无轴推进电机技术应用研究

钟宏伟，韩 雪，刘亚兵

(中国船舶重工集团公司 第七〇五研究所，云南 昆明650118)

0 引 言

航行器的水下动力推进技术是其性能先进与否的一个重要因素，很多先进的作战理念及战术的实现离不开动力推进技术的支撑。无轴推进技术取消了传统推进传动轴，将推进电机和螺旋桨融合为一体，实现了既能充分利用电机与海水接触、散热效果好的特点，又能有效节约水下航行器内腔体使用空间，它能广泛应用于水面及水下航行器的动力推进系统。水下无轴推进技术研究已成为近20 年航行器技术研究的热点，无轴推进技术适用于远航程低航速的水下/水面航行器。美国是开展航行器水下无轴推进技术研究投入最大的国家。近年，美海军与多家公司签订属同一概念而采用不同设计方式的无轴推进项目，这种新型的无轴推进系统把航行器壳体、推进电机、无轴推进器、舵机和舵面一体化，构成整个浸没水下航行器的尾段，具有噪声低、重量轻、体积小的特点，以实现对水下航行器的安静推进，样机已在大型UUV/水面舰船上进行了成功试验，是未来无人舰艇采用先进电力推进的技术储备，并正在研制将其应用到高性能轻、重型鱼雷等水下武器装备上。

在无轴推进系统中，受结构设计的影响，所选用的电机有所不同［1］，主要有交流感应电机(IM)、永磁交流同步电机(PMACS)、高温超导交流同步电机(HTSACS)及超导直流单极电机(SDCH)4类电机可选。

1 无轴推进电机技术

航行器水下推进电机技术经历了从传统的直流电动机到无轴推进电机的发展过程:在20 世纪60 －80年代直流电机的发展取得了很大突破;到了90 年代开始大规模研发交流无刷电机;进入21 世纪，随着科学技术的不断发展，开始把重点放在开发、研究盘式电机技术、无轴推进的集成电机技术及磁耦合推进技术［2］。目前，无轴推进电机技术是各国新型水下/水面航行器动力系统的重要研究方向，它具有高效率、高比功率、低噪声、新型冷却系统、长期运行的特点。发展至今，主要形成了交流感应电机、永磁交流同步电机、高温超导交流同步电机、超导直流单极电机等4 类。

1.1 电机工作原理

1)交流感应电机

由定子及转子组成，转子固定于轴承上，与定子由气隙隔开。定子铁心由钢片叠成，铁心内圆均匀分布着许多槽，用以嵌放定子绕组，当定子绕组通入交流电后，即会产生旋转磁场，旋转磁场会在转子线圈中感应出电流［3］。感应电机转子为圆柱状，转子感应电流与气隙磁场相互作用下，电机进行正常工作。

图1 感应电机定子铁心结构Fig.1 Induction motor stator core ＆ slot-embedded conductors

2)永磁交流同步电机

同步电机之所以称作“同步”，原因是其在稳态下保持恒定的转速及恒定频率。同步电机的2 个重要部件为电极和电枢，直流电机中，转子上的直流线圈能通过电刷及换向片与外部直流电源连接;对于永磁交流同步电机而言，直线线圈连接到安装在转子上的无刷励磁系统。如图2 所示，直流励磁同步电机的电极尺寸较大［4］，采用永磁体后，电极尺寸得到明显的缩减;现有的船用推进系统中永磁交流同步电机的极对数可达50 对。为增大转矩强度及切应力(通过增大负载电流A)，可对定子线圈进行液冷。

3)高温超导交流同步电机

此类电机的基本工作原理与直流励磁同步电机类似，不同之处在于转子采用了超导线圈。为了维持线圈的超导特性，需用氦气通入转子，使其温度保持在约30K;转子外表面有一个圆柱状铜壳，通过一个密封不锈钢真空附件将其与转子进行热隔离，并随转子一起旋转，还能屏蔽由电力变换器引起的高频谐波磁场。

4)超导直流单极电机

目前有盘状和鼓状2 种直流单极电机技术。对于在舰艇上应用，鼓状电机可能是最优的选择，下面仅对鼓状电机进行说明。

图2 直流励磁同步电机转子Fig.2 Synchronous motor rotor showing DC excited field poles

图3 高温超导交流同步电机Fig.3 HTSACS motor-cut-away drawing

超导直流单极电机的工作方式与前面所述的交流电机不同［5］，如同所有的直流电机一样，超导直流单极电机需要机械电刷，在径向磁场中，电流沿转子轴向流通并产生转矩。采用超导线圈以产生极强的磁场强度，与较大的转子电流相互作用就可产生极大地转矩强度，因此，超导直流单极电机能够在较小的体积下具有较大的转矩。此外，此类电机的工作电压较低，可将电力变换器的电流转换至一个极大值;为解决低压/大电流的问题，需增加额外的电路进行升压。

1.2 基本性能参数

表1 给出了4 种推进电机的性能参数对比［6］，其中IPS 为感应电机集成动力系统。由于对永磁交流同步电机及高温超导交流同步电机的长度及直径获取的数据尚不肯定，故相应的切应力无法计算;另外，对于其它电机有数据所计算的切应力可信度也尚待推敲，原因是仅根据电机外部尺寸数值推导的，而不是根据转子直径及有效的铁心长度进行计算的，仅供参考。

图4 单极电机Fig.4 Homopolar motor principles of operation

表1 各类推进电机参数Tab.1 Various propulsion motor parameters

相对而言，转矩强度(单位重量下的转矩)计算值可能更能代表各类电机进行对比，利用额定功率及转速可对转矩进行准确的计算，根据查阅文献可获得各个电机的重量，因此对比4 类(5 种)电机时，转矩强度可作为一个重要的参量。对比可知，永磁交流同步电机及高温超导交流同步电机具有最高的转矩强度，即作为推进电机时重量最轻。

所有推进电机均需要电力变换器和控制器在可接受的谐波内精确控制电机电压及转速，对交流电机而言，电力变换器是将直流逆变为交流，并满足频率及电压的要求;对于直流电机，它直接输出直流电。电力变换器受到频率范围、相数、电压限制、最大载荷及其他因素的影响，使得所选择推进电机范围变窄。就要求推进电机所选电力变换器的鲁棒性要好，即便出现某个器件失效时，仍能可靠实现简单功能，并在满足噪声要求的同时，仍能产生精确的电流波形驱动电机转动。几种常用电力变换器包括:用于交流电机的循环变换器、整流器+逆变器组合、PWM 变换器以及用于直流电机的(buck 降压电路)电力变换器［7］。

2. 应用研究

2.1 交流感应电机

1)特点

感应电机的设计现如今已较为成熟可靠，在大功率工业场合已经应用数十年，其相关技术得到了长足发展。感应电机的主要优势之一是机械简单、鲁棒性强;尽管感应电机的声学性能不是最优，但在过去的50 年里，关于感应电机声学性能的研究从未间断，30 MW 级的感应电机已经诞生并且成功投入使用。

一些国家已经将感应电机作为其海上装备应用中的第一选择，美国海军在“集成动力系统(IPS)”工程中，证实了感应电机作为电力推进战舰动力源的可行性。感应电机的另一个特性是可适用于不同的轮辋。

感应电机的转矩强度及极对数有限，磁切应力上限为8 ～10 psi，与其他推进电机相比，感应电机体积更大重量更重;较小的极对数限制了产生高频噪声的趋势。感应电机的技术相对较为成熟，提升空间较小，此外感应电机还保持着良好的可靠性记录［8］。

图5 鼠笼式感应电机转子Fig.5 Induction motor squirrel-cage rotor

2)电力变换器要求

前面提到的几种电力变换器均可适用于感应电机，但声学性能要求具有较低的时间谐波，这样采用合适开关策略的PWM 电力变换器就成为首选。

3)声学性

感应电机对噪声源极为敏感，对于这些噪声抑制机理，已有有效应对技术，并可从公开及专利文献中获得相应的技术处理方法。文献［2］对已有的降噪技术进行了全面的综述，极对数的限制使得感应电机的声学性能不如永磁交流同步电机(极数可达100)优越。

2.2 永磁交流同步电机

1)特点

与感应电机相比，永磁交流同步电机具有较大的功率及转矩强度，此类电机可供选用的技术包括轴向磁通技术、径向磁通技术、横向磁通技术等。其中，径向磁通技术最为成熟，能够较好地应用于轮辋无轴推进系统，也可用于吊舱式推进系统;径向磁通电机已成为美海军新型DDX 水面战舰推进系统及轮辋驱动的首选。

目前来看，采用非永磁材料的电机功率达到了20 ～30 MW，正在生产中的美军DDX 水面战舰用永磁电机的功率达36 MW，另外，美海军资助设计的一种3 MW 永磁交流同步电机的转矩强度将比前面所述几种电机的转矩强度都要大。

图6 同步电机转子Fig.6 Synchronous motor rotor showing radial flux permanent magnet field poles

永磁电机设计中，径向结构尺寸可设计得比其他交流电机都要小，主要原因是永磁交流同步电机的极对数可设计得较多，这样为避免饱和定子轭厚度就较薄，单个电极磁路中的磁通量相对小电极数要低。因此，得益于径向结构的更小化，设计出的永磁交流同步电机在质量，体积上具有明显优势;但若要得到较大的转矩，电机外径就不得不设计得很大。

2)电力变换器

前述几种电力变换器同样均可适用于永磁同步交流电机，考虑宽范围的速度调节能力及声学要求，PWM 电力变换器通常作为其驱动。

3)声学性

在精确设计的前提下，理论上永磁电机的声学性能比其他电机都要好(超导直流单极电机除外)，永磁交流同步电机的功率等级可以很大，电极数可设计得较多，对于大型推进电机，其极对数可达50对，对声学性有益。

2.3 高温超导交流同步电机

1)特点

相比感应电机，高温超导交流同步电机在体积及重量上具有较大缩减的可能。采用近来开发的高温超导线圈，磁场强度可达5 T，与定子线圈相耦合的高场强可增大磁切应力及转矩强度，理论上对于磁切应力而言，超导电机比非超导电机都要大。

然而在重量方面，相比永磁电机，高温超导交流同步电机的缩减并没有像预期那样多。原因如下:第一，由于较大的气隙以及定子线圈结构，临近定子线圈(产生转矩)的实际磁切应力减小［9］;第二，此类电机的径向结构比永磁交流同步电机要大，前者转矩强度不如后者［4］。因径向结构越小，电机重量越轻;高温超导交流同步电机较少的极对数要求定子轭厚度较薄，以使得磁路不饱和。这样一来超导电机的体积虽得到了缩减，但质量强度却很大，因此永磁交流同步电机的转矩强度比超导电机要大。

超导电机在机械、散热、电气等方面的设计均较为复杂，应用在战舰上，其可靠性及鲁棒性的要求极高。需配备如下几个复杂系统:

①冷却剂输送系统。

②安装在转子上的扭矩传递管不仅要能承受满载下的电机转矩，还要能在短路工况下承受瞬态的极大扭矩;扭矩传递管不能引起过多的热量泄露至转子线圈;转子线圈侧的扭矩传递管要工作在低温下，而推进轴侧要工作在室温下，两侧温差可达数百K。

③不论是满载工况，还是瞬态短路故障工况，间隙定子线圈系统都要能将感应转矩传递至电机外壳，并为由定子线圈产生的热量提供一个低阻传递路径。

由于复杂的冷却系统，高温超导交流同步电机在轮辋式无轴推进系统中并不适用，对于吊舱式推进系统则有可能。近来，一种5 MW 的高温超导交流同步电机正处于设计制造中，并成功开始进行性能测试，但声学性能信息尚不明。高温超导交流同步电机正处于发展阶段，目前还没有被证明的可靠性记录，但受到美国海军的支持，该种电机技术正飞速进步。

2)电力变换器

已有的应用中，选PWM 电力变换器为该超导电机驱动。

3)声学性

与感应电机相比，高温超导交流同步电机的声学性能可能较弱。该类电机技术限制了其极对数，与感应电机相似，极对数可能只有6 ～8 对，但其定子线圈处的场强更大;时间谐波噪声、磁导感应噪声及其他噪声预计比别的电机要大。

2.4 超导直流单极电机

1)特点

超导直流单极电机的工作电压一般不超过600 V，但需要产生极大的电流;为解决这一问题，需增加转子回路数，这样就导致了嵌套式的鼓状转子(见图7)在机械布局上极为复杂，并需要大量的电刷;文献［5］中3.7 MW 单极电机的电刷多达1 600 个。单极电机的一个优势是感应转矩起源于转子结构，而非脆弱的易受损伤的超导线圈。

该项技术的主要劣势是缺乏实用性、可靠性，鲁棒性低;此外，同高温超导交流同步电机类似，出于超导线圈冷却的要求，还需要冷却剂及相应的输送系统。由于超导直流单极电机的超导线圈静止不动，故不需要将冷却气体输送至转子的旋转冷却气密封。此外，因单极电机转子始终工作在室温环境下，所以扭矩传递管无需像高温超导交流同步电机中那样工作在较大温差下。

另外，出于大电流的原因，需要使用大量的导线，甚至需要内部冷却以散去铜损造成的热量;文献［5］中，19 MW 的超导直流单极电机预计需要5 t 的导线。

对于吊舱式推进电机而言，大量的冷却输送管及导线意味着加重了重量;而对于轮辋式系统，复杂的管路不切实际。

超导直流单极电机正处于发展阶段，目前还没有可靠性证明记录。

图7 超导直流单极电机Fig.7 Superconducting homopolar DC motor cut-away drawing

2)电力变换器

用于超导直流单极电机的电力变换器为buck 降压电路，0 ～600 V 的直流电压由buck 变换器降压得到，降压的同时，提升了电机所需的大电流。

3)声学性

理论上，超导直流单极电机没有在时间上变化的电磁场或变化的电流，因此在噪声方面相比其他几种电机，此类电机的性能可能最优。理论上所有的磁场及电流均为处于稳态，但到目前为止，此类大型电机尚无可靠的声学数据可供参考。

下面有几点关于该电机声学的考虑。

①由于转矩与电枢电流成比例，而电流由电力变换器产生;当buck 电路的输出电流出现任何波动，都会造成转矩脉动。

②与交流电机不同，超导直流单极电机中大多数磁路均包含非磁材料，因此交流电机中关于磁导波动的影响在这里并不适用。

③由于磁密实际上是磁导和磁动势相互作用的结果，磁动势对声学性能的影响与磁导波动对其影响就很相似;若两者之中任一一个出现脉动频率，则磁密及磁力会遏制频率脉动及随时间变动的磁力，此时电机噪声即会产生;如果电刷处的电流汇聚造成转子表面的电流强度不均衡，或是转子导电性不一致，都将会引起噪声。

图1 中所示系统皆可采用上述4 种电机，但集成电机推进器存有一些局限性，若采用高温超导交流同步电机，系统须考虑低温冷却剂送至超导电磁线圈 (位于旋转的轮缘表面)的导管设计，以确保螺旋线圈温度在约30K 时的超导特性，同样，超导直流单极电机因有嵌入到传导导管的超导电磁线圈，也不太容易集成到无轴推进器系统中。

图8 (a)所示的推进系统在近期建造的游艇中被广泛采用，电机被封装在一个密闭防水的吊舱内，上述4 种电机皆可应用;图8 (b)和图8 (c)所示的无轴推进系统美军已在潜艇和大排量UUV 上进行了多次试验，一般用永磁交流同步电机和永磁无刷直流电机作驱动电机;采用高温超导交流同步电机，必须要用导管将超低温冷却剂输送至超导电磁线圈(位于旋转的轮缘表面)，旋转线圈温度须要保持在30K 左右，以维持其超导特性;冷却剂的输送路径为:推进器尾部的定子叶轮—中心毂—旋转的低温密封垫—旋转叶片—旋转电磁线圈，鉴于冷却剂输送路径如此复杂，故高温超导交流同步电机并不适合集成电机推进器。

图8 应用到游艇、潜艇及大排量UUV 等水面/水下航行器上无轴推进系统Fig.8 Shaftless propulsor system mounted on cruise ship，submarine，LDUUV/USV

3 结 语

通过前面对4 种电机的综合分析研究可知:

1)与高温超导交流同步电机相比，得益于多电极数及较小的径向尺寸，永磁同步交流电机转矩强度大，其质量相对较小［10］。

2)具有最多的极对数，利于声学性能。

3)技术成熟，已有的成功案例中其功率可达数百千瓦。

4)技术可靠、鲁棒性好，商业应用广泛，尤其在轻型永磁电机等场合。

目前来看，永磁同步交流电机是无轴推进技术的最佳选择。

基于超导技术的2 种电机具有大转矩强度及小体积的可能，相比交流电机，超导直流单极电机能够表现出很好的噪声性能;然而对于舰艇推进等应用场合，超导电机仍有一系列问题亟待解决。

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