推進電機技術的現(xiàn)狀和發(fā)展

【摘 要】本文介紹了艦船推進電機的研究現(xiàn)狀，比較了各種推進電機的特性和局限性，并提出了對我國發(fā)展艦船推進電機的建議。

【關鍵詞】艦船；推進電機

一、引言

隨著電力電子器件及交流調速技術的發(fā)展，艦船電力推進技術得到了迅速廣泛的應用。相對傳統(tǒng)的推進方式相比，電力推進系統(tǒng)具有優(yōu)點不斷顯現(xiàn)，其噪音低、調速性能好、控制方便、效率高、可靠性高、可維修性好、生命力強、全壽命周期費用低、布置靈活、設計方便等，使之得到充分的利用。電力推進系統(tǒng)的核心部件為推進電機，研制艦船電力推進系統(tǒng)的基礎是研究發(fā)展推進電機技術。本文簡要介紹了艦船推進電機的研究現(xiàn)狀，并對各種電機的相關技術進行了比較。

二、推進電機在艦船應用上的發(fā)展

電力推進系統(tǒng)在艦船上的應用已有一百余年的歷史，推進電機最初也只有直流電動機一種形式。二戰(zhàn)以前，潛艇及部分水面艦船均采用直流推進電機，但受當時推進電機技術水平的限制，加上直流電動機所需的電源變換裝置，使得推進系統(tǒng)龐大、笨重，效率低、成本高。二戰(zhàn)以后，除少數(shù)水面艦艇采用柴油機直流電動機電推進外，多數(shù)水面艦艇則采用各種形式的機械推進。到了七十年代，大功率半導體開關器件的出現(xiàn)以及交流調速技術的發(fā)展，使得交流推進開始受到重視。尤其是八十年代，高性能大功率半導體開關器件相繼開發(fā)和微處理器控制的發(fā)展，交流推進技術迅速開始廣泛應用，也出現(xiàn)了各種形式的交流推進電機，可以說電力推進進入了實質性的發(fā)展和應用階段。九十年代以來，隨著永磁材料性能的不斷完善和提高，世界各國紛紛研究開發(fā)永磁推進電機。永磁推進與電勵磁的電機相比，特別是稀土永磁推進電機具有很多優(yōu)點：結構簡單、運行可靠；體積小、重量輕；損耗小、效率高；而且電機的尺寸和形狀可以靈活多變。其次，隨著超導技術的發(fā)展，磁流體推進也逐漸受到重視。磁流體推進是電力推進的一種，它由稱為無噪聲推進，速度高，裝置結構也相對獨立。數(shù)值計算新方法的出現(xiàn)以及計算速度的提高，極大地促進了推進電機技術的發(fā)展。

三、各種推進電機的特性及其局限性

從最初的直流電動機單一形式，推進電機已發(fā)展到今天的不同供電形式、不同結構的多種類型。推進電機從供電形式，一般分為直流推進電機和交流推進電機兩大類。直流推進電機又分為有刷和無刷兩種，交流推進電機分為交流感應電動機、交流電勵同步電動機、交流永磁同步電動機。此外，當前較有前途的其它類型電機還有開關磁阻電動機、永磁和磁阻特性相結合的混合式電動機。

（一）直流推進電機.直流推進電機的顯著優(yōu)點是調速性能好，它可以方便地實現(xiàn)四象限運行。很多潛艇都用直流推進電機，該電機一般為雙電樞結構，轉速的調節(jié)通過改變電樞以及電池組的串并連接方式和勵磁磁通的方式來實現(xiàn)，控制簡單，操作方便、使用可靠；而且，直流推進電機運行原理較為簡單，輸出轉矩平穩(wěn)，電磁噪聲較小。

（二）交流感應式推進電機.交流感應式推進電機，特別是籠型感應推進電機具有結構簡單、牢固，可設計成全封閉式結構，價格大大低于直流推進電機，并且它們效率相當；另外，它基本不用維護，運行可靠，不存在失步問題。由于交流感應式推進電機的轉子磁場是由定子側供給，因此電機必須從電源吸收無功功率，只能工作在功率因數(shù)滯后的情況下，變頻調速器必須采用強迫換流，這樣使得調速裝置結構十分復雜，體積增大，運行的可靠性也降低。另一方面，滯后的功率因數(shù)使得電機的效率有所降低，為了提高功率因數(shù)和效率，制造時應盡量按機械加工能達到的最小氣隙設計。制造大容量的感應電動機比較困難，而且成本較高。目前，我國感應電機的制造水平在5兆瓦以下。

（三）交流同步推進電機。交流同步推進電機是指電樞電流按正弦規(guī)律變化的交流同步電機，它屬于轉極式結構的電機，艦船同步推進電機的定子繞組多數(shù)采用了3的倍數(shù)相，轉速的調節(jié)也是通過變頻器或逆變器來實現(xiàn)。交流同步推進電機有電勵磁和永磁兩種形式，其電源采用負載換相型或PWM電壓型逆變器。與交流感應式推進電機相比，其最主要的優(yōu)點是可以在功率因數(shù)為1甚至超前功率因數(shù)時工作，減輕了對逆變器的要求。此外，還有其它的一些優(yōu)點：轉速易于控制；對轉矩擾動反應快，特別適合于對負載轉矩需要快速反應的艦船推進系統(tǒng)；電機的氣隙大，制造容易。交流同步推進電機都存在一個失步問題，當螺旋槳受到碰撞或魚網的纏繞時，有可能會使電機失步，影響推進電機的工作，甚至會損壞電機。由于采用逆變器供電，都存在著較為嚴重的電磁兼容和電磁噪聲等問題，這些問題還有待進一步研究。

（四）無刷直流推進電機。無刷直流推進電機的特性和普通直流電動機十分相近，可在四個象限運行，效率和技術經濟指標也相近。但由于沒有機械換向器，因而比直流電動機結構簡單，維護方便，容易做到低轉速大容量、高轉速大容量。與感應式推進電機相比，它既具有交流同步推進電機的優(yōu)點，而又不存在失步問題。其效率與永磁同步推進電機的效率差別不大，也同樣具有非?？焖俚膭討B(tài)響應能力，但控制系統(tǒng)則相對簡單。轉子結構可以多樣化設計，以達到高功率（高轉矩）/體積比。目前，已有盤式永磁推進電機在艦船上應用的實例，其重量體積遠小于徑向磁通的永磁電機。

四、交流推進電機及其調速系統(tǒng)

直流推進電機的運行原理簡單，且電機內的磁場為穩(wěn)態(tài)場，因此電機及其系統(tǒng)的分析方法也較為簡單。隨著交流推進日趨受到重視，人們在不斷探索和完善它的理論分析方法，也進一步促進交流調速技術的發(fā)展。

交流推進電機及其調速系統(tǒng)的理論分析方法，概括有三種：諧波分量法、狀態(tài)變量法以及場路耦合法。諧波分量法的特點是概念清楚，但無法考慮電機磁路的飽和問題，計算結果誤差較大，計算動態(tài)性能較為困難。狀態(tài)變量法是根據(jù)電機繞組的電感系數(shù)，將系統(tǒng)中的求解變量以狀態(tài)方程形式給出，再用數(shù)值方法逐點計算各求解變量；可以考慮高次諧波，計算精度有所提高，但計算所需的參數(shù)不易獲得，處理飽和問題較為困難。場路耦合法是一種較新的方法，將外電路的方程與電機內部的電磁場方程直接耦合，通過有限元數(shù)值方法求解結果，與其他兩種方法相比，場路耦合法計算精度大為提高，目前這種方法越來越受到重視。

發(fā)展全電力推進的軍艦是我國海軍發(fā)展戰(zhàn)略中關鍵性的內容，推進電機則關系到整個艦船電力推進系統(tǒng)研制的成敗。這就要求研制單位必須具有十分雄厚的技術力量和較好的研究基礎，靈活的管理體制以及廣泛的協(xié)作關系；充分調動全社會的力量，采用競爭機制；勇于探索，大膽創(chuàng)新，研制出具有我國海軍特色的、技術上先進的艦船新型電力推進系統(tǒng)。這一技術裝備的研制，不能盲目照搬國外技術，更不能引進裝備而不消化技術，避免落入老式的研制套路。

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