陈虎点兵:永磁电机降噪有限,重要贡献另在他处

新华社

2017-11-04 11:25

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新华社北京11月3日电,前几天中国第一台完全自主知识产权的永磁电机试车成功,引起了很多媒体和军迷网友的关注,大家都在关心永磁电机技术突破之后,潜艇会有哪些性能上的提升。
有些军迷网友和媒体说永磁电机和传统的励磁电机相比噪音更小,永磁电机的使用将使中国的潜艇更加安静。
安静性是潜艇最关键的指标,如果永磁电机真的使潜艇的噪音大幅度降低,这无疑是一个巨大的进步。可是这真的能实现吗?这就要从永磁电机本身说起了。
学过中学物理的人都知道,电机能够运转是因为两个磁场相对的作用,这里头就包括了定子和转子,也就是定子要有一个磁场,转子上也要有一个和定子相反的磁场,转子的磁场怎么产生呢?我们知道电可以生磁,所以说传统的电机是在转子上绕上一大堆电线,术语叫做线圈绕组,通过线圈产生磁场,因为这个原理,这种传统的电机又被叫做励磁电机。而永磁电机用大型的永磁磁体替代了线圈绕组,转子的磁场不是通过电机产生的,所以叫永磁电机。
美国“海狼”级潜艇。资料图
对永磁电机来说,转子的线圈绕组和电刷都没了,这意味着结构更加简单,尺寸上可以有较大幅度的缩小。另外没有了线圈绕组,运行时电流通过线圈绕组产生的电流嗡嗡声就会大幅降低,这就是永磁电机降低噪音的原因。
永磁电机和励磁电机相比,还有其它的一些重要优势。它在低输出的时候,效率会更高,因为它不需要电流励磁这一部分的消耗,所以它的总体运行效率也会更高一些。
研发运用永磁电机的难点在什么地方呢?永磁电机早就有,但是永磁电机尺寸小的好做,尺寸大的不好做,因为需要足够大和足够强磁场的永磁体,才能做成输出功率足够大的电机。
另外,永磁体的磁场会随着时间减弱,特别是在极端的情况下,例如高温、低温这样的情况下,永磁体的磁场会出现永久性的减弱。而潜艇的主电机如果用永磁电机的话,就要有相当的技术水平。
永磁电机究竟可以给潜艇带来哪些提升?所谓使潜艇更安静这种说法,更多的是媒体和网友们的误解。如果到网上查一查会发现永磁电机噪音低确实是事实,因为电流声没有了,但是这种声音对于潜艇降噪来说,几乎是可以忽略不计的,对潜艇来说,噪音更主要来自于潜艇内部机械部分的震动。
看起来漂亮的螺旋桨空泡是潜艇噪声的罪魁祸首之一。
励磁电机的噪音水平就好像在潜艇当中大声说话一样,声音是传不到艇外的,或者说传到艇外的震动可以忽略不计。所以网传永磁电机可以大幅降低潜艇噪音是一种误解。
对安静性没有大的提升,它的好处究竟体现在哪儿呢?首先体现在重量和体积的缩小。以需要跑20节以上的潜艇为例,以往潜艇的主电机可能需要7200-7500马力,如果用直流电机的话,重量大概要有七八十吨,往小点说也得六七十吨,长度可能会有七八米,形象点说,它的体积大概和一个中巴车差不多大。
俄罗斯海军基洛级潜艇。 资料图
如果说使用永磁电机的话,重量减轻和体积缩小,显然会给潜艇的设计总布置带来很多好处。
永磁电机另一个特别值得关注的优势,在于它的可靠性大幅度提高,在低输出时效率的提升也有很大的意义。
潜艇的电机,有时要跑高速,有时又要跑低速,最佳效率点是设在高速上还是设在低速上,这个很难平衡。过去的潜艇可能会有两台电机甚至更多的电机,这个是充分考虑了低速的效能和高速效能以及可靠性的因素。
像老的俄罗斯基洛级潜艇,它的动力电机有三台,一个主电机,一个经航电机,还有一个备用电机,要这么多电机主要为了解决大输出和小输出效率的问题,同时还要解决可靠性的问题。对于永磁电机来说,它总体的工作效率提高了,同时低输出时候的效率有极大的改善,这样一来经航电机就可以取消了。而且它的可靠性大幅提升,那么备用电机是不是也就可以取消了呢?这对潜艇的设计显然有很大帮助。
德国德意志造船厂码头上,一艘挂埃及国旗的新型209级1400M潜艇正在举行移交仪式。2011年埃及向德国购买了两艘209型常规潜艇。
国外的常规潜艇,最高航速可以跑到20节、21节,这些潜艇的主电机,4000多马力、5000马力,撑死了6000马力,怎么算也算不出来它是如何跑到20节以上的。其实这是国外的设计者搞的小猫腻。这是因为潜艇采用了双速制,正常航行的时候,跑到15节、16节,这时使用的是主电机的最大功率。想跑到20节,短时间想冲一下,就采用超负荷运行的方式,一个4000、5000马力的电机,可以超负荷运行60%,甚至80%,这时就可以跑到20节、21节,当然这个超速运行的时间不能太长,因为超负荷运行电机会发热,长时间的发热会烧毁线圈绕组和电刷。所以高速度前提就是时间很短。
早期德国209型潜艇的航速有21节,但在实际使用当中它只能以21节的航速跑十分钟,就是因为这个原因。永磁电机和励磁电机相比,它没有了转子的线圈绕组和电刷,发热烧毁的几率将会大大降低。使用永磁电机,超负荷运行的时间,将会大大的增加。
从励磁电机到永磁电机,这是潜艇主动力电机的一个不小的进步。当然了,潜艇总体性能的提升,是由许许多多这些子系统、分系统的技术进步和提升综合带来的结果,单纯的一个永磁电机不可能把一艘潜艇变成神器,但是许许多多像永磁电机这样的进步累计起来,就有可能把潜艇打造成一个神器。
永磁电机这样的技术进步,显然是可喜的,同时我们还需要更多这样的技术进步累加起来,才会使潜艇性能变得更加先进,才能真正把潜艇变成神器。
(原题为《陈虎点兵:永磁电机将为中国潜艇性能带来哪些提升》)
责任编辑:杨一帆澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 中国潜艇

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