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永磁電機將為中國潛艇性能帶來哪些提升?
永磁電機就是采用永磁體生成電機磁場,無需勵磁線圈和勵磁電流的電機,我們小時候玩的四驅車里的小“馬達”將其拆開里面有兩塊小磁鐵的那種,那就是比較簡單的永磁電機。
而現(xiàn)在所指的新直流永磁電機,則是指用固態(tài)電子技術尤其是IGBT元件組織整流、變流設備,可以有方便調(diào)節(jié)并且不損失功率的直流永磁電機。
它所在潛艇的應用優(yōu)勢主要為以下幾個方面;
體積重量較小
新直流永磁電磁由于高功率密度和高轉矩密度,所以體積重量相對較小,一臺額定功率37兆瓦、轉速為120轉/分的直流永磁電機,僅重1.02噸、長2.1米、直徑2.8米,相比傳統(tǒng)推進電機減少40%-50%的重量和體積。
高效率
新直流永磁電機在大轉速范圍內(nèi)均有較高的效率,包括轉換裝置在內(nèi)的總效率高達93%-94%。
易匹配
通過高效精確控制,新直流永磁電機可在大轉速范圍內(nèi)實現(xiàn)與潛艇螺旋槳更好的匹配。
適用性廣
由于新直流永磁電機具有低速大扭矩特性,所以其可以適用于低速潛艇螺旋槳。
靜音性
新直流永磁電機與傳統(tǒng)交流同步電機,一樣具有低噪聲特點。
所以結合以上有點,采用新直流永磁電機的常規(guī)潛艇,相比以往常規(guī)潛艇在功率輸出、航速調(diào)節(jié)、靜音性上更具有優(yōu)勢。
要了解永磁電機將為中國潛艇性能帶來哪些提升?首先我們要清楚什么是永磁推進電機?其實永磁電機就是指采用了新型材料永磁體來做電機,運用永磁技術的電機體積相對較小、重量輕、噪聲低、效率高,特別是在低速工況下,效率比常規(guī)直流電機高出很多,而且結構簡單、可靠性好、維護簡便。更重要的是,永磁電機轉子比普通電機輕,結構振動小。此外,永磁電機轉子不發(fā)熱,定子可用水冷,因此消除了通風噪聲,也減少了熱信號。
由于永磁電機及其控制系統(tǒng)具有優(yōu)良性能,尤其是電機重量下降,輕載時效率高等對于潛艇電力推進系統(tǒng)非常重要。一項研究顯示,在轉速、功率相同情況下,永磁電機的體積、重量比常規(guī)電機分別減少約60%和40%。德國212型潛艇的永磁電機功率達到6.5兆瓦,而同樣體積重量的209型潛艇功率卻只有3.6兆瓦。
更重要的是,永磁推進電機可以讓核潛艇的靜音效果得到顯著的提高。傳統(tǒng)核潛艇通過核反應堆給蒸汽機加熱發(fā)電,然后電動機驅動,而永磁電機技術將有助于核潛艇的全電力推進,取消減速齒輪這個主要噪聲源,使得核潛艇的噪聲降低一個級別。而電機是潛艇的通用設備,因而永磁電機理論上可以普遍用于水下潛艇。
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作者:毅品文團隊劉備武,無授權禁轉!
前些日子中國船舶重工集團公司(CSIC)712所(武漢所)在其官網(wǎng)宣布我國獨立研制的首臺永磁推進電機在海南三亞亞龍灣試驗成功!據(jù)稱七一二所技術人員南下到達南海艦隊某潛艇上連續(xù)奮戰(zhàn)3個星期進行了我國海軍第一臺永磁電機的試車,我國成為繼德國英法美日后獨立掌握該領域技術的國家!與此同時我們稀土釹、鏑、鋱和鑭元素會進一步深加工,其船舶動力及電動汽車產(chǎn)業(yè)的高附加值亦能激增!日本在此領域榨取我國“工業(yè)味精”賺得盆滿缽滿的時代開始終結了!
(CSIC官方媒體傳出來的海軍動力新突破的好消息,這可能牽引一個新行業(yè))
軍用常規(guī)動力柴電潛艇上的左右兩臺主電機、低速航行巡航的左機右機以及其他水泵、氣泵、通風電機、空氣壓縮機等機械常使用直流電機,一些作戰(zhàn)電子系統(tǒng)如導航及聲吶設備常使用直流交流組合機。大部分常規(guī)潛艇使用的是勵磁電機作為主機、輔機及備用電機,勵磁電機需要在大軸滑環(huán)上配備勵磁繞組和固定電刷,電流通過時它才能形成磁場。雖然電流通過時產(chǎn)生的噪音并不算大但其也會耗費一定電能。上世紀八十年代后期德國研制出來實用化的永磁電機,英國、法國、美國和俄羅斯都在潛艇或驅逐艦上裝備了永磁電機。
(未來我軍核潛艇動力以及水面艦艇的綜合電力推進系統(tǒng)會更先進)
永磁電機主要依靠永磁體就能形成電流,由于不需要線圈繞組和電刷其構件減少省去了約四成的占用空間。永磁電機沒有集電環(huán)和電刷,電動機的效率及功率密度更高,其發(fā)熱小,冷卻結構也變得簡單。省去齒輪箱后可實現(xiàn)轉向架系統(tǒng)的靈活布置。永磁電機允許更大的電流過載量,潛艇的極限航速時間延長后在極度危險時逃避追擊更具優(yōu)勢。其安裝在輪軸的全封閉結構形成的整體直接驅動系統(tǒng)不需要此輪箱和潤滑油,潛艇機械師的維護工作量有所降低。對于依靠水下潛航保持隱蔽性突襲的潛艇來說可靠性高、系統(tǒng)布置靈活和占地空間小的戰(zhàn)術優(yōu)勢是極為有利的。
(我軍039B潛艇未來可能更優(yōu)秀,其改進型已經(jīng)出口泰國,巴基斯坦,隨著我國永磁電機的突破未來我國潛艇在國際市場上會更具競爭力,在競標時可以比肩潛艇老牌出過國的德國、法國)
(官媒對永磁電機的突破也給予了高度評價)
永磁電機需要具備在極端溫度條件下穩(wěn)定工作的能力,其損耗、溫升、電機失效機理、壽命預估、驅動控制技術是技術難點。其控制板主控芯片抗擾干能力、反饋信號的調(diào)理電路、保護電路避免發(fā)生雜散電感炸管現(xiàn)象及驅動電路要足都是需要攻克的技術難題。我國鐘掘院士的全局耦合分析及耦合并行設計、賀尚紅教授提出的復雜網(wǎng)絡拓撲結構的建模矩陣法都做出較大貢獻。在電機失效機理和壽命預估方面特別是絕緣層失效和永磁體失去磁方面我國還得更加努力!
(稀土開采比較破壞生態(tài)環(huán)境,我國已經(jīng)降低了出口配額)
(此前日本占盡了我國的便宜,然而隨著我國制造技術及微電子技術的提高,我國高端制造2025的,目標肯定會實現(xiàn)!)
此前日本把進口中國九成的釹鐵硼用在電機、通信、電子行業(yè)大發(fā)橫財,日本強力永磁鐵賺取的利潤可想而知!現(xiàn)在我們在永磁電機方面試驗成功,未來也期待這個產(chǎn)業(yè)有更強勁的發(fā)展勢頭!這是我國稀土資源利用方面自高性能大推力航空發(fā)動機含錸渦輪單晶葉片之后的又一突破!永磁推進電機相對于常用的勵磁電機有諸多好處,讓我國避免流失千倍的稀土資源高端制造產(chǎn)值!歐美日利用我國資源賺取巨額利潤的時代即將過去,也希望我國能在無稀土的感應電機方面有新的斬獲!請支持毅品文團隊的各種原創(chuàng)文章及實體書,獨立專業(yè)有種有料!
天天看大家關心電推,就沒見有人說說推進電機的事,這次終于有人問了,就借著這個機會大概說一說。其實相較于水面艦艇來說,潛艇的電力推進技術革新更為緊迫一些,電推技術不過關,常規(guī)潛艇就沒法使用,核潛艇也用不好。截至到目前為主,常規(guī)潛艇已經(jīng)全面普及了電力推進:“水面航行時,柴油發(fā)電機給蓄電池充電,同時向推進電機供電驅動潛艇行駛”;潛航時,由充好點的蓄電池組單獨給推進電機供電,驅動潛艇行駛,此時不需要柴油機工作。對于核潛艇來說,電力推進系統(tǒng)則常常作為應急動力存在,水面航行或高速潛航時由反應堆驅使蒸汽輪機做功,直接帶動推進軸系旋轉航行;當采用低速靜音航行模式或者故障發(fā)生時,則斷開主離合器,將汽輪發(fā)電機發(fā)出交流電經(jīng)整合后直接供給推進電機,推進電機直接帶動軸系旋轉航行。
▲電力推進結構示意圖
那么為何現(xiàn)代常規(guī)潛艇的主推進系統(tǒng)已經(jīng)普及電推,而核潛艇一般只在應急動力系統(tǒng)上使用呢?這主要還是在于兩種潛艇所需的功率不同,常規(guī)潛艇排水量小,柴油動力輸出的功率比較低,因此現(xiàn)有的電機技術可以滿足需求;核潛艇排水量巨大,蒸汽輪機輸出功率高,現(xiàn)有的電機技術僅能滿足其低速行駛的需要。以美國俄亥俄級彈道導彈核潛艇為例:上面裝備得推進電機功率僅僅只有242KW,在斷開主動力系統(tǒng)離合器的情況下,只能保證潛艇以大約3節(jié)的速度航行,因此只能屈尊充當應急動力。
▲法國“熱蒙”JEUMONT公司為軍用艦艇生產(chǎn)的永磁推進電機
結合我們上文所說的,現(xiàn)在的直流電機不是功率做不高,只不過需要付出的結構重量和體積過于巨大,潛艇狹小的空間承受不了,所以就需要在推進電機領域進行金屬革命。相較于比較成熟且“潛力低下”的直流電機來說,比較“新鮮”的技術是感應電機、永磁電機和高溫超導電機。
▲巴西海軍核潛艇方案
潛艇用永磁電機
目前西方國家實際上早就在潛艇上實用了永磁電機,但是絕大多數(shù)都是用在常規(guī)潛艇和核動力潛艇上,核心問題依然是推擠功率。例如,德國西門子公司在上世紀八十年代就開始為海軍研制艦艇用永磁電機,為潛艇開發(fā)了1FR6系列新型永磁電機,各型號功率從1.7MW-5MW不等,完全滿足常規(guī)潛艇使用,但是對于核潛艇來說還遠遠不夠,其開發(fā)的20MW徑向磁通永磁電機重量高達84噸,對于核潛艇來說功率勉強夠用,但過于笨重了;法國熱蒙公司在1987年研制出了400KW的永磁電機,比同功率的直流電機體積減小40%,1997年熱蒙公司為智利海軍常規(guī)潛艇提供了3.3MW級別的永磁推進系統(tǒng),后來又為“鮋魚”級常規(guī)潛艇開發(fā)了3.5MW的永磁電機,未來熱蒙公司還將為澳大利亞海軍訂購的“短鰭梭魚”級潛艇提供更先進的永磁電機;俄羅斯也為用于出口的“阿穆爾”級潛艇開發(fā)了4.1MW的永磁電機。總體來說,現(xiàn)在世界各國的永磁電機技術,還不足以小型化到讓核潛艇當做主要動力使用,滿足常規(guī)潛艇倒是綽綽有余。英國羅羅公司在1997年開始設計3MW級別的橫向磁通永磁電機,以滿足皇家海軍的需求,具體由皮皮布爾斯電機公司制造。美國就更不用說了,2007年都開始玩36.5MW級別的高溫超導電機。
大功率永磁電機實用化能帶來什么
從目前國際上的永磁電機技術發(fā)展來看,5MW以下的潛艇用低速永磁電機技術已經(jīng)相當成熟,但是20-35MW級別的核潛艇用永磁電機還在持續(xù)研制當中。
倘若我國的小體積、大功率永磁電機開發(fā)成功,那么根據(jù)永磁電機的固有優(yōu)勢,可以帶來以下有益的結果:
1、永磁電機功率密度高:由于高性能稀土永磁體的技術發(fā)展很快(不要忘了,我們可是稀土大國),同等功率下,這種永磁磁極體的體積和重量將明顯降低,這就為核潛艇的艇內(nèi)空間布置帶來極大便利,亦或者為裝備大功率推進電機提供了可能性。
2、特征信號小,有關核潛艇推進的特征信號包括電磁、噪聲和熱信號,永磁電機的轉子重量比一般電機輕,結構振動小;同時永磁電機的轉子不發(fā)熱,定子可以使用水冷,這樣熱信號就低;同時,用于采用水冷,減少了通風冷卻,就可以避免通風噪聲。總體降低核潛艇的目標信號,提高隱蔽性。
3、永磁電機沒有勵磁損耗,效率比較高。
4、沒有勵磁繞阻、取消勵磁電源,結構簡單,維護工作量小,運行可靠。
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