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1、基于永磁同步电动机的船舶电力推进系统张军贤摘要：介绍了永磁同步电动机在船舶电力推进系统中的应用优势和发展前景，对于永磁同步电机的工作原理、结构、优点和控制方法进行了分析。同时，也介绍了一种先进的的船舶吊舱式电力推进系统，分析了其优点和发展的趋势。类比出国内外基于永磁同步电机的电力推进系统的发展现状，指出了我国与西方国家的差距和广阔的前景。关键字：电力推进；船舶；永磁同步电机；吊舱式推进系统Based on PMSM for ship electric propulsion systemZhangJunxianAbstract: This paper introduces the permane
2、nt magnet synchronous motor in electric propulsion system application advantage and development foreground, for permanent magnet synchronous motors working principle, structure, advantages and the control methods are analyzed.At the same time, also introduced an advanced ship podded electric propuls
3、ion system, analyzes its advantages and development trend.Analogy both at home and abroad based on permanent magnet synchronous motor in electric propulsion system development present situation, had pointed out our country and the gap between western countries and broad prospects.Keywords: Electric
4、propulsion; Ship; PMSM; Podded propulsion system一概述 我国是一个海洋大国，也是一个电机需求量非常庞大的国家，但是却面临着电机消耗电能多，设备老化，效率较低等诸多问题。目前，国家对低碳节能环保提出了新的要求，使得电力行业具备了新的挑战。与此同时，船舶行业也必须做好新的战略调整，转向节能，高效率的方向发展。从 20 世纪 80 年代以来，随着电力半导体技术、交流调速理论和微机控制技术的迅速发展，交流电机的变频调速技术日渐成熟。这也使得船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展，应用范围也在不断扩大，不仅在传统的领域
5、，如破冰船、挖泥船、勘探测量船等占有越来越大的份额，而且在游船、班轮、穿梭油船、滚装船和近海客货船方面也显示出广泛的应用前景。可以说，电力推进是一种最能经得起考验的船舶推进系统。在推进系统的研究和开发领域，永磁同步电动机由于可以满足负载转矩变化较大，对空间要求比较大的场合，因而在船舶电力推进系统有着其特殊的应用优势。作为船舶综合电力推进电机，永磁同步电机以其体积小，重量轻，效率高，转动惯量小，可靠性高等优点大大地提高了舰艇的性能，能更好地满足全电力推进船舶的发展要求,也是舰船推进的发展方向，目前已成为国内外船舶设计者和推进技术专家的研究焦点，并已取得了成功应用。随着 DSP 的问世和永磁电动机
6、及其控制技术的快速发展,以永磁同步电动机为推进电机、采用高性能控制策略的全数字化电力推进技术显示出广阔的应用前景。同时，永磁同步电动机的各项技术指标均已达到甚至超过了直流电动机的水平，在高性能驱动方式的电力推进系统中永磁同步电动机正逐步取代传统直流电动机的核心地位。二永磁同步电动机介绍永磁同步电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，且永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。1.永磁电动机的结构与工作原理永磁同步电动机的结构
7、有电子和转子两部分组成，其结构如图 1 所示。三相定子绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差 120 度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。图 1图 2其工作原理即由定子边用交流电流励磁建立的旋转磁场以磁拉力的方式拖动永磁铁同步地旋转，实现同步运行。其模拟结构图如 2 所示2.永磁同步电动机的特点由于采用了永磁材料磁极，磁能积高，可得较高的气隙磁通密度，因此容量相同的电动机体积小，重量轻；转子没有铜耗和铁耗，又没有集电环和电刷的摩擦损耗，运行的效率高气隙磁场主要或全部由转子
8、磁场提供，功率密度大，功率因数高；转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；结构简单紧凑，运行可靠，维护方便，寿命长。与直流电机比较，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点 与异步电动机相比 ，由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。 3.永磁同步电动机的控制永磁同步电动机是由永磁同步电动机本体、位置传感器、控制器、功率驱动器及电力电子变流装置等五个主要部分组成，如图 3 所示图 3由图 1 可以看出，除了转子永磁铁和定子外，还有一组霍尔传感
9、器，此即为检测转子位置的位置检测器。转子位置检测器 PS 能正确反应转子磁极的位置，根据转子磁极的位置信号控制逆变器（变频器）输出电压的频率和相位，使同步电动机的转矩角小于 90 度。所以定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速。微处理器是全数字化伺服系统的重要组成部分，能够完成闭环控制、先进控制策略的实现、PID调节等功能。近年来许多公司都推出了针对电机控制的专用数字信号处理芯片(DSP)芯片。TMS320F2812是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前国际市场上最先进，功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式
10、控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子应用、智能化仪器仪表及电动机伺服控制系统等。DSP芯片在永磁同步电动机控制系统中的作用为：对转子位置信号进行处理, 完成滤波、消除干扰和速度测定等;根据有效的转子位置信号和电机的运行要求, 完成逆变器脉冲分配和触发,以实现对电枢电流的相位控制;通过速度调节器（有时也需要电流调节器）完成对整流器的触发角控制。三吊舱式船舶电力推进系统船舶电力推进系统的节能、低噪音、减振一直是船舶设计者.推进系统专家和电机开发者所追求的目标。在系统硬件结构方面，目前先进的吊舱式电力推进系统，就是推进用电机直接和推进螺旋桨相连，制成一个独立的推
11、进模块，并吊挂在船体底部。该推进模块可以 360水平旋转。这样，推进的方位角可以人为地进行控制和调节。其直接后果就是取消了舵机系统及相应的操纵机构。由于对高技术和经济性的特别需求,选择永滋同步电动机比较合理.永磁同步电动机的气隙磁通由高性能的永久磁钢产生.永久磁钢一般布置在电机的转子上,代替传统的励磁绕组和诸如集电环、整流器、空冷风道和冷却风扇。这种设计可以明显减小电机的体积和重量,永磁同步电动机还有一个特别的优点是消除了因励磁电流而产生的铁耗和铜耗.从而使电动机的效率明显提高. 针对永磁同步电动机体积小，重量轻，惯性小，响应快，高效率，高起动转矩，高功率因数，以及省电和运行可靠等明显优点，因
12、而非常适用于船舶的吊舱推进系统（POD） 。吊舱推进系统的优点有：1.提高了推进效率。与普通双桨船相比，其推进效率提高了 10%左右2.降低了桨体的振动和噪音等级3.全方位回转的吊舱提高了船舶操作的灵活性4.永磁同步电动机可以实现极低速的的运行，而且效率高5.由于没有轴系，船体结构布置更加灵活6.缩短了建造周期和维护费用吊舱式电力推进装置的发展趋势：1.结构优化目前的吊舱式电力推进器只是推进电机、轴和桨的综合体,预计下一步会将变压器、变频器和滤波器也集成进来。2.对转螺旋桨推进器采用对转螺旋桨也是一种新的发展趋势,对转螺旋桨的来流均匀,能较好地减少桨叶旋涡造成的能量损耗,提高空泡性能,可以得到
13、更高的推进效率。3.综合全电力推进系统把为吊舱式电力推进装置供电的发电设备和为日常用电供电的发电设备融合为一个统一体,形成一个船舶综合全电力推进系统(integrated power system),整个系统实施高度的模块化和通用化,从而提高能量的利用率,增强系统的可靠性。电力推进系统 SSP 的开发.是在研制低拟耗、低噪声、低振动阳低粗射的电力推进系统领域的重大发展。SSP 电力推进系统和传统的柴油发动机直接推进系统相比,具有更佳的系统效率.而且安装容易,能更好地利用船舶空问,维护简单容易.大大提高了机动性,为旅客和船员提供更舒适的船上环境。四.船用永磁同步电机的现状与前景船用永磁电动机的研
14、制工作从 80 年代开始到现在不过十几年的时间, 然而取得了很大的成绩。尤其是美国, 准备制造 25000 马力的永磁机, 这说明美国的发展速度之快。德国的 PERMASYN 电机已开始得到应用,可说前途广阔。目前我国在船舶电力推进技术的研究方面还处于起步阶段,应用也并不广泛。与美德英法等发达国家相比，船用推进永磁同步电动机的研究和开发存在着很大差距，也存在很多的技术空白。由于受到电力电子器件功率的制约，逆变器供电的永磁同步电机变频调速系统主要集中于中小功率的研究。吊舱式电力推进器问世十几年来,凭藉其非凡的表现,赢得了船舶推进领域很大一部分市场份额.可以预见科技的进步必将为吊舱式电力推进器提供
15、更加广阔的市场,无论在技术上还是市场上都将成为船舶推进装置的主要发展方向,并覆盖多种船型而成为未来船舶推进器的主流.我国近几年虽然也承建过电力推进船舶,但其吊舱式电力推进器均由国外公司供应.目前我国在吊舱式推进器设计与制造方面与发达国家还有很大差距。我国是造船及航运大国, 也是盛产永磁材料的国家，发展吊舱式电力推进技术对我国经济的发展有重要意义,应引起我国造船界和航运界的高度重视.我国应进一步加强相关技术的研究和开发应用,争取早日掌握吊舱式电力推进系统技术,参与这一领域的国际竞争,在市场上占有一席之地.参考文献：1 聂延生，林叶锦，汪涌泉，李伟光，吊舱式电力推进系统的特点与应用，大连海事大学学报，2002.2，U664. 142 邱静岳，张启平，新型永磁同步电动机电力推进系统,1997. 63 唐少明，永磁同步电动机工作原理与控制策略PPT，2012.104 高海波，高孝洪，陈辉，林治国，吊舱式电力推进装置的发展及应用，武汉理工大学学报(交通工程与工程版)，2006.2，U674.7+03.35 翁存海,李亚旭, 国外船用永磁电动机的研制及其应用前景, 中船重工集团公司712研究所, 船电技术2000.4
