תכנון חשמל להנעה עבור כלי רכב תת-ימיים בעלי ביצועים גבוהים

מבוא לחשמל הנעה לרכבים תת-קרקעיים

תכנון מערכות הנעה חשמלית עבור כלי רכב תת-ימיים בעלי ביצועים גבוהים דורש איזון מדויק של כוח, יעילות ואמינות באחד מהסביבות הבלתי נסלחות ביותר על פני כדור הארץ.בניגוד לכלי פני השטח, כלי רכב תת-קרקעיים חייבים לפעול תחת לחץ הידרוסטטי עצום, במי מלח קורוזי, ולעתים קרובות עם יכולת מוגבלת להחזיר את רמת האנרגיה המסורתית או הנטורציה חשמלית התפתחה כפתרון הדומיננטי עבור פלטפורמות תת-ימיות; החל ממהירויות נמוכות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות נמוכות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות גבוהות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות גבוהות יותר ויותר, בהשוואה לצוללות פנימיות, בהשוואה למהירויות נמוכות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות נמוכות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות נמוכות יותר ויותר, למהירויות גבוהות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות גבוהות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות גבוהות יותר ויותר, למהירויות גבוהות יותר ויותר, למהירויות גבוהות יותר ויותר, למהירויות גבוהות יותר ויותר, בהשוואה למהירויות גבוהות יותר ויותר, בהשוואה לצוללות פנימיות נמוכות יותר ויותר, לצוללות גבוהות יותר ויותר, למהירויות גבוהות יותר ויותר, למהירויות גבוהות יותר ויותר, בהשוואה לצמצום של אנרגיה נמוכות יותר ויותר, בהשוואה לצמצום של אנרגיה נמוכות יותר ויותר, לצמצום של אנרגיה, לצמצום של אנרגיה, למהירויות גבוהות יותר ויותר, לצמצום של אנרגיה, למהירויות גבוהות

המעבר לכיוון הנעה חשמלית מונע על ידי התקדמות מהירה כימאים סוללות, טכנולוגיה מוטורית קבועה מגנטית ומערכות בקרה דיגיטליות. מהנדסים עכשיו עיצוב יחידות הנעה עיצוב שגרתית שיכולה לספק כוח שיא בהתפרצויות קצרות לתמרון מהיר תוך שמירה על יעילות השייט מעולה עבור סיבולת מורחבת. מאמר זה חוקר את רכיבי הליבה, עיצוב מסחר-offs, פריצות דרך טכנולוגיות אחרונות, ומגמות עתידיות המגדירות את מצב האמנות במניעה חשמלית.

מערכות הנעה חשמלית

כל מערכת הנעה חשמלית לכלי תת-ימית מורכבת משלושה תת-מערכות עיקריות: המנוע, מקור הכוח, ואלקטרוניקה הבקרה.כל אחד חייב להיות מונדס כדי לשרוד תנאים עמוקים-ים תוך כדי למקסם את הדחף לנפח ולמשקל.

מנוע חשמלי: Thrust ו-Efficiency

המנוע החשמלי הוא הלב של מערכת ההנעה.עבור כלי רכב תת-ימיים, ההתנצלות מוטורית הנפוצה ביותר הם DC ללא מברשת (BLDC) ומנועים סינכרוניים קבועים (PMSM) אלה מציעים צפיפות כוח גבוהה, יעילות עומס חלקי מעולה, תחזוקה מינימלית כי הם חסרים מצחצחים כי ללבוש לייצר פסולת.

חידושים אחרונים כוללים את השימוש של FLT:0 ;0 ; ייצוב מגנטיות מגנטיותFLT ( 1:1 ו- FLT:2concentrated WindingsFLT 3) כדי להפחית את התוספת של קוץ ולשפר את הפעולה חלקה במהפכה נמוכה. Winding insulation מערכות הם גם קריטי &mash; ממריצים מקודמים ומקשרים למנוע מים בטווח של עד 6,000 מטרים, אפילו יותר ממטרים.

מקורות חשמל: סוללות ומעבר

סוללות ליתיום-יון הן מקור הכוח הסטנדרטי של רוב כלי הרכב החשמליים התת-ימיים. צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם (בדרך כלל 150–250 מחזורי Wh/kg ברמת החבילה) מאפשר תקופות משימה מעשית של 12 עד 48 שעות עבור בינוני AUVs. .FLT:0Lithium Iron פוספט (LFP) 1 ו-FLT:2lithalth manbalium 500nbnbn) הם בעלי השפעה גבוהה יותר (Fernbnbn) ו-Fly) אשר ניתן להשתמש ב-R5nbsp; 5)

טכנולוגיות אחסון אנרגיה מתפתחות, כגון FLT:0 ulfurFeloerph1 ו-FLT:2solid-state סוללות FLT 3, מבטיח להכפיל או משולש צפיפות אנרגיה ניתן להשגה. במקביל, מחקר לתוך FLT:4hydrogen דלק תאים פליט:5 עבור כלי רכב תת-ימיים הוא צובר, במיוחד עבור גדול ולא מאוישים כי הם זקוקים לפלטפורמות מימן גבוהות, אך ורק היום, אך מציעים מורכבות גבוהה של דלק.

מערכות בקרה: עדיפות ואופטימיזציה

(הופנה מהדף הבקרה הנטועה המודרנית (FOC) עובר הרבה מעבר לתקנות מהירות פשוטות, הם משלבים את השליטה המוכוונת:0 (FOC)FLT:1 אלגוריתמים כדי להשיג שליטה מדויקת ומהירה עם ripple מינימלי.com מנהלים גם זרימת אנרגיה בין הסוללה, המנוע, עומסי על הסיפון, לעתים קרובות באמצעות FLT:2 בקרת חיזוי מודלים (MPC)F3, או FLT5 מייעל בתנאי לוגיקה שונים:

כלי רכב רבים בעלי ביצועים גבוהים כיום מעסיקים את FLT:0 (האדריכלות המופצת של ה-FLT:1), שבו מספר רב של דחף נשלטים באופן אינדיבידואלי כדי לאפשר תנועה הורמונלית & mdash;surge, sway, heave, yaw, te, sw, tch, roll & mdash; ללא צורך במגרעות או ירידה בדמית.

שיקולים עיצוביים

פיתוח מערכת הנעה חשמלית יעילה דורש איזון מטרות מתחרות.הגורמים הבאים הם מרכזיים לכל מאמץ עיצוב.

הכחשת אנרגיה וניהול כוח

(הכרך הסופי של רכב hull כוה גבול נוקשה על יכולת הסוללה.מעצבים חייבים לסחור בזהירות בין גודל הסוללה, מסה מטען, ו-buoyancy. High- Energy תאים לעתים קרובות יש משלוח כוח עליון נמוך יותר, כך מערכות רבות משלבות בין FLT:0ultracapacicapers FLT:1 או FLT:2 supercapaciureators 3FLT כדי להתמודד עם מכשולים קצרים או מאיץ חשמלי:

ניהול סוללות הוא גם חשוב.תחת שיעורי פריקה גבוהים, תאי ליתיום-יון לייצר חום כי אם לא מתפזר, יכול להוביל להזדקנות מואצת או מפלט תרמי:0 ליקוויד קירור לולאות קירור (ראה FLT:1 באמצעות מי ים או קירור דיאלקטרי משולבים לעתים קרובות ישירות לתוך המתחם הסוללה, במיוחד עבור כלי רכב עמוקים שבו ambient מספקת מים קרים וחום טבעי.

יעילות הידרודינמיקה

(ה) צורתו של הדחף והדחף (הההתחנית) משפיעה באופן דרמטי על הכוח הנדרש לעבור דרך המים (FLT:0Turbulent FlowFLT:1 סביב נספחים יכול לבזבז עד 30% של אנרגיה אינטגרטיבית.מעצבים משתמשים ב-FLT:2computational נוזל (CFD) LT 3 כדי לייעל צורות נמוכות ולהפחית את הדחף לכדי אימפולסיבי של קיבולת מקסימלית של 10 עד 4.

עבור כלי רכב חייב לפעול הן במהירויות נמוכות והן גבוהות, FLT:0variable-pitch DrivelerssscioFLT 1 או FLT:2 שליטה על להבים טבול 3:3 לאפשר למערכת ההנעה לשמור על יעילות אופטימלית בטווח מהירות רחב.

תגיות: Durability and Corrosion Resistance

(ב) יש לעמוד בחשיפה מתמדת למים ולזרעים; באלקטרוליט אגרסיבי מאוד (FLT:0) פלדות ללא הפסקות (FLT:1) (במיוחד 316L ו- duplex ציונים), LT:2titanium ⁇ sor) מונעות מסגסוגת CatLT-3, ו-FLT:4nickel-alnum ברונזהFLT:5 הם עבור דיור סטנדרטי, מונעים, חסימת מים, אך הם זקוקים לציפויים, אך ורקדבנים ממושכים, אך ורקדבנים ממושכים, ומזהמים, ומניעים יותר ויותר מורכבים, והם מפולניים, ומניעים את העלולים לטיפוסים, ומניעים יותר ויותר מפולניים.

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניהול ארס

מנועים חשמליים ואלקטרוניקה כוח יוצרים חום שיש להסיר כדי למנוע דה-מגנטיזציה של מגנטים קבועים וכישלון של מתגי מוליכים למחצה.בכלי תת-ימיים, המים הסובבים מספקים כיור חום מעולה, אבל נתיב העברת החום חייב להיות מתוכנן בקפידה.

ניכוי Noise and Acoustic Signature Reduction

(ב) ליישומים צבאיים ומדעיים, נקנת אקוסטית היא קריטית.חשמל מנועים מייצרים פחות רעש מאשר מנועי הבעירה פנימית, אך הם עדיין מייצרים רטט מכוחות אלקטרומגנטיים, תוך שימוש בתבניות, ו cavitation. Designers להשתמש ב-FLT:0skeed magnetsuresssserderation: 7.comdowsivesives (מספקים) לשיטות של תפוצה גבוהה יותר של תפוצה מלאה של חומרים מקודמתיקים, כולל: 7.

ביצועים טכנולוגיים

בשנים האחרונות ראו כמה חידושים שדוחפים את הגבולות של מה שנטוע חשמלי תת-ימי יכול להשיג.

מגנטים קבועים בעלי טווח גבוה

השימוש במגנטים של ⁇ FLT:0 (Nodymium-iron-boron או samarium-cobalt) אפשר מנועים עם שיניים torque מעל 20 Nm / ק"ג. NewFLT:2fract-slot-winding (FW)LTP3), להפחית את הטמפרטורות הנחושות מעל 20 nm / ק"ג.

מחקר שפורסם ב- IEEEעסקאות על תחבורה ElectrificationFLT:1 הראה מנוע מתחת למים 50 קילוואט עם צפיפות כוח gravimetric של 3.5 קילוואט / ק"ג, הרבה יותר עיצובים קונבנציונליים.קבוצה זו של מנוע מאפשרת AUVs קטנים לשאת יותר חיישנים או סוללות עבור אותו נפח.

סוללות מתקדמות Chemistries

בעוד ליתיום-יון נשאר דומיננטי, סוללות הדור הבא נכנסות לשלבי אבטיפוס (FLT:0Lithium-sulfur תאים ראשיים FLT:1 מציעות צפיפות אנרגיה תיאורטית של 500 Wh / ק"ג, עם חבילות מעשיות להגיע כעת 350 יישומים Wh / ק"ג.הם קלים יותר לשימוש בחומרים רעילים פחות, אבל מחזור החיים נשאר אתגר (בדרך כלל 100-200)

שליטה חכמה Algorithms

למידת מכונות הופכת את השליטה הנטועה.FLT:0 סוכני למידה כוח אדם 1Feloment: יכול ללמוד מהירות אופטימלית וחלוקת כוח על פני מספר רב של דחף בזמן אמת, להסתגל לשינויים הידרודינמיקה וסדרי עדיפויות המשימה.מערכות אלה יכולות גם לחזות כשלים רכיב על ידי ניתוח של ספקטרום הרטט וחתימות נוכחיות, המאפשרים תחזוקה חיזוי.

Fluid Dynamics in Design

CFD הפך לחלק בלתי נפרד של מחזור העיצוב.דמיות נאמנות גבוהה יכול מודל האינטראקציה בין הרכב hull, דקטרי דחף, ומניער מתעורר, ומאפשר למהנדסים להפחית ולשפר את היעילות הדחף לפני בניית אבטיפוס.FLT:0Multi-Physical סימולציהFLT:1 שילוב של אלקטרומגנטי, דינמיקות תרמיות, ונוזליות עוזר אופטימיזציה ביצועים מוטוריים עבור גיאומטריה ומיומנויות קירור אלה.

יישומים ברחבי דומיין תת-קרקעי

הנעה חשמלית מאפשרת משימות ויכולות חדשות ברחבי כל ספקטרום הרכב התת-ימי.

רכבי תת-קרקעי אוטונומיים (AUVs)

(ה- AUVs מסתמכים לחלוטין על הנעה חשמלית המופעלת על ידי סוללות, בדיקה ומשימות מדע.ה-FLT:0) ו-Horusods Hole Oceanographic InstitutionFLT:1 חלוצי AUVs ארוך טווח כמו REMUS ו- Sentry כלי רכב, אשר משתמשים בסוללות ליתיום-יון ומנועים מברשות יעילים להשגת 20 שעות בעומקים ל-6,000 מטרים:

רכבי רכב מאוגדים מרחוק (ROVs)

ROVs ממעמד הפועלים דורש דחף חשמלי חזק לתפעל ציוד כבד ולשמור על מיקום בזרם הנוכחי (FLT:0) Hydraulic דחףs ראשי תיבות של Hydraulic דחףFLT:1 באופן מסורתי שלטו על התחום הזה, אבל כל ה-Vs החשמליים מתעוררים, מונעים על ידי שיפורים בטכנולוגיית מנוע וסוללה.

צוללות מאוישות וספינות צבאיות

(הופנה מהדף צוללות מחקר וצוללות צבאיות, יותר ויותר להשתמש במניעה חשמלית ככונן העיקרי שלהם:0) צוללות תלויות באוויר (AIP)3Rō 1 מערכות עבור צוללות קונבנציונליות לעתים קרובות זוג דיזל עבור סוללות / ריאה שנויות במחלוקת על פני השטח / נורקל עם בנק גדול לריצה תת-מימית עם תאים חשמליים או מתקדמים הם לעתים קרובות זוג של סוללות: ALT2F:

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

העשור הבא יביא שינויים עמוקים בטכנולוגיית ההנעה החשמלית התת-ימית.

הבא: אחסון אנרגיה

מעבר לסוללות, תאי דלק הידרוג'וגן 1FLT1 עם אחסון מימן מוצק-מדינתי (למשל, הידרו-ידידים) יכולים לספק נחיתות אנרגיה שלוש עד חמש פעמים של ליתיום-יון תוך חיסול הצורך בטנקים ממומנים דחוסים למחצה, אם כי קבוצות מחקר מסוימות הן חקרו את FLT:2amm-based דלק מבוסס דלק רב-פלומה 3, כי סדק מימן וגרם לדחיסה של אנרגיה גבוהה, אם כי הוא גם כן, אם כי הוא מציע צריכת דלק מגנטית חשמל מגנטית שומן, 5, אם כי הוא עדיין מכיל לחץ דם בלחץ גבוה, אם כי הוא עדיין מכיל טיפול נמרץ, אם כי הוא מכיל טיפול ב-DFLT5, אם כי הוא עדיין פועל על ידי שימוש ב-D.

המונחים:

(הופנה מהדף הפיכה אינדוקטיבית (IVs) יכול לאפשר ל- AUVs לטעון ללא משיכה, להאריך את משך המשימה ללא הגבלת זמן. תחנות דו"ח על קרקעית הים או על buoys מתחת למים יכול להעביר קילווואט של כוח על פני פערים קטנים.מערכות מתקדמות להשתמש ב-FLT:0resonant inducingtive Transducing FLT:1 עם היערכות אוטומטית ואובייקט זר.

דברים מלאים ו-Surrm Propulsion

ככל שמערכות אוטונומיות הופכות ליותר יכולות, מערכות הנעה יצטרכו להסתגל להתנהגויות שיתופיות (FLT:0Swarm PropulsionFLT:1 כרוך בקבוצות של כלי רכב קטנים המסדירים את התנועות שלהם כדי להשיג משימות כגון מיפוי רחב-שטחי או חיפוש רשת.כל כלי רכב ’ בקר הנטומנטציה חייב להגיב לפקודות דינמיות מהמתאם הנחילה תוך שמירה על אנרגיה היברידית שמשלבת בין שני פולשים (Fercreativestative) לבין יעילות חשמלית (Fertretercretercretercreative) לבין יעילות חשמלית (Fercretretretretretercretative) ו-Fercretretretretretretretretreative).

מסקנה

הנעה חשמלית עבור כלי רכב תת-ימיים בעלי ביצועים גבוהים התפתחה מטכנולוגיית נישה ועד עצם של פעולות תת-ימיות מודרניות.התקדמות במנועים, סוללות ומערכות בקרה ממשיכות לדחוף את גבולות הסיבולה, המהירות ויכולת העומקה. מעצבים חייבים לנווט רשת מורכבת של עצירות מעורבים בדחיסות אנרגיה, הידרודינמיקה, חומר, ואקוסטיקה כדי ליצור מערכות שיכולות לפעול באופן אמין באוקיינוס העמוק כמו מהנדסים בעלי יכולת גבוהה יותר, כגון סוללות חשמליות, כמו אלה, כמו גם סוללות מוצקות, כגון סוללות חשמליות, כמו גם, כגון סוללות בעלות עוצמה, כגון, כגון סוללות מוצקות, כגון סוללות חשמליות, ואווירה, ואוויר, כמו גם סוללות מוצקות, כגון סוללות חשמליות, כגון סוללות מוצקות, כמו אלה, ואוויר, ואווירה, כגון סוללות, ואווירה, ואווירה, יכולות גבוהות יותר, כמו אלה, כגון: