汪 勇 李 庆

1武汉船用电力推进装置研究所，湖北 武汉 430064

2中国中铁电气化局集团第二工程有限公司，湖北武汉 430064

新型集成电机推进器设计研究

汪 勇1李 庆2

1武汉船用电力推进装置研究所，湖北 武汉 430064

2中国中铁电气化局集团第二工程有限公司，湖北武汉 430064

为了实现单轴推进潜艇，在主推进轴系故障失效状态下的应急推进，在参照吊舱推进器的基础上并结合导管桨结构形式，通过将传统电机、螺旋桨推进型式在轴向空间进一步集成，设计出新型集成电机推进器，并通过设计实例对集成电机推进器在结构特点、电机设计、水动力学仿真与模型水池试验等方面进行说明，论证集成推进器高效率、高功率密度的特点，适合于作为潜艇应急推进装置。

集成；电机；推进器；潜艇

1 引言

随着动力装置单机功率的增加，现代潜艇为了减小航行阻力，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。目前，现役先进潜艇基本都采用单轴推进，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。鉴于潜艇以水下航行作战为主的特殊情况，一般都另设有应急动力装置，以供主动力装置在战损、故障等失效状态下提供应急动力，从而提高了整个推进系统的可靠性。但是对于单轴推进系统，存在一个致命的缺陷就是当推进轴系出现故障，比如推进轴系上的螺旋桨被渔网等障碍物缠绕无法旋转，此时即使有应急动力装置也无法起到应急的作用。在国外，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，还另设有与推进轴系无关联的应急推进装置。该推进装置平时收放在非耐压壳内，遇到主推进装置失效时，再通过收放机构伸出艇外驱动潜艇以较低的航速4～5 kn返回基地，被艇员亲切的称为“返回家园驱动器”。

2 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、高效率的新型推进器。它是在参照目前民用船舶上已广泛使用的吊舱推进器，同时参考导管桨结构特点，结合现代永磁电机技术，将导管、电机、螺旋桨进一步集成，减小轴向空间，设计出一种新型集导管、电机和螺旋桨为一体的推进装置。它既可以做到可收放、360°回转与主推进轴系无关联，又克服了传统吊舱体积庞大的缺点，非常适于用作潜艇应急推进装置。新型集成电机推进器在外观上类似导管桨，但和导管桨又有区别，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，而新型集成电机推进器将电机定子与导管集成，电动机转子与螺旋桨集成，通过电机定、转子间的电磁作用力直接带动电机转子旋转，就是直接驱动螺旋桨。采用这种结构型式可以显著提高系统的效率和功率密度。根据有无螺旋桨桨轴情况可将其结构型式分为两类：有桨轴型和无桨轴型。

2.1 有桨轴型集成电机推进器结构设计

有桨轴型集成电机推进器其结构主要由几个部分组成（图1）：导管也作为电机定子，定子铁芯、绕组以及位置传感器均置于其中；螺旋桨作为电机转子，在其桨叶叶稍处带有端环，转子励磁用的永磁体位于端环内；螺旋桨轴是电机转子支撑轴；支撑筋是螺旋桨轴与导管之间的支撑件，支撑螺旋桨轴，同时也将螺旋桨产生的推力传到导管上；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；锁紧螺母类似常规螺旋桨的毂帽，主要作用是固定螺旋桨轴和导流。

可见有桨轴型集成电机推进器一个显著特点就是将导管、电机与螺旋桨在轴向上集成为一体，从而使整个推进装置体积减小，系统功率密度和效率得到提高。

2.2 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、电机、螺旋桨高度集成，整个系统功率密度和效率得到提高，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，增大了流阻，降低了系统效率。为了改进这些缺陷，进一步提供系统集成度，出现了无桨轴型集成电机推进器，见图2。相对于有桨轴型集成电机推进器，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，但其结构原理与有桨轴型相比没有任何变化，仍是将导管、电机与螺旋桨集成为一体，只是将支撑螺旋桨的结构放置到导管内，使整个装置集成度得到进一步提高，导管内流通面积更大，流阻更小，功率密度和效率也比有桨轴型更高。但这种结构也相应增加了导管内结构的复杂程度，此时导管内不但有电机定子铁芯、绕组和位置传感器，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，增加了设计难度。

3 潜艇新型集成电机推进器的设计

一般电机电磁设计中通常采用磁路等效的设计方法，此种设计方法是建立在磁路分析的基础上的。实际中，磁路等效计算方法有时难以准确计算磁场分布，这样会造成材料浪费或者设计出的磁场分布不合理。因此，现在多采用场、路结合的方法进行电机电磁设计，即先使用传统方法对电机磁路进行设计，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，以校核磁路设计结果。

3.1 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，即永磁同步电机和永磁无刷直流电机。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，综合新型集成电机推进器结构特点，采用带位置传感器的永磁无刷直流电机比较适合。永磁无刷直流电机定子内径和铁芯长度由下式确定：

式中，D为定子内径；L为铁芯长度；αi为极弧系数；Bδ为气隙磁密；A 为线负荷；Pi′为计算视在功率；n为电机额定转速。电机处于长期运行状态时，取计算视在功率为：

式中，PN为电机额定功率；η′是预估效率。在新型应急推进装置中，电机尺寸的选取要结合上述公式和螺旋桨盘面直径，而螺旋桨一般径向尺寸较大，而轴向尺寸小，因此各个参数在取值中，应根据螺旋桨尺寸以及上面的公式进行调整，以达到最佳值。

3.2 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，减小流体阻力，提高整个装置的效率。这就要求导管在容纳电机定、转子的情况下总体厚度尽量小；同时，由于集成电机推进器通常情况下是浸没于水中工作，电机外表面和电机定转子气隙间水是可以自由流通的，因此该类型电机散热条件相比普通电机要好很多，在进行电机设计时应充分考虑到这些特点。在电机设计条件允许的情况下，电机定子轭厚度、转子轭厚度、磁钢厚度和定子齿高度要尽量小，以减小导管厚度，增大有效流通面积提高系统效率，同时，适当增大电机电流密度、线负荷、热负荷，以提高系统功率密度。与普通电机相比，新型集成电机推进器电机极数多、频率高、外形薄，定子外径到转子内径之间的总厚度小。为了获得最大的转矩输出，电机定子采用了集中整距绕组型式。集中整距绕组相比其他几种绕线方式，它的基波分布系数最大，基波转矩没有损失。但集中整距绕组相比其他的绕组，转矩波动较大，可以采用多相绕组、定子斜槽等方式降低转矩波动。电机转子由永磁体、导磁转子轭和螺旋桨组成。永磁体是产生励磁磁场的核心，一般采用稀土永磁材料，如钕铁硼或钐钴。在螺旋桨桨叶叶稍处安装有凹型端环，永磁体和转子扼安装与端环的凹槽内，考虑到对转子动平衡的精度要求较高，用整体环较好。但目前用稀土永磁材料做成的整体环充磁难度大，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。

由于电机在水下工作，电机导线和绕组部分需要良好的绝缘，同时转子励磁用的永磁体在水下也极容易被腐蚀，所以在电机定、转子设计中还要考虑其水密封问题，对电机定子绕组、转子永磁体水密可以灌入环氧材料密封绝缘处理。

3.3 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，对某20 kW有桨轴型集成电机推进器电机进行设计。该电机主要参数如下：额定输出功率20 kW；额定转速600 r／min；额定输入电压DC 220 V；电机效率不小于90%；相配的螺旋桨直径0.578 m。根据以上数据，采用磁路等效的设计方法，设计电机相关参数如下：6相；180槽；极对数15 对；定子内径 0.611 m；定子外径 0.653 m；铁芯长度0.092 m；定子轭厚度0.015 m；转子轭厚度0.01 m；磁钢厚度 0.005 m；气隙长度 0.002 5 m；总体厚度0.042 5 m。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、转子轭厚度、磁钢厚度小，极数多，频率高，外形薄，总厚度小的特点。

针对以上设计结果，采用场的方法应用专门电磁场仿真分析软件Ansoft仿真验证分析，显示其磁密分布云图，如图3，计算得出其空载反电势平均值 101.8 V，空载气隙磁密 0.58 T，额定状态工作时电磁转矩 352.8 N·m。

4 导管、螺旋桨水动力性能设计

新型集成电机推进器以水下工作为主，其外部线型包括导管和螺旋桨必须经过严格水动力学设计和水池试验，力求流阻小、效率高，取得最佳的水动力学特性。

仍以20 kW有桨轴型集成电机推进器为例，导管、螺旋桨参数为：螺旋桨吸收功率20 kW；额定转速 600 r／min；轴系效率取 0.95；设计航速 5 kn；伴流分数0.1；流体介质为海水。根据以上参数采用荷兰船模试验水池导管桨Bp－δ图谱设计结果如下：No.19A 导管长径比 0.625； 螺旋桨 Ka4－55 桨，直径 0.578 m，毂径比 0.25，盘面比 0.51，侧斜 22°，螺距比 1.15；前后支撑筋 NCAC0012。 根据图谱设计的结果，应用环流理论，用专门流体仿真软件Fluent对图谱设计进行仿真校核，整个集成电机推进器表面压力分布见图4。螺旋桨水动力计算结果如下：进速系数J0＝0.4；推力系数KT＝0.368； 转矩系数 10KQ＝0.455； 螺旋桨敞水效率η0＝0.515，产生总推力T＝430 kgf。

根据导管、螺旋桨设计数据，制作集成电机推进器水池试验模型，见图5。该模型包含导管、螺旋桨、支撑筋全部要素，仅不含电机部分，通过水池模型试验进一步验证了导管、螺旋桨水动力性能，论证了设计的可行性。

5 结束语

潜艇新型集成电机推进器涉及到机械、电机、控制、流体等多学科知识，本文分析了其在机械结构、电机、流体等方面设计特点，并通过实例设计进行了论证。新型集成电机推进器高效率、高功率密度的特点使得它非常适合于作为潜艇应急推进的动力装置，同时随着各方面技术的进步、研究的深入，其功率范围也必将扩大，由现在的小功率用于潜艇应急推进发展到大功率可用于潜艇主推进或水面舰船的推进。

［1］ANDERSON K J，BORDA C G，DONNELLY M J，et al.Advanced hull form inshore demonstrator model strut and propulsor Performance in uniform flow，Technical Report No.NSWCCD－50－TR－2005／012 ［R］.NSWCCD，2005：16－19.

［2］ABU SHARKH S M，HARRIS M R，STOLL R L.Design and performance of an integrated thrusters motor［C］//Seventh International Conference on Electrical Machines and Drivers.Durharn，UK，1995：395-399.

［3］Van Dine el at.Rim－driven propulsion pod arrangement［P］.US Patent：US6837757.Jan 2007.

［4］安斌，石秀华，宋绍忠.新型水下集成电机推进器的特种电机研究［J］.微特电机，2005，7（5）：23－27.

［5］寿海明，翼路明，马守军.现代船用推进电机技术研究［J］.船电技术，2007，3（1）：1－4.

［6］马立丽，马金龙.基于Ansoft的无刷直流电动机的设计与仿真［J］.云南电力技术，2009，8（4）：54－57.

［7］尚德喜，汪贺成.带螺旋桨负载的永磁电机研究［J］.开关电气，2008，3（2）：44－47.

［8］邓穗湘，沈雄.永磁电机在船舶电力推进中的应用和仿真［J］.航海工程，2005，4（12）：26－28.

［9］马骋.吊舱推进技术［M］.上海：上海交通大学出版社，2007.

［10］王国强，董世汤.船舶螺旋桨理论与应用［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005.

Design of a New Integrated Motor Propulsion System

Wang Yong1Li Qing2
1 Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute， Wuhan 430064， China
2 The Secondary Engineering Ltd.under China Railway Electrification Bureau Group，Wuhan 430064，China

In order to achieve the emergency propulsion of submarine driven by one shafting system in case of malfunction of the main propulsion shafting，by combining the duct paddle structure in reference to the pod propeller，the traditional electrical motor and spiral propeller in the axial space were further integrated， and a new kind of integrated motor propulsion with high efficiency and high power density，was designed.Moreover， the design characteristics of the integrated motor propulsion in terms of structure， electric motor and hydrodynamics were analyzed， thus proving that the integrated motor propulsion system is a good selection as submarine emergency propulsion device.

integrated； electric motor； propulsion system； submarine

U664.3

A

1673－3185（2011）01－82－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.016

2010-03-17

国家高技术研究发展计划（863计划）基金项目（2006AA092211）

汪 勇（1976－），男，工程师，硕士。研究方向：机电一体化设计。E-mail：wwg76＠ 126.com