|
电传动技术的发展 一战结束后，各国出于各种目的纷纷开始研制自己的新型坦克装甲车辆。电传动作为一种新的尝试也遍地开花。1940年，德国在斐迪南/象式坦克歼击车上使用了电传动装置。它采用的是一种双动力传动装置布置方案，其动力装置为两台12缸水冷汽油机，分别驱动两台发电机和两台电动机及相应的一侧主动轮。不得不说，这种传动装置简直和二十年前法国的“圣沙蒙”突击坦克如出一辙，用现在的话说就是“山寨”。而且和现在的山寨机一样，斐迪南加大了发动机功率，使得机动性能更受用户青睐，最大速度和最大行程都达到了圣沙蒙的三倍。但是缺点是又大又重，战斗全重也是圣沙蒙的三倍，达到65吨，难以进行长距离机动。由此看来，山寨也并不是什么新鲜玩意。只不过，当年这个只有高级知识分子才能玩的东西，现在已经飞入寻常百姓家了。其实，它能装备德军的最主要因素还是因为它在希特勒为虎式坦克选型之前就偷偷生产了90辆底盘，尽管最后没能当成虎式，可是这90辆底盘总不能浪费，于是就改成了斐迪南重型坦克歼击车。除了这90辆外，德国没有继续生产这种坦克歼击车，也从侧面说明了其性价比不能令人满意。 值得一提的是，英国人也在1940年为65t重的TOG型坦克试装了电传动系统，该传动装置由柴油机驱动两台主发电机，同发电机连在一起的两台电动机各控制一条履带。车辆速度一方面可通过操纵内燃机油门的一个加速踏板控制，另一方面可以通过操纵控制电机磁场力的手柄进一步调速，能够实现中心转向。尽管这种传动系统的基本结构和之前出现的电传动相同，但是这辆坦克首次通过电力系统将两侧履带建立联系，转向时内侧履带吸收的功率可以供给外侧履带使用。这种转向方式尽管和双侧变速箱一样存在驱动电机所需功率较大的缺点，但是确实在电传动坦克上解决了转向功率再生的问题，当前仍然有新研制的电传动装置采用这种方案。 1944年，德国在188t的超重型“鼠”式坦克上安装了电传动装置，由内燃机驱动一台发电机和两台电动机，最大速度可达20千米/小时。同一时期，美国也试制了采用通用电力公司制造电传动装置的62t重的T1E1重型坦克和32t重的T23中型坦克，并分别在T23E3，T25和T26等中型坦克上尝试使用了电传动系统。这个时期的电传动装置的特点主要表现为动力传动系统由内燃机驱动的直流发电机和两台直流电动机组成。这些传动装置结构相对简单，但电传动系统体积过大、重量过重、造价昂贵、能量传递效率和可靠性也低，阻碍了电传动的发展和应用，所以都没能达到实用阶段。 在第二次世界大战后，受制于当时的技术水平，电传动比机械传动单位体积和重量都很大，而且控制技术上的困难也不能解决。因此，坦克装甲车辆电传动的研究和技术开发进入了冬眠期，数十年未有实质性进展。 上世纪末，电传动装甲车辆随着半导体技术发展，二极管、可控硅得到了迅速普及与应用，计算机控制与信息技术飞速发展，电气设备控制技术取得突破性进展。同时，磁性材料技术进步非常明显，高性能高比功率的电动机、发电机被研制出来，当前的坦克装甲车辆电传动系统的应用了大量新技术。 首先，直流发电机逐步被交流和稀土永磁发电机所取代，同时配有整流器。交流发电机与直流发电机相比，结构紧凑、比功率高、效率高、耐久性好，并可以获得稳定的电压。其次，随着控制技术的飞速发展，传动效率高的交流电机控制得以实现，交流—直流—交流(AC－DC－AC)控制形式逐渐成为主流，即逆变器把整流后的直流电进一步逆变为交流电、来驱动交流电机。这种电传动装置能比机械传动装置简单、体积小和重量轻，两侧的电动机可输出很大的功率，而且再生制动转向效率很高；功率控制器件的功率密度较高使整个传动系统体积减小。传动系统同时采用蓄电池组作为辅助能源。第三，也是本文一直强调的一点，新型电传动方案的出现，尤其是机电复合传动技术的发展使得电传动系统更加趋于实用化。 法国陆军昂热技术研究院于1985年开始研究交流电驱动的车用电传动系统，并于1988年成立了由两家公司组成的军用车辆电驱动系统研究集团。集团研制的鼠笼式交流感应电机首先应用于27t级履带式车辆的交流电驱动系统。改进型电驱动系统采用钐钻永磁同步电机，电机质量只有原电机的一半。集团又为法国陆军研制了提供40t级和60t级坦克使用的同步永磁电机驱动系统。 美国1987年开始研制的M113装甲履带运兵车采用柴油机—电传动系统结构形式，即由柴油机带动交流发电机发电，经整流后，再逆变为交流电驱动两个交流电机，两个电机分别经侧减速器与两侧履带的主动轮相连。由于发电机以及两侧驱动电机之间只靠电缆连接，布置非常容易。由于两侧电动机之间没有机械联系，在转向时内侧履带向外侧履带传递的巨大再生功率必须通过电机本身，所以此时外侧驱动电机的功率输出远远大于直线行驶时的功率输出，功率电子装置和驱动电机的设计必须要能承受高达170％的瞬时功率。 到2001年，美国完成了基于M113的电传动系统研究。最终完成的样车采用一台186kW的6缸直列柴油机，通过传动比为1：4.28的增速箱与一台600V的180kW交流发电机连接，为混合动力平台提供电能。该电传动驱动系统的布置非常紧凑，每个主动轮配置一个220kw高速感应电动机。车辆最高速度为96千米/小时，0－56km/h加速时间只需要9秒(M113A3为27秒)。由于方案上的缺陷，虽然该传动系统的发电机容量仅180kW，但是为了保证转向性能，单个驱动电机容量就高达220kW，超过发电机22%。电动机的功率是和造价、体积和重量直接挂钩的，为了达到性能指标，这辆车的驱动电机总容量达到了发电机的2.4倍，可见这种电传动方案存在严重的浪费。 美国未来战斗系统(FCS)的履带式样车采用的也是电传动方案，由两台150kw发电机串联为电驱动系统供电，左右两侧各安装一台450kw电动机来驱动主动，最高速度大于72千米/小时，0－48km／h加速时间小于10.5秒，比同类车辆节油10％以上。从上面的叙述可以看到，FCS的电传动方案也存在驱动电机功率严重过剩的问题。 1988年，德国的电驱动系统也达到了很高的水平。装有马格耐特磁电机械公司研制的柴油机—电驱动系统的“黄鼠狼”步兵战车试验车，具有与制式“黄鼠狼”步兵战车相当的行驶性能。该试验车采用MTU公司MB883 Ea500型440kw柴油机为动力，驱动永磁发电机发电，供两台M29型永磁电动机使用，电机的最大功率为750kw，最后通过侧传动装置驱动两个主动轮。当车辆转向时，内侧履带制动减速，使电机处于发电状态，所发出的电能供外侧履带的电机使用，和上面提到的M113试验车一样，此时外侧电机的输出功率大大超过直线行驶时的输出功率。 1999年，德国著名的变速器生产厂家伦克公司研制出了用于装甲战车的600kw电力—机械传动，取名为EMT600。这种传动系统实际上是分别使用一台主驱动电机和一台转向电机取代了双流传动装置中的变速机构和转向机构。EMT600将两侧主动轮通过一根横轴联系到一起，能够通过这根轴高效可靠地将内侧再生功率输出到外侧履带，电动机不需要具备很强的超负荷运行能力。这样，在得到与双侧电机相同的性能的同时，电机功率等级、整个传动系统的体积和重量都可以降低。这种形式的传动装置称为EMT，即电力—机械传动。EMT600电力—机械传动装置是根据英美两国的下一代轻型战斗车辆项目(FSCS／TRACER)的需要而研制的。EMT600虽然最终没有得到实际应用，但它已经进入原理样机试验阶段，是一种比较完备的电传动型式。 其实伦克公司早在80年代中期就与磁电机公司合作开发出EMT1100电传动装置，驱动电机与一个二挡变速机构相连，通过一根横轴直接、高效地在两侧主动轮之间传递供行驶所需大部分功率；转向电机只需提供转向所需的小部分功率，因而可以保持较小的尺寸。德国伦克公司于2006年 7月又推出了一种用于电传动系统的电力—机械耦合装置REX，安装在内燃机与液力机械传动装置之间，由行星齿轮耦合器、两台发电机／电动机等组成，在各种不同的工况下可以控制两台电机单独工作或共同工作。电动机单独工作时，另外一台以发电机工况工作，可以不装动力电池组。 英国QinetiQ公司与联合防务公司、霍尼韦尔公司联合研制的超小型E－X－drive机电复合传动装置，适合于25t级履带式战车，可以有效地通过机械传动将车辆转向时产生的能量从车辆一侧履带传递到另一侧履带。与阿里森X－300液力机械传动装置相比重量减轻16％，车内空间节省70％。传动装置的两个驱动电动机之间通过控制组件驱动可控差速器，通过一个小型转向电机实现车辆转向。 坦克装甲车辆电传动技术的主要发展经历了三个阶段。第一阶段的特点是采用直流电动机；第二阶段的特点是交流—直流—交流电动机的广泛应用；而永磁电机、高性能蓄电池等的技术进步则引领了当前的技术潮流。今后电传动技术的将朝着紧凑型、集成化、轻量化、传动多样化方向发展，也许不久的将来电传动能够在坦克装甲车辆上面大量运用。 |
|
|
