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

【關(guān)鍵詞】艦船；推進(jìn)電機(jī)

一、引言

隨著電力電子器件及交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，艦船電力推進(jìn)技術(shù)得到了迅速廣泛的應(yīng)用。相對傳統(tǒng)的推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)具有優(yōu)點不斷顯現(xiàn)，其噪音低、調(diào)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(shè)計方便等，使之得到充分的利用。電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件為推進(jìn)電機(jī)，研制艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是研究發(fā)展推進(jìn)電機(jī)技術(shù)。本文簡要介紹了艦船推進(jìn)電機(jī)的研究現(xiàn)狀，并對各種電機(jī)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了比較。

二、推進(jìn)電機(jī)在艦船應(yīng)用上的發(fā)展

電力推進(jìn)系統(tǒng)在艦船上的應(yīng)用已有一百余年的歷史，推進(jìn)電機(jī)最初也只有直流電動機(jī)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(jìn)電機(jī)，但受當(dāng)時推進(jìn)電機(jī)技術(shù)水平的限制，加上直流電動機(jī)所需的電源變換裝置，使得推進(jìn)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(jī)直流電動機(jī)電推進(jìn)外，多數(shù)水面艦艇則采用各種形式的機(jī)械推進(jìn)。到了七十年代，大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn)以及交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使得交流推進(jìn)開始受到重視。尤其是八十年代，高性能大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件相繼開發(fā)和微處理器控制的發(fā)展，交流推進(jìn)技術(shù)迅速開始廣泛應(yīng)用，也出現(xiàn)了各種形式的交流推進(jìn)電機(jī)，可以說電力推進(jìn)進(jìn)入了實質(zhì)性的發(fā)展和應(yīng)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(jìn)電機(jī)。永磁推進(jìn)與電勵磁的電機(jī)相比，特別是稀土永磁推進(jìn)電機(jī)具有很多優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠；體積小、重量輕；損耗小、效率高；而且電機(jī)的尺寸和形狀可以靈活多變。其次，隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，磁流體推進(jìn)也逐漸受到重視。磁流體推進(jìn)是電力推進(jìn)的一種，它由稱為無噪聲推進(jìn)，速度高，裝置結(jié)構(gòu)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(jìn)了推進(jìn)電機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

三、各種推進(jìn)電機(jī)的特性及其局限性

從最初的直流電動機(jī)單一形式，推進(jìn)電機(jī)已發(fā)展到今天的不同供電形式、不同結(jié)構(gòu)的多種類型。推進(jìn)電機(jī)從供電形式，一般分為直流推進(jìn)電機(jī)和交流推進(jìn)電機(jī)兩大類。直流推進(jìn)電機(jī)又分為有刷和無刷兩種，交流推進(jìn)電機(jī)分為交流感應(yīng)電動機(jī)、交流電勵同步電動機(jī)、交流永磁同步電動機(jī)。此外，當(dāng)前較有前途的其它類型電機(jī)還有開關(guān)磁阻電動機(jī)、永磁和磁阻特性相結(jié)合的混合式電動機(jī)。

（一）直流推進(jìn)電機(jī).直流推進(jìn)電機(jī)的顯著優(yōu)點是調(diào)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(jìn)電機(jī)，該電機(jī)一般為雙電樞結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速的調(diào)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(jìn)電機(jī)運行原理較為簡單，輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，電磁噪聲較小。

（二）交流感應(yīng)式推進(jìn)電機(jī).交流感應(yīng)式推進(jìn)電機(jī)，特別是籠型感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可設(shè)計成全封閉式結(jié)構(gòu)，價格大大低于直流推進(jìn)電機(jī)，并且它們效率相當(dāng)；另外，它基本不用維護(hù)，運行可靠，不存在失步問題。由于交流感應(yīng)式推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場是由定子側(cè)供給，因此電機(jī)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(diào)速器必須采用強迫換流，這樣使得調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(jī)的效率有所降低，為了提高功率因數(shù)和效率，制造時應(yīng)盡量按機(jī)械加工能達(dá)到的最小氣隙設(shè)計。制造大容量的感應(yīng)電動機(jī)比較困難，而且成本較高。目前，我國感應(yīng)電機(jī)的制造水平在5兆瓦以下。

（三）交流同步推進(jìn)電機(jī)。交流同步推進(jìn)電機(jī)是指電樞電流按正弦規(guī)律變化的交流同步電機(jī)，它屬于轉(zhuǎn)極式結(jié)構(gòu)的電機(jī)，艦船同步推進(jìn)電機(jī)的定子繞組多數(shù)采用了3的倍數(shù)相，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)也是通過變頻器或逆變器來實現(xiàn)。交流同步推進(jìn)電機(jī)有電勵磁和永磁兩種形式，其電源采用負(fù)載換相型或PWM電壓型逆變器。與交流感應(yīng)式推進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)速易于控制；對轉(zhuǎn)矩擾動反應(yīng)快，特別適合于對負(fù)載轉(zhuǎn)矩需要快速反應(yīng)的艦船推進(jìn)系統(tǒng)；電機(jī)的氣隙大，制造容易。交流同步推進(jìn)電機(jī)都存在一個失步問題，當(dāng)螺旋槳受到碰撞或魚網(wǎng)的纏繞時，有可能會使電機(jī)失步，影響推進(jìn)電機(jī)的工作，甚至?xí)p壞電機(jī)。由于采用逆變器供電，都存在著較為嚴(yán)重的電磁兼容和電磁噪聲等問題，這些問題還有待進(jìn)一步研究。

（四）無刷直流推進(jìn)電機(jī)。無刷直流推進(jìn)電機(jī)的特性和普通直流電動機(jī)十分相近，可在四個象限運行，效率和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也相近。但由于沒有機(jī)械換向器，因而比直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，容易做到低轉(zhuǎn)速大容量、高轉(zhuǎn)速大容量。與感應(yīng)式推進(jìn)電機(jī)相比，它既具有交流同步推進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點，而又不存在失步問題。其效率與永磁同步推進(jìn)電機(jī)的效率差別不大，也同樣具有非?？焖俚膭討B(tài)響應(yīng)能力，但控制系統(tǒng)則相對簡單。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以多樣化設(shè)計，以達(dá)到高功率（高轉(zhuǎn)矩）/體積比。目前，已有盤式永磁推進(jìn)電機(jī)在艦船上應(yīng)用的實例，其重量體積遠(yuǎn)小于徑向磁通的永磁電機(jī)。

四、交流推進(jìn)電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)

直流推進(jìn)電機(jī)的運行原理簡單，且電機(jī)內(nèi)的磁場為穩(wěn)態(tài)場，因此電機(jī)及其系統(tǒng)的分析方法也較為簡單。隨著交流推進(jìn)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(jìn)一步促進(jìn)交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。

交流推進(jìn)電機(jī)及其調(diào)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(jī)磁路的飽和問題，計算結(jié)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(jī)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(jī)內(nèi)部的電磁場方程直接耦合，通過有限元數(shù)值方法求解結(jié)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(jìn)的軍艦是我國海軍發(fā)展戰(zhàn)略中關(guān)鍵性的內(nèi)容，推進(jìn)電機(jī)則關(guān)系到整個艦船電力推進(jìn)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(shù)力量和較好的研究基礎(chǔ)，靈活的管理體制以及廣泛的協(xié)作關(guān)系；充分調(diào)動全社會的力量，采用競爭機(jī)制；勇于探索，大膽創(chuàng)新，研制出具有我國海軍特色的、技術(shù)上先進(jìn)的艦船新型電力推進(jìn)系統(tǒng)。這一技術(shù)裝備的研制，不能盲目照搬國外技術(shù)，更不能引進(jìn)裝備而不消化技術(shù)，避免落入老式的研制套路。

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