鐵→主動轉子磁鋼S極, 依次形成磁場回路。

2.2 金屬隔離罩損耗2D和3D有限元分析

若不考慮金屬隔離罩對磁場的作用, 即假定隔離罩物理屬性與空氣相同, 通過2D有限元靜磁場分析可以得出磁耦合傳動機構的氣隙磁密分布如圖3所示。從圖中可以看出, 氣隙磁密波形在主從動轉子相位差0°時, 峰值為0.82 T; 相位差為90°時, 氣隙磁密達到最大值0.92 T。磁耦合傳動機構在200 r/min時的傳動轉矩特性如圖4所示。傳動轉矩波形均近似為正弦曲線, 臨界轉矩為74.3 N·m。

圖2 磁耦合傳動結構及磁場回路

圖3 氣隙磁密波形

圖4 轉矩波形

現對金屬隔離罩進行優化設計及損耗分析。鑒于鈦合金材料具有機械強度高、磁導率低、電阻率大等特點, 金屬隔離罩采用鈦合金材料。建立磁耦合傳動機構2D有限元模型, 如圖5所示,依據鈦合金材料的屬性對2D有限元模型中的隔離罩進行物理屬性定義。

圖5 金屬隔離罩損耗2D有限元模型

圖6 2D感應電流密度及損耗密度云圖

圖7為在200 r/min時隔離罩不同壁厚時的損耗?？梢钥闯? 當主從轉子相位差相同時, 隔離罩損耗隨壁厚增大成線性增加; 當隔離罩壁厚相同時, 主從轉子相位差越小, 隔離罩損耗越大。

圖7 2D隔離罩不同壁厚損耗

圖8為不同轉速和相位差時壁厚為2 mm的隔離罩2D模型損耗?？梢钥闯? 當相位差相同時, 損耗隨轉速成平方增長, 這是因為損耗與旋轉磁場頻率為平方關系; 在轉速相同時, 損耗與相位差大小有關, 相位差越小, 損耗越大。

圖8 2D隔離罩不同轉速損耗

基于有限元建立磁耦合傳動機構的3D有限元1/36模型, 如圖9所示。其中圓周方向取半個電氣周期, 設置半周期邊界條件, 即圓周方向為1/18模型, 軸向取幾何中心面, 設置對稱邊界條件, 即軸向為1/2模型。

圖9 3D有限元1/36損耗模型

圖10 3D矢量感應電流密度及損耗密度云圖

圖11為3D全模型損耗密度云圖。圖12為不同轉速、不同相位差時的3D模型損耗。由該圖可以看出, 損耗值與轉速成平方關系, 且隨相位差增大而減小, 與2D計算結果的趨勢相符。

圖13為在轉速200 r/min時的2D和3D損耗曲線。可以看出, 2D和3D計算出的損耗曲線趨勢一致, 損耗值基本吻合。

考慮到隔離罩渦流對傳遞轉矩的削弱影響, 經分析得出不同轉速時的實際臨界轉矩, 如圖14所示?？梢钥闯? 實際臨界轉矩隨著轉速增加而減小, 在1000 r/min范圍內, 實際臨界轉矩削弱幅值2D有限元計算為0.89 N×m, 3D有限元計算為0.73 N×m, 轉矩削弱較小。

圖11 3D全模型損耗密度

圖12 3D有限元不同轉速、相位差時的損耗

圖13 2D, 3D有限元不同相位差的損耗

圖14 2D, 3D有限元不同轉速的臨界轉矩

圖15為不同轉速時傳動效率損失曲線, 可看出效率損失和工作轉速、相位差有關。效率損失隨轉速升高而增加, 隨相位差增大而減小。一般情況下, 磁耦合傳動機構相位差在60°~90°范圍內, 因此可得出, 由于隔離罩損耗導致的效率損失在0.12%~2.02%之間, 效率損失較小。

圖15 2D, 3D有限元不同轉速的效率損失

3 耐壓強度3D有限元分析

依據上文分析得出的隔離罩材料及優化尺寸, 基于Ansys有限元軟件進行耐壓強度分析, 基本參數如圖16所示。

圖16 金屬隔離罩基本參數

4 結論

本文針對一型磁耦合傳動機構的技術指標,完成了金屬隔離罩的分析及優化設計。分析結果表明, 隔離罩的渦流損耗與金屬材料特性有關, 與工作轉速、相位差及氣隙磁場有關, 隔離罩渦流效應會對臨界轉矩產生影響, 在較大工作深度時, 金屬隔離罩的變形主要發生在端部中間。本研究可為魚雷大深度和跨深度等多工況航行的推進系統動力傳動方面提供有價值的技術支持。

圖17 應力及形變云圖

[1] 張仁茹, 左艷軍, 高天孚, 等. 國外潛艇作戰系統發展綜述[J]. 艦船科學技術, 2011, 6(33): 11-15. Zhang Ren-ru, Zuo Yan-jun, Gao Tian-fu, et al. Develop- ment of Oversea Submarine Combat System[J]. Ship Science and Technology, 2011, 6(33): 11-15.

[2] 趙克中. 磁耦合傳動裝置的理論與設計[M]. 北京: 化學工業出版社, 2009.

[3] 簡柏敦. 導電與導磁物質中的電磁場[M]. 北京: 人民教育出版社, 1983.

[4] 湯蘊璆, 梁艷萍. 電機電磁場的分析與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.

[5] Charless J M. Magnetic Coupling Protects Machinery[J]. Design New, 1999, 7: 26-28.

[6] Smith A C, Williamson S, Benhama A, et al. Magnetic Drive Couplings[J]. IEEE-EMD Conference, 1998, 153(2): 289- 294.

(責任編輯: 陳 曦)

Analysis and Optimization Design of Metal-Split Casing for Torpedo Magnetic Coupling Drive

WANG Xiao-lei, FAN Xiao-bo

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China)

The technology of magnetic coupling drive can be applied to the stern shaft seal of the torpedo for attacking at large depth. However, the optimization design and the power loss analysis of the metal-split casing in this technology are difficult. In this paper, the optimization design and parameters calculation are performed according to the operation characteristics of a magnetic coupling drive device. Two-dimensional(2D) and three-dimensional(3D) finite element models of power loss are established to analyze the induced current and eddy current loss. 3D finite element models of compressive strength are also established to analyze the compressive strength of the metal-split casing. Simulation results show that thus designed metal-split casing meets the strength requirement with lower eddy current loss．

torpedo; metal-split casing; eddy current loss; compressive strength; finite element analysis

TJ631.2;TM351

A

1673-1948(2014)05-0347-06

2014-06-11.

王小雷(1986-), 男, 碩士, 工程師, 研究方向為魚雷電動力推進技術.