直线电机驱动的电磁推进船

BBSBIAN 2015-09-25

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8.2 直线电机驱动的电磁推进船

8.2.1 基本原理与发展

船舶推进系统多数采用螺旋桨推进器，但螺旋桨推进器在水下高速运转时会产生“空泡”现象，大大了降低推进器效率并限制了船速的进一步提高，另外，一般螺旋桨都采用柴油机和燃气轮机通过传动轴带动螺旋桨旋转，因此产生较大机械振动、磨损和噪音，较大噪声破坏了军用舰艇隐蔽性，尤其是水下潜艇在高速航行时较大的机械振动和噪声，容易被对方声纳发现，于是世界各国正在寻求一种高速、无声安静的船用推进装置。
直线电磁推进器就是其中一例，它根据电学上的弗莱明（Fleming）左手定则，利用海水是导体，通电海水在强磁场作用下产生电磁力的基本原理，让受力海水由船尾直接高压喷水推动船舶高速、无声航行，其原理如图8-23所示。直线电磁推进器具有无振动、无磨损、无噪声和控制灵活等特点，特别应该指出的是由于没有螺旋桨，在高速运转时就不存在“空泡”现象，从而运行速度可大大超过目前常规海轮的速度。

直线电磁推进器的理论航速100n mile/h，一般螺旋桨推进的商船航速25 n mile/h，前者航速为后者四倍。现代喷气飞机已达3000 km/h，螺旋桨飞机极限航速750km/h，也是四倍。由此可见，直线电磁推进器一旦实用化，将类似于喷气飞机代替螺旋桨飞机一样，在海运界将引起一场重大变革。
1992年6月，世界上第一艘载人超导直线电磁推进船“大和一号”在日本神户港正式试航成功，引起了世界造船界的震惊。在此之前，早在1961年美国赖斯（A·Rice）教授首先提出了。“电磁泵”专利，从而揭开了研究船舶电磁推进器的序幕。1966年美国的S·Way制作了这种模型船进行了航行实验。英国1970年制作了1000kW的超导电动机和发电机组合的陆上试验，1976年日本神户商船大学佐治教授制成了超导直线电磁推进模型船。美国1980年制作了300kW超导电磁推进船的海上试验，并制作了2250kW的试验样机。1985年日本成立了“超导电磁推进船开发研究委员会”。1990年完成了480kW超导直流单极电动机的开发，最终导致了1992年超导直线电磁推进船在日本的试航成功。我国中科院电工所也进行了这方面的研究。

8.2.2 基本结构及性能

   目前船用直线电磁推进器结构，可归纳成四种基本型式：直线通道推进器，外磁式推进器，螺旋通道推进器和环形通道推进器。
   图8-24是直线通道推进器结构，电极按放在通道上下二边，磁场垂直于电流方向，根据电磁定律的左手定则，电磁力的方向垂直于电流和磁场方向。由图可知，海水受电磁力作用由嗽叭口吸入通道，经过磁场加速作用以后高速水流向外喷出，构成直线电磁推进器亦称作直线电磁泵。日本在1992年利用该基本原理研制“大和一号”超导电磁推进船并成功地进行了试航。其推进器采用直线通道如图8-25。用六个直线通道组合在一起构成一个具有8000牛顿推力的推进器。六个通道组合后磁场4特斯拉。
   图8-26是外磁式推进器结构，在一个空心园柱体表面相间设置正负电极和磁场线圈，由图可知，磁场和电场互相正交，通电海水产生电磁力推动海水按一个方向高速流动。这种结构缺点漏磁大，对外界要采取磁屏蔽。日本在1979年研制的ST-500超导电磁推进实验船就采用这种结构。
   图8-27是螺旋通道推进船，磁体采用螺管超导线圈产生轴向磁场，为了使推力方向也成轴向方向，必须用整流管先将海水直线流向改成旋转流向，然后进入螺旋通道。由图看出电流是径向，将产生沿着螺旋管切向的电磁力，使受力海水在螺旋通道内高速旋转，在出口处再整流成直线流向。这种结构最大特点是超导磁体是螺管线圈，制造工艺简单磁场可以做得比二极磁体高，缺点也是漏磁较大。前苏联采用此结构研制成巨型推进器，美国为了减少漏磁和提高螺管磁场采用双螺管结构如图8-28所示，电流沿径向流动，若内外螺管磁场方向一致，则内螺管通道增磁外螺管通道去磁起到磁屏蔽作用，反之，外螺管通道增磁内螺管通道去磁。该结构需要双螺旋通道，结构复杂制作困难，较难实现。
   图8-29是为了鱼雷或潜艇试制的环形通道结构。由图可知，电流沿径向方向流动，磁场由扇形窗口二侧的二个集中绕组的超导线圈提供，电磁力垂直扇形面。该结构超导线圈绕制简单，磁通沿着园周方向闭合漏磁甚小，无须磁屏蔽。用在鱼雷或潜艇上其园周表面水动力方向与一般的螺旋桨推进器基本一样，艇型不必重新设计可以直接替换螺旋桨推进器。因此该结构有效率高和噪声最小的特点。

   我国学者鉴于我国的经济实力，提出了用钕铁硼永磁代替超导线圈，选取推进性能较好，无漏磁和流水动力类似于螺旋桨的环形通道结构。图8-30为我国研制的环形永磁电磁推进潜艇模型。
   推进器轴向有效长度L决定了潜艇的速度、功率损耗和效率。速度越高输入功率就越大，功耗也大效率降低，因此存在一个最佳长度L。图8-31表示环型超导电磁推进器最佳L比和功率曲线，由图示，高速时其L比应选在占潜艇总长的15%～20%，功率损失最小。在低速时则需要很短推进器长度就足够，最佳设计应在5%左右。
   当潜艇速度达到40n mile/h，应选在30%，因为推进器长度增加后推进器附加压降损失的增长速度大于长度增加。研制模型因速度很小，又是永磁磁场较低，故L选择在6%。

图8-32为三种不同扇形通道高度与宽度比(Δ/Ls)的速度与功率消耗曲线。由图可知，当比值为0.015，速度在15m/s，消耗功率约为35000kW，如果增加比值到0.02，差不多可增加速度1n mile/h。从另一方面看若比值不变，增加1n mile/h速度则要增加 5000kW 电功率，因此适当增加扇形高度(Δr）即增加电极之间长度，可以提高推力，增加速度。图8-33的速度与效率曲线进一步证实了随着Δr/Ls比值增加效率提高。但效率与速度关系是速度增加效率逐渐下降。从图8-33看出在高速时环形超导电磁推进潜艇的效率可以达到50%接近于一般螺旋推进器的效率。
图8-34讨论了当前低温超导技术水平下，潜艇速度能否达到常规潜艇速度，图中表示在6T和7T二种磁场下，不同速度需要下的消耗功率。在6T磁场下，消耗35000kW速度可以达到30n mile/h。如果磁场增到7T，速度不变只消耗32000kW。由此可见，随着超导磁体磁场增加，消耗功率减小效率提高。对目前低温超导技术水平而言，试制大口径超导磁体在6～8Ｔ磁场尚可以，超过10T就比较困难。当然，潜艇用超导磁体磁场达到要求，而且磁体必须小型化，轻量化，否则30n mile/h速度仍然达不到，据国外研究表明其磁体重量与室孔体积比在2～3t/m2范围内。