Z 1996年第5期武汉造船No.5.1996 (总第110期)Wuhan Shipbuilding(Serial No.110)
夏冠博 梁翰荪
(中船总第712研究所)
摘 要：本文从需求和技术推动出发，论述了船舶电力推进发展方向。
舰船采用电力推进已有百余年历史，由于电力推进操纵性能好，设备布置灵活、振动噪声小，工作可靠等优点，曾广泛为水面、水下舰船所采用，但由于其尺寸、重量大，效率较低，初投资费用大以及维护保养困难，因而在以后相当长时间里电力推进的应用仅局限于潜艇和一些工程船舶里使用。
由于直流电机转速的调节性能和转矩的控制性能比较理想，所以直流电力推进长期以来占统治地位。但是直流电机结构上的固有缺陷，特别是它的换向性能，直接制约其向大容量发展。据分析计算，工作在2
00r/min～300r/min的直流推进电机其极限容量在104kW左右[1]。目前世界上最大的直流推进电机是安装在原苏联北极星号核动力破冰船上的推进电机，其容量为8800kW。潜艇推进电机的容量还受到潜艇艇壳直径的制约。
随后于直流电机发展起来的交流电机，具有结构简单、维护方便、成本低的优点，且其极限容量可比直流电机大约100倍[2]。此外，电机效率亦比同规格的高2%～3%，且电机电压可方便的采用高电压。但是，长期以来由于交流电机转速调节难于实现，转矩控制也比较困难。所以，使用不多。20世纪60年代以来大功率电子器件的问世，变流技术、控制理论和控制手段的发展，可使交流电机转速调节与转矩控制达到直流电机相同的水平，交流电力推进有可能逐步取代传统的直流推进。
随着电力推进应用领域的扩展，低噪声特性显得越来越重要，水面、水下舰船采用电力推进的越来越多，而要求尺寸小、重量轻、马力大、效率高的电力推进装置，这就势必对交流电力推进的需求更为迫切。可以断言，未来的舰船电力推进应是交流电力推进。
2 永磁技术异军突出，永磁电机独领风骚mcg
新技术、新材料的出现必然会导致新的技术革新或革命。超导材料的研制成功，集超导技术和低温技术于一体的超导电机及其电力推进系统将使舰船电力推进系统展示新的一页，但¹收稿日期:1996年6月13日
是，超导电力推进关键技术还不少，要从试验室走向工业应用，工作还很艰巨，还需投入大量的技术力量和巨大的经费。
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作为常规电机一员的永磁电机，它的制造有着悠久的历史，它的发展和永磁材料的发展息息相关。到本世纪中期，永磁电机已得到了迅速的发展，并广泛应用于航空工业、国防工业、交通运输、农业机械、无线电工业、高速驱动和自动化系统中。
近20年来，永磁材料的发展令人嘱目。特别是近10多年来出现了3次重大实现。60年代后期出现了第一代稀土永磁钐钴SmCos，最大磁能积达到24兆高奥;70年代初出现的第二代稀土永磁Sm2Co17，最大磁能积已达到33兆高奥;80年代研制出来的钕铁硼(NdFeB)永磁材料，价格比钐钴低廉而磁性能更高，其最大磁能积已达到40～50兆高奥。
从电机性能方面考虑，对永磁材料的要求是:
(1)剩磁密度(B r)高;
(2)矫顽磁力(H c)大;
(3)居里温度(T c)高;
(4)长时间使用磁铁性能不变。
NaFeB是一种高性能的永磁材料，具有很高的Br和H c，一经充磁就不易退磁，特别适用于经常受峰值电流冲击的场合，其去磁曲线近似为一条直线，斜率等于或接近于L0，所以这种材料不存在稳磁处理问题，它的去磁曲线就是回复线。NdFeB材料存在的问题有居里点不够高,T c=312℃，温度稳定性差和易腐蚀等缺点。近年来，这方面改进工作有重大进展，对矫顽磁力和剩磁密度的温度系数都有明显的提高。
这些新的永磁材料的出现必将开发出具有新结构、新功能的旋转电机。现在的永磁电机正向高出力、小型化和耐劣环境条件的特殊用途电机发展。
近几年来，因此已研制成的永磁同步推进电动机有:
西德西门子公司于1986年研制成一台额定功率为1100kW、230r/min、六相、采用钐钴永磁材料的永磁同步电动机，并于1987年装船运行，试航了两年多。
法国热蒙-施奈德公司于1987年制造了一台400kW、500r/min、五十二相永磁同步电动机。
瑞士的BBC公司与德国的磁电机公司一起于1986年为瑞典潜艇设计了一台功率为1500kW、180r/min，采用钐钴永磁材料的永磁同步电动机。
pubmedline永磁同步电动机由于具有下述优点而受到造船界青睐。
1.电机尺寸小、重量轻。以上述西门子电机为例，该电机与同规格的常规直流推进电机相比较，在保持电机的宽度和高度不变的情况下，永磁电机的总重量、长度和有效体积减少40%;
2.效率高。我们仍以西门子电机为例，它在额定功率和额定转速时，同步电动机的损耗(包括逆变器的损耗)大约比直流电动机降低20%，在20%额定转速和大约1%额定功率时，永磁同步电动机的损耗大约比直流电动机低40%。永磁同步电动机低速时有高的效率是目前其他一些电机无法比拟的，有其独特的优点。且其功率因数即使用相位控制也可达到近乎为1。
3.永磁同步电动机的转矩正比于电枢电流和磁通，因而可用调节电流的办法调整转矩，所以驱动控制比较容易。
4.可降低推进系统噪声。
(1)由于电机额定转速可降低到120r /min ，这就有可能将螺旋桨转速降到120r /min ，从而可降低螺旋桨噪声;
(2)由于使用永磁转子，转子部分不要冷却装置(这对大功率电机最为有利)除结构简化外，降低了通风冷却系统的噪声;
(3)没有常规直流电机中电刷摩擦噪声;
(4)由于采用电子控制技术，在电枢回路中减少了机械开关产生的噪声。
5.维修方便。
赵尔丰
因为是交流电机，相对直流电机而言，大大减少维护工作量。另外，电子功率设备是组件式，若使用于舱室条件差的潜艇，在其有效空间内亦可以拆卸和搬运，也能经舱口将其运到岸上修理。另外，当某些组件发生故障时，可降低功率运行，组件的维修可推迟到下一次大修期进行。
据外刊报导德国和法国计划将永磁电动机作为新潜艇的动力，其中法国拟将永磁电动机用于新型战略导弹核潜艇“凯旋级”作为应急推进；德国计划用于新型攻击潜艇212型。3 电机调速系统
图1 日本国内每年安装大容量无换向器电动机的增长曲线
此调速系统为常见的无换向器电机调速系统，实为自控
频率调压调速的系统，这是一种已经得到广泛应用的交流调
速系统。图1示出该系统在日本发展的情况。
目前最大单机容量已达48000kW ，这种系统由同步电
动机(也可以是永磁同步电动机)，逆变器或变频器，转子位
置检测器和控制系统四大部份组成，有三种类型：交—直—
交变频器供电的同步电动机自控频率调压调速系统，如图2
所示。
图2 交-直-交调速系统
这种系统较简单，目前大多采用这种系统。调节整流电
压U d ，每相电流是根据转子位置来控制触发逆变器的不同
晶闸管来获得的，它实际可看成固态元件代替了有机械换向
器和电刷的具有三个换向片的直流电机，具有直流电机调速
性能。
采用交—交变频器对同步电动机供电，解决了启动困难和低速时换流困难及转矩脉动大的缺点。图3示出交—交系统无换向器电动机的控制系统。由于其控制较复杂，只在少数大容量传动中应用。
图3 交—交系统无换向器的电动机控制系统图4 直—交无换向器电机控制系统—交系统，实为交—直—交系统的直—交部分，具有直流电动机的调整特性。图4给出法国永磁同步电动机推进系统原理图。
由于永磁同步电力推进系统不仅具有永磁电机带来的优越性，且该控制系统还具有:
(1)系统为无刷无触点式，具有与异步电机一样无滑环，结构简单，坚牢，不需经常维护的特点;
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(2)具有直流电机一样的调速性能[3]:
调速范围广: 3%～100%
精度: 0.01%
响应特性: 30rad/sec
(3)调整简便，可以简单地调节直流电压，变化直流电流大小，达到控制转矩和转速的目的。
此系统要注意克服低速时转矩脉动以及舰船的电磁兼容性。
参考文献
干旱区地理1 梁翰荪.超导单报电机与电力推进.电气技术.1980.(2)
2 金德昌，姜孟文，云峻峰编著.船舶电力推进原理.国防工业出版社,1993.
3 相旭译.主轧机交流调整传动的最新进展及应用.国化电气传动,1988(4)
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