Table of Contents

Введение в электрическое движение для подводных транспортных средств

Проектирование электрических двигательных систем для высокоэффективных подводных аппаратов требует точного баланса мощности, эффективности и надежности в одной из самых неумолимых сред на Земле. В отличие от надводных судов, подводные аппараты должны работать под огромным гидростатическим давлением, в коррозионной соленой воде и часто с ограниченной способностью пополнять запасы энергии в середине миссии. Электрическая тяга стала доминирующим решением для современных подводных платформ — начиная от небольших автономных исследователей до больших пилотируемых подводных лодок — из-за его бесшумной работы, высокого крутящего момента на низких скоростях и все более конкурентоспособной плотности энергии по сравнению с традиционными системами внутреннего сгорания или гидравлическими системами.

Сдвиг в сторону электрического движения обусловлен быстрыми достижениями в области химии батарей, технологии двигателей с постоянными магнитами и цифровых систем управления. Инженеры теперь регулярно разрабатывают силовые установки, которые могут доставлять пиковую мощность короткими всплесками для быстрого маневрирования при сохранении отличной эффективности круиза для расширенной выносливости. В этой статье рассматриваются основные компоненты, компромиссы в дизайне, недавние технологические прорывы и будущие тенденции, которые определяют состояние техники в подводном электрическом двигателе.

Основные компоненты электрических двигательных систем

Каждая электрическая двигательная установка для подводных аппаратов состоит из трех основных подсистем: двигателя, источника питания и управляющей электроники. Каждая должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать глубоководные условия при максимальной тяге на единицу объема и веса.

Электродвигатели: сила и эффективность

Электродвигатель является сердцем двигательной системы. Для подводных транспортных средств наиболее распространенными топологиями двигателей являются бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC) и синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM). Эти конструкции предлагают высокую плотность мощности, отличную эффективность частичной нагрузки и минимальное техническое обслуживание, поскольку им не хватает щеток, которые износятся и производят мусор. Высококрутящие, низкоскоростные двигатели предпочтительнее для конфигураций с прямым приводом, устраняя необходимость в редукционных передачах, которые вводят механические потери и шум.

Последние инновации включают использование магнитных устройств с массивом халбаха и , концентрированных обмоток , чтобы уменьшить крутящий момент прокладки и улучшить плавную работу при низких оборотах. Системы изоляции от обмотки также являются критически важными; пропитанные эпоксидной герметикой статоры и герметичные соединители предотвращают попадание воды даже на глубинах, превышающих 6000 метров. Хорошо спроектированный двигатель может достичь эффективности выше 95% в широком рабочем диапазоне, что непосредственно увеличивает продолжительность миссии.

Источники энергии: батареи и за их пределами

Литий-ионные батареи являются стандартным источником питания для большинства подводных электромобилей. Их высокая плотность энергии (обычно 150-250 Втч / кг на уровне упаковки) позволяет практические продолжительности миссии от 12 до 48 часов для средних AUV. Литий-железный фосфат (LFP) и литий-никелевый марганцевый кобальт (NMC)] обычно используются химические вещества, с LFP, предлагающие лучшую термостабильность и NMC, обеспечивающие более высокую удельную энергию. Для очень длительных миссий на выносливость, некоторые транспортные средства интегрируют литий-основные элементы (не подзаряжаемые), которые могут доставлять до 500 Втч / кг, хотя и по более высокой цене и с ограниченными рабочими циклами.

Новые технологии хранения энергии, такие как литий-серные и твердотельные батареи , обещают удвоить или утроить пригодную для использования плотность энергии. Параллельно исследования водородных топливных элементов для подводных транспортных средств набирают силу, особенно для больших беспилотных и пилотируемых платформ, которые нуждаются в многодневной стойкости. Топливные элементы предлагают высокую плотность энергии и тихую работу, но они вводят сложность в системы хранения водорода и управления водой.

Системы управления: точность и оптимизация

Современные системы управления движением выходят далеко за рамки простого регулирования скорости. Они включают алгоритмы управления (FOC) , ориентированные на поле, , для достижения точного управления крутящим моментом и скоростью с минимальным пульсом. Расширенные контроллеры также управляют потоком энергии между батареей, двигателем и бортовыми нагрузками, часто используя модель предиктивного управления (MPC) или нечеткую логику для оптимизации эффективности в различных условиях нагрузки.

Многие высокопроизводительные транспортные средства теперь используют распределенные силовые установки , где несколько двигателей управляются индивидуально, чтобы обеспечить голономное движение & mdash; всплеск, качание, хейв, рыскание, шаг и крен; без необходимости рулей или погружения плоскостей. Этот подход улучшает маневренность в сложных подводных средах, таких как коралловые рифы, подводные структуры или загроможденные гавани. Система управления также должна обрабатывать диагностику в реальном времени, обнаружение неисправностей и грациозную деградацию, если двигатель выходит из строя.

Ключевые соображения дизайна

Разработка эффективной электрической двигательной установки требует балансировки конкурирующих целей. Следующие факторы являются центральными для любых усилий по проектированию.

Энергоемкость и управление мощностью

Конечный объем корпуса транспортного средства накладывает строгое ограничение на емкость батареи. Конструкторы должны тщательно торговать между размером батареи, массой полезной нагрузки и плавучестью. Высокоэнергетические элементы часто имеют более низкую пиковую мощность, поэтому многие системы включают в себя ультраконденсаторы или суперконденсаторы для обработки коротких скачков во время ускорения или избегания препятствий. Электроника управления питанием, включая DC-DC преобразователи и регенеративные тормозные схемы , помогают восстанавливать энергию во время замедления или при спуске в колонках воды.

Термическое управление батареями также имеет первостепенное значение. При высоких скоростях разряда литий-ионные элементы генерируют тепло, которое, если не рассеивается, может привести к ускоренному старению или тепловому бегству. Жидкие петли охлаждения с использованием морской воды или диэлектрических охлаждающих жидкостей часто интегрируются непосредственно в корпус батареи, особенно для глубоководных транспортных средств, где окружающая вода холодная и обеспечивает естественное погружение тепла.

Гидродинамическая эффективность

Форма корпуса и воздуховодов резко влияет на мощность, необходимую для перемещения через воду. Турбулентное разделение потока вокруг придатков может тратить до 30% движущей энергии. Вычислительная гидродинамика (CFD) для оптимизации форм корпуса для низкого сопротивления и формирования форсунок двигателя для максимальной тяги на единицу мощности. Рулевые двигатели с крутящим моментом , где ротор двигателя интегрирован в стенки воздуховода, устраняет концентратор и снижает турбулентность будки, повышая эффективность на 10-15% по сравнению с обычными пропеллерами.

Для транспортных средств, которые должны работать как на низких, так и на высоких скоростях, винты с переменной частотой вращения (FLT:0) или управляемые лопасти (FLT:2) позволяют двигательной системе поддерживать оптимальную эффективность в широком диапазоне скоростей. Однако эти механизмы добавляют сложность и потенциальные точки отказа, поэтому многие дизайнеры предпочитают электрический привод с переменной скоростью для простоты.

Прочность материала и устойчивость к коррозии

Подводные компоненты должны выдерживать постоянное воздействие морской воды и чрезвычайно агрессивный электролит. Нержавеющие стали (особенно 316L и дуплексные марки), титановые сплавы и никель-алюминиевые бронзовые являются стандартными для валов, корпусов и пропеллеров. Для критически важных по весу деталей все чаще используются волоконно-укрепленные полимерные композиты с коррозионно-стойкими покрытиями, хотя они требуют тщательной герметизации для предотвращения попадания воды. Системы катодной защиты, такие как жертвенные аноды или импрессованный ток, часто интегрируются для предотвращения гальванической коррозии между непохожими металлами.

Тюлени и пробоины являются еще одной серьезной уязвимостью. Уплотнения для губ , Механические уплотнения для лица и Магнитные муфты используются для изоляции внутренних частей двигателя от морской воды. Магнитные муфты позволяют передавать крутящий момент через герметичную стенку без проникновения вращающегося вала, устраняя первичный путь утечки. Хотя они вносят некоторую потерю эффективности, повышение надежности часто стоит для глубоководных транспортных средств.

Термический менеджмент

Электродвигатели и силовая электроника генерируют тепло, которое должно быть удалено, чтобы предотвратить демагнетизацию постоянных магнитов и отказ полупроводниковых переключателей. В подводных аппаратах окружающая вода обеспечивает отличную теплоотвод, но путь теплопередачи должен быть тщательно спроектирован. Холодные пластины с водяным охлаждением , установленные на корпусах двигателей и модулях питания, являются обычным явлением. Для экстремальных глубоководных условий (давления, превышающие 1000 бар), некоторые системы используют , заполненные маслом, компенсированные давлением корпуса , где компоненты погружены в диэлектрическое масло, которое уравнивает давление и проводит тепло к стенке корпуса.

Шум и акустическая подпись снижаются

Для военных и научных применений акустическая скрытность имеет решающее значение. Электрические двигатели по своей сути производят меньше шума, чем двигатели внутреннего сгорания, но они по-прежнему генерируют вибрацию от электромагнитных сил, вращения подшипников и кавитации. Дизайнеры используют перекосные магниты , , , передовые технологии подшипников (магнитные подшипники или подшипники с водяной смазкой) для минимизации механического шума. Методы активного шумоподавления , где система управления впрыскивает встречные вибрации, также изучаются для систем следующего поколения. Конструкция пропеллера оптимизирована для задержки кавитации на более высоких скоростях, значительно снижая широкополосный шум.

Технологические достижения в эффективности вождения

В последние годы появилось несколько инноваций, которые раздвигают границы того, что может достичь подводная электрическая силовая установка.

Высокоэффективные двигатели с постоянным магнитом

Использование редкоземельных магнитов (neodymium-iron-boron или samarium-cobalt) позволило двигателям с плотностью крутящего момента, превышающей 20 Нм/кг. Новые конструкции с фокусным слотом концентрированного обмотки (FSCW) снижают потери меди и улучшают отказоустойчивость. Некоторые исследовательские прототипы теперь достигают эффективности выше 97% во всем диапазоне рабочих скоростей. Эти двигатели также переносят более высокие температуры, позволяя большую пиковую мощность без деринга.

Исследование 2020 года, опубликованное в IEEE Transactions on Transportation Electrification, продемонстрировало подводный двигатель мощностью 50 кВт с гравиметрической плотностью мощности 3,5 кВт/кг, намного превышающей обычные конструкции. Этот класс двигателей позволяет небольшим AUV нести больше датчиков или батарей для того же объема.

Расширенные химические батареи

В то время как литий-ионные батареи остаются доминирующими, батареи следующего поколения входят в фазы прототипов. Литий-серные элементы предлагают теоретическую плотность энергии 500 Втч / кг, с практическими упаковками, достигающими 350 Втч / кг. Они легче и используют менее токсичные материалы, но срок службы цикла остается проблемой (обычно 100-200 циклов). Сточные батареи с литий-металлическими анодами обещают до 450 Втч / кг с улучшенной безопасностью и более длительным сроком службы. Несколько производителей, включая QuantumScape , стремятся коммерциализировать твердотельные элементы, подходящие для подводного применения в течение следующих пяти лет.

Интеллектуальные алгоритмы управления

Машинное обучение трансформирует управление движением. Усилительные обучающие агенты могут изучать оптимальное распределение скорости и мощности по нескольким двигателям в режиме реального времени, адаптируясь к изменяющимся гидродинамикам и приоритетам миссии. Эти системы также могут прогнозировать сбои компонентов, анализируя спектры вибрации и текущие сигнатуры, позволяя прогнозировать техническое обслуживание. Цифровые технологии-близнецы позволяют операторам моделировать производительность движения в различных условиях и оптимизировать параметры управления перед развертыванием.

Вычислительная динамика жидкости в дизайне

CFD стал неотъемлемой частью цикла проектирования. Моделирование высокой точности может моделировать взаимодействие между корпусом транспортного средства, воздуховодами двигателя и пропеллерными будками, позволяя инженерам уменьшить сопротивление и повысить эффективность тяги перед созданием прототипа. Многофизическое моделирование Комбинирование электромагнитного, теплового и гидродинамического анализа помогает оптимизировать геометрию двигателя как для электромагнитных характеристик, так и для охлаждения. Облачные инструменты CFD теперь делают эти возможности доступными для небольших фирм и исследовательских учреждений.

Приложения в подводном домене

Электрическая силовая установка позволяет выполнять новые миссии и возможности по всему спектру подводных аппаратов.

Автономные подводные транспортные средства (AUV)

AUV полностью полагаются на электрическую силовую установку с батарейным питанием для обзорных, инспекционных и научных миссий. Woods Hole Oceanographic Institution впервые применила долговечные AUV, такие как автомобили REMUS и Sentry, которые используют литий-ионные аккумуляторные батареи и эффективные бесщеточные двигатели для достижения 20-часовых миссий на глубинах до 6000 метров. Недавние разработки в движителя планера сочетают электрические двигатели плавучести с пропеллерами малой мощности, позволяя миссиям в течение нескольких месяцев использовать тепловые градиенты для периодической подзарядки батарей.

Дистанционно управляемые транспортные средства (ROV)

ROV рабочего класса требуют мощных электрических двигателей для управления тяжелым оборудованием и поддержания положения в токах. Гидравлические двигатели традиционно доминировали в этой области, но теперь появляются полностью электрические ROV, обусловленные улучшениями в технологии двигателей и аккумуляторов. Электрические двигатели предлагают более высокую эффективность, более чистую работу (отсутствие утечек гидравлической жидкости) и более простое обслуживание. Saab Seaeye диапазон электрических ROVs использует бесщеточные двигатели постоянного тока с векторным управлением для достижения точного удержания станции на глубинах до 3000 метров.

Пилотируемые подводные аппараты и военные корабли

Пилотируемые подводные лодки, такие как исследовательские подводные лодки и военные ударные подводные лодки, все чаще используют электрическую тягу в качестве основного привода. Системы для обычных подводных лодок часто сочетают дизель-генератор для работы на поверхности / сноркеля с большим банком батарей для бесшумного подводного бега. Все электрические подводные лодки с топливными элементами или передовыми батареями разрабатываются в нескольких странах. Например, субмарины класса U212A на основе топливных элементов используют систему AIP на основе топливных элементов для расширенной подводной выносливости. Тенденция к литий-ионным батареям на подводных лодках, хотя спорная из-за риска пожара, продолжается с системами, такими как на лодках класса Sōryū .

Будущие направления и новые тенденции

Следующее десятилетие принесет глубокие изменения в подводную электрическую двигательную установку.

Next-Generation Хранение энергии

Помимо батарей, водородные топливные элементы с твердотельным водородным хранилищем (например, гидриды металлов) могут обеспечивать плотность энергии в три-пять раз больше, чем у литий-ионных, устраняя при этом необходимость в громоздких резервуарах для сжатого водорода. Несколько исследовательских групп изучают топливные элементы на основе аммиака , которые расщепляют аммиак в водород и азот, предлагая безопасное жидкое топливо с высокой плотностью энергии. Суперпроводящее хранилище энергии для взрывной мощности в военных приложениях также изучается, хотя криогенные требования остаются сложными.

Подводная беспроводная зарядка

Беспроводная зарядка через индуктивное соединение может позволить AUV перезаряжаться без всплытия, продлевая продолжительность миссии на неопределенный срок. Станции доков, установленные на морском дне или на подводных зарядных буях, могут передавать киловатты мощности через небольшие промежутки. Расширенные системы используют резонансное индуктивное соединение с автоматическим выравниванием и обнаружением иностранных объектов. Военно-морская исследовательская лаборатория США продемонстрировала прототип, способный заряжать AUV с эффективностью 90% при 5 см противостоянии.

Полная автономия и тяга к теплу

По мере того, как автономные системы становятся более способными, двигательные системы должны адаптироваться к кооперативному поведению. Теплая тяга включает в себя группы небольших транспортных средств, координирующих свои движения для достижения таких задач, как картирование широкой области или поиск в сетке. Каждый контроллер движения транспортного средства должен реагировать на динамические команды от координатора роя при сохранении энергии. Гибридные системы, которые сочетают традиционные двигатели с био-вдохновленной тягой (например, колеблющиеся плавники или маховые фольги) исследуются для повышения маневренности и энергоэффективности в загроможденных средах.

Заключение

Электрические двигатели для высокоэффективных подводных аппаратов превратились из нишевой технологии в основу современных подводных операций. Достижения в двигателях, батареях и системах управления продолжают раздвигать границы выносливости, скорости и глубины. Дизайнеры должны ориентироваться в сложной сети компромиссов, связанных с плотностью энергии, гидродинамикой, материаловедением и акустикой, чтобы создавать системы, которые могут надежно работать в глубоком океане. С появлением таких технологий, как твердотельные батареи, топливные элементы, беспроводная зарядка и интеллектуальное управление, будущее подводной электрической силовой установки обещает еще большие возможности, которые были невообразимы десять лет назад. Для инженеров и исследователей в этой области возможности для инноваций столь же обширны, как и сами океаны.