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海军电机
船舶电力推进的概念起源于100多年前，但由于缺乏控制大功率的可能性，这一概念无法应用。采用柴油机的机械推进系统更具竞争力[2]。20世纪80年代，随着大功率固态装置和变速驱动器（VSD）的出现，大型船舶的电力推进技术应运而生。
将机械推进系统替换为电力推进系统可增加船舶的可用空间，特别是军舰或邮轮[99]。“电动船舶”一词通常指具有全电力推进系统（机械原动机、发电机、固态转换器、电动机、螺旋桨）的船舶。
9.1背景
综合全电力推进（IFEP）的一个主要好处是通过拆除轴线提供的布局灵活性。原动机的位置有相当大的自由度，因为它们不再直接连接到推进器上，从而可以更有效地利用可用空间（图9.1）。IFEP还可以节省成本。
电动船舶不仅仅是电力驱动系统，还包括发电、配电和控制。新型海军舰艇需要大量的能量和动力（远大于商用舰艇），这些能量和动力由脉冲武器、大功率微波炉、大功率军事载荷、能量转换系统和动力输送系统消耗（图9.2）。其他载荷可能包括电磁辅助发射系统（EMALS）、通信、计算机、雷达和声纳系统以及招待和服务载荷。
由燃气轮机或柴油机驱动的同步发电机与电力推进电机电连接，目前已广泛应用于大型发电机中。
图9.1 电动船舶推进系统：1-发动机同步发电机组，2-固态变流器，3-大功率电机，4-螺旋桨轴，5-螺旋桨[68]
图9.2 符合[147]的电动战舰主要系统部件。1-先进电机和推进器，2-安静电机驱动，3-先进发电机，4-脉冲形成网络，5-储能，6-执行器和辅助设备，7-燃料电池组，8-传感器，9-配电，10-综合电力系统，11-综合热功率管理系统，12-高功率电机，13-高功率电机，14-电磁垂直发射系统，15-电磁炮
各种各样的船。2002年，商船安装的电力推进功率为6至7GW。方位推进器和吊舱式推力装置增加了优越的机动性能、动态定位甚至某种程度的智能。目前，电力推进主要应用于以下类型的船舶：
bull;游轮；
bull;渡轮；
bull;动态定位钻井船；
bull;货船；
bull;配备推进器的系泊浮式生产设施；
bull;穿梭油轮；
bull;电缆层；
bull;管道层；
bull;破冰船和其他冰上船只；
bull;供应容器；
bull;潜艇；
bull;水面舰艇；无人水下航行器。
船舶推进用电动机和发电机的预期复合年增长率预计将超过20%。如今，几乎100%的游轮和一些货船都已转向电动推进系统。
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使移动到桨轮设计和帆的推进性 |
更低的成本，更简单的比例，更好地维护和可靠性。 |
实现灵活的机舱配置和乐观的电力使用率 |
提高推进性能，机动性 ，增加货仓 |
使吊舱配置得到更广泛的应用，并提高燃料效率 |
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风推进 |
蒸汽推进 |
低速柴油机 |
交流电动机 |
吊舱电动机 |
高温超导电力推进 |
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古代-1900 1850-1900s 1970s 1985 1995 今天 |
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图9.3 船舶推进技术的发展（根据《美国超导体》[9]）
图9.3显示了船舶推进技术发展的历史。美国海军已经为其新建造的舰船提出了电力推进系统，从DD-21驱逐舰开始。1995年，Kaman，EDC，Hudson，MA，U.S.A.（目前DRS Technologies[1]，Parsippany，NJ，U.S.A.）开发并测试了一个2.2 mw，65 kNm，1.65 m直径和0.76 m长PM推进电机的原型。卡曼设计的主要特点包括其可拆卸的磁铁模块和分段定子。对于这些可更换的部件，无需将电机从船上拆下进行维修或大修。卡曼的其他海洋推进项目包括太平洋海洋公司的中叶，即一艘先进的船体船，具有两个750千瓦的轴驱动，每个轴驱动有一个卡曼PA57 750千瓦的PM电机（表9.1），一个柴油驱动的PA57发电机和EI900逆变器[123]。2000年，美国海军宣布打算向未来海军舰艇的电力推进发动机过渡。
〔1〕卡曼电磁学开发中心（EDC）于2003年将其电机和驱动业务出售给DRS技术公司。
表9.1 美国马萨诸塞州哈德逊市EDC卡曼航空公司制造的大功率三相圆盘式PMBMS设计数据
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数量 |
PA44-5W-002型 |
PA44-5W-001型 |
PA57-2W-001型 |
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极数，2p 每相绕组数 输出功率Pout，kw 峰值相电压，V 额定转速，rpm 最大转速，rpm 额定转速下的效率 额定转速下的扭矩，牛米 失速扭矩，牛米 连续电流 （六步波形），A 最大电流，A 每相的峰值EMF常数 500 Hz时每相的V/rpm绕组电阻 500 Hz时每相的Omega;绕组电感，mu;h 惯性矩，kgm2 冷却 最大允许电机温度，oC 质量，kg 功率密度，kw/kg 扭矩密度，牛米/千克 框架直径，m 框架长度，m 应用程序 |
28 2 336 700 2860 3600 0.95 1120 1627 370 500 0.24 0.044 120 0.9 水和乙二醇混合物 150 195 1723 5743 0.648 0.224 牵引钻井工业 |
28 2 445 530 5200 6000 0.96 822 1288 370 500 0.10 0.022 60 0.9 水和乙二醇混合物 150 195 2282 4215 0.648 0.224 牵引钻井工业 |
36 2 746 735 3600 4000 0.96 1980 2712 290 365 0.20 0.030 100 2.056 水和乙二醇混合物 150 340 2194 5832 0.787 0.259 通用的 |
最大的船用电动机安装在伊丽莎白女王2号游轮（原为平动客轮）上。两台44兆瓦、144转/分、60赫兹凸极GEC同步电机驱动两个传动轴。同步电动机直径为9米，每台重量超过400吨。伊丽莎白女王2号的总电力为95兆瓦，由9台柴油机驱动的9台三相10.5兆瓦、10千伏、60赫兹GEC水冷凸极同步发电机发电。
玛丽女王2号是有史以来建造的最大、最长、最高、最宽、最昂贵的客轮（图9.4）。它的发电厂包括两种气体
图9.4 玛丽女王2号与泰坦尼克号、空客A-380、乘客、汽车和公共汽车的对比
涡轮和四台柴油发动机能产生118兆瓦的电力，足以为30万人口的城市提供电力。超过三分之二的能量被用来为推进系统提供动力，因为四台电动机在满功率时每台的功率为21.5兆瓦。玛丽女王2号装备了四辆劳斯莱斯美人鱼TM吊舱推进器，两个固定和两个全回转，即旋转360°。
9.2电动船舶动力传动系
电力船舶动力传动系的主要部件是原动机、发电机、配电盘、变压器和推进电机[2、35、38、99、107、162、181]。
（a）原动机。在大多数电动船舶上，发电机组由内燃机驱动，内燃机由柴油或重质燃料油提供燃料。通常使用燃气发动机、燃气轮机、蒸汽轮机或联合循环轮机。燃气轮机用于更大的功率范围、轻型高速船舶或燃气是经济有效的替代品的地方，例如石油生产中的废物、液化天然气（LNG）运输船中的蒸发等。
（b）发电机。大多数商用船舶都有带三相同步发电机的交流发电厂。为了减少维护，几乎所有发电机都配有无刷励磁机。励磁由自动电压调节器（AVR）控制，它感应发电机的端电压并将其与参考值进行比较。发电机有时设计为双向功率流，这意味着发电机可以作为电机运行，即所谓的功率吸收-功率输出概念（PTI-PTO）。自1986年发现HTS以来，美国海军研究办公室（ONR）和能源部（DOE）倡导并建立了HTS同步和同极发电机的车载发电研究。
（c）配电盘。主（发电机）配电盘通常分为两段、三段或四段，以满足冗余要求。根据电力推进系统的规章制度，一个部分的故障（例如，由于短路）的后果是可以容忍的。对于最严格的冗余要求，也应允许因火灾或洪水导致的故障，这意味着必须使用水和防火分隔器来分隔每个部分。
（d）变压器。变压器的作用是隔离配电系统的不同部分，并将它们分为几个分区，通常情况下，以获得不同的电压水平，有时也会产生相移。移相变压器可用于给变频器供电，例如用于变速驱动器，通过消除最主要的谐波电流来最小化电网中的畸变电流。变压器还可以抑制高频导体发出的噪声，特别是当变压器在一次绕组和二次绕组之间配备接地铜屏蔽时。
（e）推进马达。对于电动船舶推进系统，可以使用绕线转子同步电机、圆柱形结构的PMBMS、轴向磁通盘型PMBMS、PM横向磁通电机（TFMS）和带有HTS励磁绕组的同步电机。
9.3推进装置
9.3.1轴推进
在轴推进系统中，变速电动机直接或通过降压齿轮箱与螺旋桨轴相连。齿轮联轴器允许使用额定转速较高的较小电机。齿轮轴推进的缺点是机械复杂性增加，齿轮传动系统中的功率损失和需要维护（润滑油）。电机由发电机供电，发电机由柴油机或涡轮发动机驱动（图9.1）。
在柴油-电力船舶中，通常在不需要横向推力（机动时）的情况下使用轴推进，或在隧道推进器以更经济有效的方式产生轴推进，或在推进功率高于方位推进器的情况下使用轴推进。通常，穿梭油轮、研究船、大型锚机船、电缆层等都配备有螺旋桨轴。
轴线推进总是与方向舵结合在一起，每个螺旋桨一个方向舵。螺旋桨通常是速度控制的固定螺距螺旋桨（FPP）类型。在某些应用中，螺旋桨可以设计为可调螺距螺旋桨（CPP）类型，即使使用变速推进电机。
9.3.2方位推进器
在标准方位推进器（图9.5a）中，螺旋桨绕垂直轴旋转360度，提供多向推力。电动机安装在水管上方，借助齿轮传动系统驱动螺旋桨。推力由恒速和CPP、变速和FPP控制，或者有时使用速度和螺距控制的组合控制。与恒速CPP推进器相比，变速FPP推进器水下机械结构更简单，推力损失更低。当推进器室的板内高度受到限制时，电机水平安装，方位推进器由Z型齿轮传动组成。当推进器室的高度允许时，垂直安装的电机和L形齿轮变速箱更简单、更节能（降低功率传输损耗）。标准方位推进器的额定功率通常高达7兆瓦。
图9.5。阿尔斯坦水大师劳斯莱斯制造的方位推进器：（a）标准推进器，（b）可伸缩推进器，（c）带反向旋转螺旋桨的方位推进器[162]。由Rolls-Royce Marine AS，Ulsteinvic，挪威提供
所谓的伸缩式推进器（图9.5b）提供了快速的液压升降装置。可伸缩推进器与标准方位推进器具有相同的主要部件。
一些制造商提供的方位推进器有两个推进器，要么在同一轴上，要么有反向旋转的推进器（图9.5C）。反向旋转螺旋桨利用一个螺旋桨产生的射流的旋转能量来产生另一个螺旋桨反向旋转的推力。因此，水动力效率增加。
9.3.3吊舱推进器
与方位推进器类似，吊舱推进器可以在任何方向自由旋转并产生推力（图9.6）。电力通过柔性电缆或滑环传输至电机，以允许360度操作。与方位推进器不同，吊舱推进器的电动机浸没在船体下方，直接与密封吊舱装置内的传动轴集成。由于缺少机械齿轮，其传动效率高于方位推进器。
图9.6。吊舱推进器。1-电动机，2-轴承，3-
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资料编号：[4615]
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