小型水下航行体动力系统测试技术应用研究

朱明骏



小型水下航行体动力系统测试技术应用研究

朱明骏

（海军驻昆明地区军事代表办事处，昆明 65000）

本文结合小型水下航行体动力电池组和推进电机组测试的要求，对小型水下航行体电动力系统的测试技术进行了探讨。通过对电动力系统测试的技术，进而发展至与其他各系统仿真设备间的有机融合，实现在陆上进行小型水下航行体全产品测试，进而对故障的准确诊断，保证产品试验验证的充分性和有效性。

电动力系统推进电机组动力电池组测试技术

0 引言

小型水下航行体的电动力系统包括动力电池组和推进电机(含电机控制器)(以下简称推进电机组)，是航行体的重要组成部分。推进电机组作为机电能量转换的功能组件，而动力电池组提供能源，其性能直接影响到小型水下航行体的航程和航速。由于航行体本身的体积、重量以及资源的限制，很难直接测量航行体在水下实际航行时系统的全部技术参数，只能得到部分技术参数。在航行体调试时，一般在陆上进行，动力系统不具备额定工况工作条件，参与全系统的联调是在空载或低载状态下进行，电磁兼容性等差别较大，不能反映运行的真实状态。因此，对电动力系统进行全工况测试，同时让系统参加航行体全系统联调成为必需解决的问题。

针对电动力系统的特点及测试要求，应先分别对推进电机组、动力电池组测试，而后进行推进电机组和动力电池组联合测试，最后进行电动力系统测试。在此基础上，可进一步实现在陆上进行小型水下航行体全产品测试。

1 推进电机组的测试

小型水下航行体推进电机组的测试，主要是在功率试验台上进行功率试验。推进电机功率试验台由供电系统、负载系统和测控系统组成。

1.1 推进电机的负载选择

在电机测试中，负载及测功设备一般采用电涡流测功机，也可采用风扇测功机、水力测功机、电力测功机、功率吸收盘等。

电涡流测功机是利用电涡流效应吸收被试电机输出转矩和功率，电涡流测功机的感应盘在被被试电机带动旋转时，气隙磁密随感应盘的旋转发生周期性变化，在测功机冷却室表面及一定深度内将产生涡流电势，并产生涡流。该涡流所产生的磁场与气隙磁场相互作用产生制动力矩。电涡流测功机具有低惯量、高精度、高稳定性、结构简单等特点，并且功率范围也较宽，转速较高，响应速度较快，是目前动力机械测试主要使用的测功机之一。针对新型推进电机为中小型电机且功率变化范围大的特点，一般选择电涡流测功机作为电机测试负载。

电机负载系统主要由电涡流测功机、安装底座组成。如图1。

图1 　负载系统结构示意图

1.2　推进电机测控系统配置

小型水下航行体推进电机在运行时不仅电枢与磁系统相对旋转，而且电枢与磁系统的转速与功率可以相互转换，因此在配置测试系统时采用对电涡流测功机分别控制的方式。电机测控系统包括测控微机、测控软件、传感器、测控执行部件以及电涡流测功机控制器等。系统构成框图如图2。

图2 电机测控系统构成框图

如图2，被试电机内外轴和负载的连接采用直接连接方式，而不通过其他的传动系传递以减少传动损耗。这样保证了被测电机在低功率段测试的准确性。

电机测控系统可以测量被试电机的输入电压、电流、内外轴转速、转矩，根据实测量计算内外轴各自的输出功率、电机输出功率、电机效率、内外轴失衡力矩等主要参数。

电机测控系统还具有扩展的空间以备通过网络与航行体其他系统的仿真设备和检测设备间的通讯，以期在陆上实现航行体的全产品检测和仿真。

2　动力电池组的测试

对于动力电池组的测试，除按电池有关标准测试外，还应针对航行体的使用条件和要求进行试验测试。主要包括对电池组的安全性和容量进行测试。

小型水下航行体对动力电池组的安全性要求，主要考虑电池组在滥用和极端条件下的安全性。当电池单体出现泄放，甚至燃烧时，不影响其他单体电池，这样就能保证整组动力电池组以至于航行体的安全性。此外，作为水下使用的设备，还应考虑电池组在水中浸泡等极端条件下的安全性。因此安全性试验应重点针对这些方面要求进行测试。

对动力电池组的容量测试主要采用把动力电池组接入放电负载，按技术要求进行恒流或恒功率放电。负载一般采用水电阻、电阻丝等方式，也可以采用大功率的电子负载、回馈负载等方式。

3　推进电机组和动力电池组的联合测试

由于推进电机组、动力电池组单独测试时，有一定的局限性。一是动力电池组容量测试时采用的负载与电机作为负载有差别，特别在电机启动和停止时对动力电池组电路有一定冲击作用；二是推进电机组单独测试使用发电机组或稳压电源供电，其输出特性与动力电池组有差别。同时，动力电池组与推进电机组匹配进行功率试验，可进一步验证两者设计额定工作点的匹配协调性，保证动力系统的输出功率和效率。因此，对推进电机组、动力电池组分别测试后，应按航行体动力系统的要求，将动力电池组与推进电机组匹配，在陆上功率试验台上联合进行全航程功率试验测试。随着水下航行体向长航时发展，要保证连续不间断试验，对功率试验台的可靠性也提出了更高要求。

4　电动力系统的测试

推进电机组在单独测试及与动力电池组联合测试时，采用的负载为测功机。测功机一般采用恒转速或恒转矩控制方式，模拟某个工作点的负载特性，很难模拟实际负载推进器的负载特性曲线。在电机启动、调速中，过渡过程无法进行有效的考核验证。要解决这个问题，必须带航行体推进器实际负载进行功率试验。同时，电动力系统额定工况相比空载或低载状态下，与航行体其他系统的电磁兼容性影响差别较大，这也要求电动力系统在额定工况与其他系统匹配调试试验。由于条件限制，该项测试目前在业内尚未形成较为成熟的试验测试方法。

针对小型水下航行体的特点，可采用全产品试车水箱进行测试。目前，全产品试车水箱对于低速小尺度航行体基本能满足试验要求。但随着航速增加，水箱中的水流附加阻力增大，导致动力系统增加额外输出功率，使测试出现较大差异，甚至可能损伤动力系统。为此，应考虑改进全产品试车水箱。改进后的全产品试车水箱由环形水箱、辅助电机及调速器、辅助螺旋桨、密封卡环以及支撑架组成，如图3所示。

1-产品；2-支撑架及绑带；3-密封连接法兰；4-水箱；5-辅助螺旋桨；6-辅助电机；7-辅助电机变频调速器

全产品试车水箱是一个密封的环形水箱，如图4所示。水箱上的产品安装孔直径大于φ533mm，通过密封法兰将水箱与产品密封 (密封法兰与产品的接触面、密封法兰与水箱的接触面均为橡胶密封圈)。试验时先将密封法兰安装到产品上，再把产品吊装至水箱安装孔，用螺栓把密封法兰压紧在水箱上后，用支撑架支撑住产品。此时可向水箱进水进行试验。

试验时，先起动辅助电机(件5)，然后起动推进电机组。用流速计测量水箱中的水流速度。通过实航试验时测得的数据来修正水箱中水的流速与产品在实航中的实际航速的对应关系，通过调节辅助电机(件5)是水箱中的水流速度满足产品实航时的速度。此时的电机组的功率与电池组的放电电流就基本上与实际航行时一致，可以对整个系统进行测试。

图4 　全产品试车水箱工作原理示意图

利用试车水箱可以实现让系统参与全产品的联调，对产品故障进行诊断。对于自航式水雷、诱饵这一类航行时间超长的产品来说，在陆上进行产品的全航程试验是十分必要的。利用试车水箱还可以进行产品全航程试验，这样既降低了实航试验的风险，也大大节约时间减少了成本。

4 结束语

在小型水下航行体重量、空间、资源受限的情况下，发展陆上测试技术无论对系统本身还是产品的其他系统都是十分必要的。随技术水平的提高，对电动力系统分阶段逐步开展测试，能有效的对产品进行充分验证。在此基础上，电机测控系统与航行体其他系统的仿真设备和检测设备有机融合，可实现在陆上对小型水下航行体的全产品检测和仿真。随着UUV、鱼雷、自航水雷、诱饵等小型水下航行体向远航程、长航时发展，实航试验将越来越困难，在陆上进行充分试验已成为趋势，按此方法在陆上进行试验测试可有效解决这一难题。

[1] 刘建国. 交流电力测功机及其控制系统研究.湖南大学硕士论文.

[2] 徐伯雄,窦玉琴. 电机测量.北京: 清华大学出版社

[3] 谢顺依,刘小虎. 鱼雷推进电机斩波调速装置研究．水中兵器论文集，2004（增刊）: 119-123.

[4] 戴维.林登,托马斯B.雷迪著, 汪继强等译.电池手册,原著第三版.北京: 化学工业出版社.

Electric Power System Testing Technologies of Small Underwater Vehicles

Zhu Mingjun

（Naval Representatives office in Kunming, Kunming 650000, China）

TM91

A

1003-4862（2013）12-0024-03

2013-05-09

朱明骏(1971-)，男，高级工程师。专业方向：水中兵器。