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无人潜航器核心技术：四大类无轴推进电机谁拔头筹？
动力推进是无人潜航器的关键技术之一。无轴推进技术取消了传统推进传动轴，将推进电机与螺旋桨集成，电机可与海水接触、散热效果好，同时有效节约潜航器内腔空间，可广泛用于水面及水下动力推进系统。无轴推进技术推进电机、推进器、舵机与舵面、潜航器尾部壳体集成为一体化尾段，具有噪声低、重量轻、体积小的特点，适用于水下远航程、低航速、大排量的无人潜航器。推进电机是无轴推进的重点技术，美海军开展了多项相关研究，已在大型无人潜航器上进行了样机试验，计划2016年进行全系统海上演示验证。 目前，无人潜航器无轴推进系统可能使用的电机包括四类，分别为交流感应电机（IM)、永磁交流同步电机（PMACS)、高温超导交流同步电机（HTSACS)、超导直流单极电机（SDCH)。 交流感应电机由定子及转子组成，转子固定于轴承上，与定子由气隙隔开。定子铁心由钢片叠成，铁心内圆均布多槽，用以嵌放定子绕组，当定子绕组通入交流电后，即会产生旋转磁场，旋转磁场在转子线圈中感应出电流。感应电机转子为圆柱状，转子感应电流与气隙磁场相互作用下，电机进行正常工作。
感应电机技术目前已较成熟、性能最稳定，已在大排量无人潜航器上得到了实践应用。感应电机的主要优势在于机械结构简单、可靠性强。然而，感应电机因转矩比及极对数有限，与其他推进电机相比，体积大与重量大，容易产生高频噪声，声学性能不如永磁交流同步电机（极对数可达100)。 永磁交流同步电机的直线线圈连接到安装在转子上的无刷励磁系统，在稳态下保持恒定的转速及恒定频率。直流励磁同步电机的电极尺寸较大，采用永磁体后，电极尺寸得到明显缩减；现有的船用推进系统中永磁交流同步电机的极对数可达50对极。该类电机目前是水下推进系统釆用无轴推进技术性能最有前途及工程实现的一种推进电机。与感应电机相比，永磁交流同步电机具有较大的功率及转矩比。目前，釆用非永磁材料的电机功率可达到2000kW-3000kW，正在研究中的美军大排量潜航器用永磁电机的功率已达3600k\l在精确设计的前提下，理论上永磁交流同步电机功率等级可以很大，电极数可设计得较多，声学性能比其他电机都要好（超导直流单极电机除外）。 高温超导交流同步电机基本工作原理与直流励磁同步电机类似，不同之处在于转子采用了超导线圈。为了维持线圈的超导特性，需用氦气通入转子，使其温度保持在约30K;转子外表面有一个圆柱状铜壳，通过一个密封不锈钢真空附件将其与转子进行热隔离，并随转子一起旋转，能屏蔽由电力变换器引起的高频谐波磁场。高温超导交流同步电机具备良好的应用前景。
高温超导交流同步电机的体积较其他电机具有较大的优势“i高温超导交流同步电机气隙、定子线圈和径向结构均较大，因此相对永磁电机的重量优势并不明显。同时，超导电机在机械、散热、电气等方面的设计均较为复杂，需配备高可靠性冷却剂输送、扭矩传递管、间隙定子线圈等复杂系统，因此用在无人潜航器上略显笨重。此外，由于高温超导交流同步电机极对数少，时间谐波噪声、磁导感应噪声及其他噪声特性预计较差。 超导直流单极电机需要机械电刷，在径向磁场中，电流沿转子轴向流通并产生转矩。釆用超导线圈以产生极强的磁场强度，与较大的转子电流相互作用就可产生极大的转矩比，因此，超导直流单极电机能在较小体积下具有较大的转矩。此外，此类电机工作电压较低，一般不超过600V，可将电力变换器的电流转换至一个极大值。为解决低压/大电流问题，需增加转子回路数，这样就导致了嵌套式的鼓状转子在机械布局上极为复杂，并需要大量电刷；如一台370kW的单极电机，其电刷可多达1600个。声学特性方面，超导直流单极电机没有在时间上变化的电磁场或变化的电流，因此推测声学性能较优。该类电机是目前最有前景的一种无轴推进技术，但工程化应用仍将取决于高温超导材料的进步。 超导直流单极电机的缺点与高温超导交流同步电机类似，需要冷却剂及相应输送系统。但直流电机的超导线圈静止不动，因此无需将密封冷却气体输送至旋转转子。此外，因单极电机转子始终工作在室温环境下，所以扭矩传递管工作温差也小于高温超导交流同步电机。限制超导直流单极电机应用的另一个问题是大电流导致需使用大量导线，甚至需要内部冷却以散去铜损造成的热量。例如一台1900kW的超导直流单极电机需要5t的导线。显然不适用于大排量无人潜航器。
大排量无人潜航器无轴推进系统理论上均可釆用上述四种推进电机。若釆用高温超导交流同步电机，系统须考虑低温冷却剂送至超导电磁线圈（位于旋转的轮缘表面）的导管设计，以确保螺旋线圈温度在约30K时的超导特性。冷却剂的输送路径为：推进器尾部的定子叶轮一中心毂一旋转的低温密封垫一旋转叶片一旋转电磁线圈，鉴于冷却剂输送路径如此复杂，故高温超导交流同步电机并不适合集成电机推进器。同样，超导直流单极电机因有嵌入到传导导管的超导电磁线圈，也难以集成到无轴推进器系统中。 综合分析，近期大排量无人潜航器最可能使用永磁同步交流电机作为无轴推进系统的推进电机。一方面，与高温超导交流同步电机相比，永磁同步交流电机电极数较多，径向尺寸较小，转矩比大，质量相对较小，适合大排量无人潜航器的总体结构布局。第二，具有最多的极对数，声学性能较好，可降低大排量无人潜航器的推进噪声。第三，永磁同步交流电机技术成熟、可靠性高，其功率可达兆瓦级，可满足大排量无人潜航器作为长航程的推进需求。
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