电动力拖曳式鱼雷发射装置动力方案研究∗

（海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）

1 引言

低噪声发射装置的研发一直以来都是水下鱼雷发射装置研究的主要方向之一，各国均在寻求一种最理想的水下鱼雷发射装置。当前常规鱼雷发射装置主要包括自航式、气动不平衡式、水压平衡式、气动冲压式、空气涡轮泵式以及正在研制中的电磁式鱼雷发射装置。由于现有的潜艇鱼雷发射装置（除自航式以外），均采用高压空气或强力水流作为发射能源［1］，所产生的瞬态发射噪声极大，这对潜艇的隐蔽性和作战性能［2～3］影响非常大。为此探究低发射噪声的鱼雷发射装置十分必要。

电动力拖曳式发射装置是在自航式发射装置工作原理的基础上，结合未来潜艇全电力工作趋势提出的。由于电动力拖曳式发射装置是以直线电机作为发射动力［4］，因此能有效避免发射瞬间流体冲击噪声和武器出管后的海水喷流噪声。为此针对电动力拖曳式发射装置总体方案开展直线电机作为动力的需求分析，在此基础上进行发射动力系统方案论证。

2 电动力拖曳式发射装置结构及发射原理

电动力拖曳式鱼雷发射装置主要由大口径发射管、发射动力系统（包含直线电机、储能装置、电力控制装置等）、拖拽系统（包含拉索、承载部件及滑轮机构等）组成［5～6］。该方案布置在潜艇耐压壳内部时，其直线电机可布置在发射管后部备雷架附近，与备雷架平行。该方案布置于潜艇耐压壳外部［7］时，除直线电机布置于耐压壳体内部，其余部件均紧贴壳体布置。

该发射系统在耐压壳体内部安装时的工作原理为：当武器装入发射管后，其尾部安装上承载部件，再将拉索一端与承载部件接好，另一端穿过后盖上的导向密封部件后与拖块连接，并关闭后盖。发射预备时，注水均压打开前盖。发射时，直线电机通电驱动拖块工作，拖块带动拉索拖动承载部件推动武器在管内运动，当鱼雷向前运动时，海水从发射管管口进入武器后部进行补水。当武器管内运动到弹道结束点时，承载部件减速制动，武器与承载部件分离从而离开发射管。

这种发射方案可以有效避免现役潜艇发射过程中产生的水压力脉冲形成的流体冲击噪声、武器出管后的海水喷流噪声以及发射后艇内排气噪声等，可极大的降低发射噪声。而且由于发射装置关键部件直线电机安装在艇内，不仅避免了海水浸泡腐蚀以及短路等问题，还有利于对直线电机的维护和保养。

3 电动力拖曳式发射装置的总体方案

电动力拖曳式发射系统是采用直线电机中动子的动能作为发射能源的鱼雷发射装置［8］。发射管直径略大于鱼雷口径，由于需要在鱼雷尾鳍处施加电磁推力，因此有两种开槽方式，一种是在发射管内部开一导槽，以使拖块能够在导槽内平滑运动（见图1）。另一种是将拖块置于发射管内部（见图2），也就是将发射管底部的导槽加以修改，使拖块能在导槽内平滑运动。

电动力拖拽式发射系统主要由发射管体、鱼雷、拖块、滑索、直线电机等构件组成，该发射装置的工作原理：发射鱼雷时，直线电机的动子在定子上沿-x方向运动，而滑索另一端的拖块则沿x方向运动，拖块经鱼雷尾鳍下部的导子推动鱼雷以一定的速度出管。鱼雷出管之后，直线电机的动子沿x方向运动，通过滑索将拖块拉回初始位置，准备发射下一发鱼雷（见图3）。因此，电动力拖拽式发射装置主要依靠直线电机提供推动鱼雷出管的动力，发射过程简单，且不同于以往发射系统工作时会产生排气噪声、发射水缸脉动噪声，故该发射系统的发射噪声较低。

图1 拖块位于发射管外的发射装置总体方案

图2 拖块位于发射管内的发射装置总体方案

图3 发射装置工作原理示意图

4 发射动力系统方案

水下发射主要是重型鱼雷，故选取美国MK-48重型鱼雷的具体参数为参考。美国MK-48鱼雷直径为D=533mm，长度为L=5850mm，鱼雷质量为M=1582kg，质心位置x=3025mm。

4.1 直线电机推力要求

1）发射功率估算

鱼雷发射系统要求能在有限的距离内将鱼雷加速到发射的速度，要求直线电机将质量为M的某型鱼雷从静止加速到指定发射速度v0，加速时间为t，其中完全由直线电机来提供推力F，a是加速度，E为动能，P为功率，W是直线电机所做的功。所有阻力不计，该装置发射鱼雷的的运动过程可以描述为

由于发射过程中存在摩擦做功、附加海水质量做功［9］，因此需要将P扩大一定系数，这里选取系数μ1，即得到发射功率约为268kW。

2）鱼雷加速过程

由于鱼雷的质心位置为x，也就是说要在这段距离以及时间t内将鱼雷速度由0加速到v0，根据直线电机的特点，将鱼雷的加速运动描述为梯形模式（见图4）。

图4 鱼雷在发射管内加速过程

鱼雷的运动过程可粗略的描述为：0～t1内为变加速运动，加速度由0增大到a0；在t1～t2内为匀加速运动，加速度恒为a0；在t2～t内为变减速运动，加速度从a0降为0。由此，鱼雷的发射过程可描述为

因此为了使鱼雷出管速度不小于v0，鱼雷在发射管内位移不大于x，即满足v≥v0，s≤x。由此，可得直线电机提供给鱼雷加速的最大推力F。同理，对获得的鱼雷推力乘以系数μ2即可得到发射过程中直线电机需要提供的最大推力约为47.1kN。

4.2 永磁直线同步电动机总体结构方案

应用于电动力拖曳式鱼雷发射装置的永磁直线电机［10～12］要求推力大，瞬间速度高，故同步电机采用动磁式［13～15］的结构。由于双边直线电机是两个单边直线电机的组合［16～17］，因此能提供大推力，并且能有效规避单边磁拉力所带来的影响，因此考虑将双边直线电机作为电动力拖曳式鱼雷发射装置的动力来源。由于电动力拖曳式鱼雷发射装置发射鱼雷过程中，需要非常大的动力来源，对直线电机的供电要求也很高，因此采用单个双边直线电机作为鱼雷发射动力的方案有局限性。根据电机学基本原理，大功率的直线电机可由多个小功率的直线电机组合而成，这样就可以降低对直线电机的供电要求，也能提供所需动力，并且同时也降低了安装和维修的难度。因此，小功率直线电机的组合方式也是一个关键的问题。在总体结构上小功率直线电机的组合有三种实现方式，具体可分为单列多层、单层多列、多层多列组合。通过多个小功率直线电机用以上三种方式组合而成的大功率直线电机可以输出的动力更大［15］，其中小功率电机可以视为一个电机单元。

通过对上述三种组合方式的对比分析，综合考虑用于鱼雷发射场合的直线电机，可以采用多个小功率直线电机在三维空间上阵列组合而成的方式，即将大功率系统转化为一个个电机单元的组合，在最终设计方案中加入恰当的控制方式，将达到电动力拖曳式鱼雷发射装置所要求的工作效果。因此，采用上述方式组合而成的大功率直线电机，在研究其直线电机结构性能的时候，可以以单个电机单元为研究对象。根据电机学原理，增加动子的长度，或是增加定子的叠片厚度，均能提高直线电机所能产生的推力。

4.3 定子驱动绕组方案

为了便于直线电机的安装和维修，直线电机在总体结构上可采用三维空间上阵列组合而成的方式，除此之外，还可以将单个的电机单元模块化，并且将其中的定子结构进行模块化设计，这样的结构有利于提高电机的工作性能，例如：定子上的任何一个线圈在出现故障的情况下都可以方便地进行更换，而不影响其它定子齿和绕组的工作。因此，对电机单元内部结构的模块化，能够在电机某一部分出现故障的情况下，不会使整个动力系统完全瘫痪，问题如能得到及时的处理，系统仍然可以维持工作状态，从而维持鱼雷发射装置的工作状态稳定。

将定子结构模块化设计，首先要研究定子的绕组方式，定子绕组有分布式和集中式两种，为了降低电机加工和装配的难度，提高功率密度，故采用集中绕组方式。其次，集中绕组有分数槽和整数槽［18］之分。集中绕组整数槽的典型结构有4极6槽，6极9槽，8极12槽；集中绕组的分数槽的典型结构有8极9槽，22极21槽，22极24槽。为了探究适合于电动力拖曳式鱼雷发射装置的直线电机的定子绕组类型，下面分别对8极12槽的整数槽结构和8极9槽的分数槽绕组结构进行分析，这两种典型的绕组结构中极对数均为4，故有利于进行计算和分析比较，从而得出可靠的结论。

1）8极9槽的分数槽结构分析

以直线电机8极9槽的槽极配合方案为研究对象，对集中绕组分数槽进行分析。其中，极对数为p=4，定子槽数为Z=9。根据绕组因数的计算原理，于是8极9槽直线电机可根据以下方程计算绕组因数：

式中：y为绕组节距；α为相邻两槽电动势的电角度；τ为极距；q为电机的每极每相槽数；Kp1为绕组的节距因数；Kd1为绕组的分布因数。由于定子的绕组因数由节距因数和分布因数共同决定。根据已知参数，定子绕组因数为

2）8极12槽的整数槽结构分析

以直线电机8极12槽的槽极配合方案为研究对象，进行集中绕组整数槽的分析。其中，极对数p=4，定子槽数Z=12。于是该绕组的每对极槽数，可以根据以下公式：

式中：y1为节距系数，同理可得，8极12槽电机的定子绕组因数：

由于Kd1p1大于Kd2p2，集中绕组整数槽结构的绕组因数更高，集中绕组分数槽的绕组利用率更高。但是，为了达到直线电机在模块化设计下的安装和更换要求，集中绕组分数槽直线电机显然不满足要求，集中绕组整数槽直线电机在动子长度上的改变更加便捷。此外，根据三相集中绕组连接图可知，整数槽集中绕组绕线方式较简单，也将有效提高发射系统的可靠性。综上所述，针对鱼雷发射的应用场合，直线电机选用集中绕组整数槽结构。

5 双边永磁直线同步电机推力计算

由于电动力拖曳式鱼雷发射装置应用于高速场合，故线圈匝数选取为1匝。考虑到电机在大功率的场合将受到侧向力的作用，因此为了提高装置工作的平稳性的可靠性，永磁体采用嵌入式安装。

表1 永磁直线电机的设计尺寸

依据表1的数据建立双边永磁直线同步电机的仿真模型，并对双边永磁直线电机推力进行计算［19］，其中极对数p=4，给电机的三相绕组加载三相正弦电流，得到电机在不同安匝数时的推力情况。

给电机加载不同的电流，得到电机在不同安匝数下的推力值，如图5所示，显然电机的推力随着安匝数的增加而增大，但是最终将趋于平稳。表2是在电流为1000A，不同极对数情况下推力情况。从表中看出，推力随极对数的增加成倍数增长。

图5 推力-安匝数曲线

表2 推力-极对数关系表

运用最小二乘法对表2的数据进行拟合，得到曲线的拟合方程为：

从式（24）可以看出，安匝数一定，推力正相关于极对数p，也就是说p对极动子产生的推力是一对极电机产生推力的p倍。

综合上述分析，直线电机所产生的推力与电机极对数成正比，电机的输出功率又与定子的叠片厚度成正比，因此，为了满足电动力拖曳式鱼雷发射装置所需的推力要求，确定定子叠片厚度为800mm，动子长度为720mm，安匝数为2000，极对数为8，给电机加载三相正弦电流，所产生的推力可达到46.1kN。根据上述第4节的计算，电动力拖曳式鱼雷发射装置在发射鱼雷时需要提供47.1kN的推力，为了满足发射鱼雷的要求，可以通过增加定子叠片厚度，或者采用多列排布的方式，达到推力要求，在上述方案的基础上，可将小功率直线电机成3列排布，当给电机通入2000NI的电流时，永磁直线电机可以产生64kN的推力，已经远超出所需推力的大小。因此，在电动力拖曳式鱼雷发射装置中采用永磁直线电机能够满足鱼雷发射要求。

6 结语

为了对电动力拖曳式发射装置发射动力进行研究与分析，提出了电动力拖拽式发射装置总体方案，确定以永磁直线电机作为动力来源。根据鱼雷出管速度要求，确定了发射功率为300kW，直线电机需提供的最大推力为47.1kN，直线电机定子长度至少为4900mm。通过对永磁直线同步电动机总体结构的分析，以及对鱼雷发射的应用场合的综合考虑，确定了直线电机在总体结构上采用多层多列的组合方案，定子绕组选用集中绕组整数槽结构。在此基础之上，计算了双边永磁直线同步电机的推力，为满足发射需求，直线电机可成3列排布，给电机通入2000NI的电流，直线电机可以产生64kN的推力。因此，直线电机作为电动力拖曳式鱼雷发射装置的动力来源，在理论上满足鱼雷发射要求。