超大型水下航行体推进电机设计探讨

超大型水下航行体推进电机设计探讨

郝晓玉

中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003

摘  要：简要介绍了超大型水下航行体推进电机设计特点，探讨了超大型水下航行体辅助用电及安全措施。论述了电动力装置设计中温度限制问题。研究了现代超大型水下航行体的双转系统及变速考虑。此外还探讨了大型水下航行体的使用环境。

关键词：超大型；水下航行体；推进电机；设计探讨

1 超大型水下航行体推进电机设计特点

在超大型水下航行体上的一切装置，都要求重量轻、体积小、工作可靠、性能良好、使用方便，这些要求使得电动力装置的设计具有自身的特点，而不同于一般的电力拖动系统，这些特点主要有以下几个方面。

1.1 短时工作制、短寿命

    超大型水下航行体的设计、制造或使用都不是作为一次发射使用的。电动力系统的使用次数主要取决于电池的寿命，目前的蓄电池一般可以满足以上要求，而一次电池当然只能使用一次。每次使用的时间则取决于电池的性能、超大型水下航行体的类型、使用的目的等方面。一般电动力装置的累计工作时间不过1Oh。

    超大型水下航行体电动力装置属短时工作制、短寿命，所以装置容许有较高的电，热及机械负荷，使得超大型水下航行体电动装置的相对质量比地面装置上的轻得多。

根据现役超大型水下航行体的情况，电动力推进系统的质量和体积（包括电池架、电池、推进电机、螺旋桨、轴承、控制部件及电缆等）约占整个质量和体积的40～50%左右，因此提高质量功率比是超大型水下航行体电动力推进系统研究的首要任务。

1.2 大的瞬时电流与动力负载

    现役超大型水下航行体以使用直流串激电动机为最多，并以电压平稳的电池组为能源，电池组直接连接到电动机上，但对二次电池组来说要通过接触器来接通，对此类型的电动机在起动时的冲击电流可达到稳态工作电流的4～6倍。

为了尽量减少电动力推进系统的质量和体积，不希望在系统中附加电动机的起动电路，而是直接从冷态下起动，因此有必要提供电动机的起动安全极限。根据经验，当功率在180KW以下、稳态工作电流在1000A以下、从冷态直接起动，电机能够承受4～6倍的稳态工作电流，在此瞬时电负载下电动力装置是安全的。在选择推进电机额定电流时，必须考虑到起动电流的大小，对全额直接起动的推进电机额定电流一般确定在1300A以下。在应用一次电池组作为能源时，最好一次电池组开始工作的时间和电动机的加速时间相一致，通常的做法是用电解液灌注系统来控制一次电池的激活时间。在国外起动超大型水下航行体推进电机大约是在15s的瞬态时间内用大约2倍的额定电流，这种情况下可选择额定电流大一些。我国某型超大型水下航行体一次电池组激活时间为7～8s，这样有利于控制推进电机的起动电流。

    电动力装置在发射时还要经受其他动力负载，例如潜、舰发射的超大型水下航行体，它在发射管内以8～10g的加速度运动。用飞机或其他运载工具发射小型水下航行体时，一般规定入水冲击加速度为60～80g。电动力超大型水下航行体动力装置在经受发射的动负载时，必须保证起动时还能够经受住所要求的电负载。

超大型水下航行体推进电动机的起动电流虽然很大，但是推进器的转矩特性属于泵类负载特性，所以电机出现峰值的时间一般为20～30ms，达到稳态电流时也不过0.3～0.8s，因为起动时间极短，故在起动电流很大的情况下，绕组发热也不高，不会受到热的任何损伤。至于起动时发生的机械冲击，尽管从理论上讲，起动转矩应随电流的平方而上升，但实际上由于磁路饱和，主磁通不可能随电流无限上升，因而其最大起动转矩约为额定转矩的6倍左右，只要在结构强度上适当给予考虑，一般结构不会发生问题。但是，由于起动电流很大，可能在换向器与电刷附近发生强烈的电弧，这是应当注意的。

1.3 影响超大型水下航行体航速偏差的因素

    航速是超大型水下航行体的主要战术指标，从战术上来看，当超大型水下航行体的航速恒定时超大型水下航行体的命中概率较高，但按超大型水下航行体射击理论分析和计算表明，当超大型水下航行体的速度偏差为±1kn时，对超大型水下航行体的射击命中概率影响不大，对于传统开环控制方式的系统，尽管在设计上保证超大型水下航行体航速偏差在±lkn以内是困难的，但是应该尽量满足此要求。影响超大型水下航行体航速偏差的因素很多，一般可分两大因素，一是超大型水下航行体本身的因素，例如推进电机的制造偏差，电池组电压的波动，螺旋桨的制造偏差，传动轴系的摩擦，超大型水下航行体线型的变化，超大型水下航行体壳表面光洁度等都属于超大型水下航行体本身的因素；而超大型水下航行体在淡水靶场的试验以及在不同盐度海水中的使用，水温的变化等则都属于超大型水下航行体使用环境的因素。

    由于超大型水下航行体在不同时间、不同海域使用时，其环境温度不同，电池组的电压将发生变化，Ag—1.5电池组技术条件规定，电解液温度35℃时放电与O～l5℃时放电，电压差约6.5%。美国MK66—0型Zn/AgO二次蓄电池组电压变化范围为

，所引起的航速变化约为l.6kn。Mg/AgCl海水电池组的电压受海水温度和盐度的影响更大，所引起的航速偏差也更大。

    由于电池的制造因素，同类型的电池组工作电压也是有差别的。另外电池在放电过程中的电压也是变化的，所以超大型水下航行体在航行过程中的不同时间其速度也不尽相同。

通过上述分析，为了减少超大型水下航行体航速偏差，在设计超大型水下航行体用电池时需考虑到电池电压的波动对航速的影响，应尽最选择放电电压平稳的电池作为超大型水下航行体用动力电池。

超大型水下航行体推进电机为短时工作制，电机在工作中并没有达到真正的稳定运行，这样电枢电流可能由于电机内部的各种损耗而变化，也可能由于拖动负载因受外界条件变化而相应地发生变化，这样就造成了同一台电机的输出功率发生变化，从而引起超大型水下航行体航速的变化，对于某型超大型水下航行体推进电机，同一航次中航速变动量约为0.47kn。

尽管超大型水下航行体推进电机的电负荷比一般民用电机高得多，造成电枢绕组温度在工作结束时高达250℃左右，但对串激电动机来说，电枢回路电阻由于温度的升高而增加，而在电压不变的情况下，电枢电流降低造成主磁通也略低，因而温度对转速的影响可以忽略不计。影响超大型水下航行体航速偏差的主要因素是电池组的输出电压变化。

2超大型水下航行体辅助用电

    控制、制导、引信等其他电子设备所使用的电源通称为辅助用电。现役电动超大型水下航行体的辅助用电大多数是由动力电池组的分压供给，少数的由单独的一组电池供电，也有的从推进电机电枢绕组中直接引出单相交流电供自导装置等用电，这样在需要交流电源的电子设备中就省略了专用变流装置，但推进电机的设计就增加了产生单向交流电的电枢绕组及滑环等零部件。

    由动力电池组分压供给换流器和电子系统以满足超大型水下航行体电子系统对交流电和直流电的需要是较好的方案。在此供电方案中，电池组的负荷电流为电动机及电子系统负荷电流之和，但必须注意供电系统工作中的相互干扰问题。由于所有辅助用电都由动力电池组按一定要求统一供电，为简化供电系统必须对电压品种进行统一管理，并注意系统间的互相干扰及影响，否则将造成单一工作系统正常，可以达到技术指标要求，而当全雷各系统同时工作时则不正常的现象。

3大型水下航行体安全措施

    在目前应用的超大型水下航行体电池中，在超大型水下航行体贮藏和工作中均能析出氢气和氧气，这样就存在着起火和爆炸的危险，为了根除这种危险，必须在设计时注意该问题。

    爆炸形成的原因是氢、氧化合反应时放出热量（氢、氧合成1mol水时产生的热量为134kcal）使反应产生的水蒸汽极度膨胀而形成的。但在普通温度下氢氧并不化合，当300℃时，经过数天才产生一些水迹，当518℃时，氢氧化合需要数小时，而当700℃时化合只需要一瞬间。另外氢氧容器壁内的自然条件及混合气体中水蒸汽的多少，对氢氧混合气体的化合速度也有相当的影响，如干燥的氢氧混合气体在960℃时不会爆炸，而当空气中氢含量占4%以上时，则形成一种易爆炸的混合气体，遇到温度为500～700℃的灼热体或受到电火花的激发便会爆炸。

    为防止爆炸，必须采用限温、限量、限水蒸汽等安全措施，例如清除超大型水下航行体内的空气代之以充满氮气，用耐压壁隔开电池仓，控制电池组的温度，限制电池仓内的氢氧含量，防止电机火花，控制火花与氢氧混合气体接触，防止电动力装置内部短路等。

    在用一次激活电池作为超大型水下航行体用电源时，为了保证发射安全，还必须考虑到一次电池的激活时间，若激活时间过长，可使电池组因电压上升迟缓而影响控制系统及电动力推进系统的工作，从而引起超大型水下航行体出口弹道的反常，产生威胁发射艇安全的可能性。

    在超大型水下航行体收回和工作结束后的维护期间，为了消除危险，电池仓内由电池工作帽或气塞透气口放出的氢气必须排除，为此可在电池仓上安装安全阀和通风装置。一般当排气压力为0.5bar时，安全阀自动打开，通风装置则根据情况而用。对于一次电池组还要应用另一项安全措施，一般情况下，超大型水下航行体航行的时间要比电池组的极限工作时间短一些。对于大功率的一次电池，在全航程试验完成以后剩余的小部分容量在可能短路的情况下也可能发生起火的危险。为了防止这种情况发生，必须使电池组完全放电，所以需要连接一个分泄电阻，使电池组剩余的电能通过分泄电阻变成热能而散失掉。

    为了防止电解液溢出而腐蚀雷壳及其它部件，在电池组设计中，必须采取相应的结构，使电池组在超大型水下航行体航行中、航行结束漂浮后电解液不能溢出或限制在极小的范围内。

只要在雷设计、使用中采取相应的措施，产生危险的根源是能够消除，安全是有保证的。