船用推进电动机的最新进展讲解
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电机。 （2）损耗低，效率高。同功率等级的异步推进电机与直流推
进电机相比，效率通常高2%~3%。 （3）可采用较高的电压，减小设备体积与重量。目前直流推
进电机的最高电压为1kV，而异步推进电机的电压可达6.3~7.5kV。 （4）结构简单，维护方便，成本低廉。
-7-
船用推进电动机的最新进展
法国Alstom公司研制的先进感应电机（Advacned Induction Motor，AIM）：
额定功率 额定相电压 额定相电流 额定负载功率因数 额定转速 额定频率 直轴同步电抗
5MW 2400V 715A 1 230r/min 11.5Hz 0.32pu
高温超导电机在任何转速下都能在接 近最大效率下运行，尤其可贵的是在低速 下运行，其效率比普通电机高出许多，而 低速运行又是船舶经常出现的工况，即使 在30%额定航速下，其效率也能超过90%。
2.1 永磁同步电动机
永磁同步电动机的基本拓扑结构
-11-
船用推进电动机的最新进展
2.1.1 径向磁通永磁同步电动机
径向磁通永磁推进电机的代表是德国Siemens公司研制的PERMASYN永 磁推进电机，这是世界上第一台成功应用于常规潜艇推进系统的新型高功率密 度电机，其输出功率等级从1.7MW到5MW不等，可以适应各类常规潜艇的具 体要求。
2.2 开关磁阻电动机
开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor）简称SR电机，是随着现代 电力电子技术和计算机控制技术的发展而诞生的，具有许多独特的优点，如结 构简单，可靠性高、效率高、起动和调速性能好等。它首先在电动车驱动系统 中得到应用，也是比较理想的中小型船用推进电动机。
极数 频率 相数 盘数
20MW 180r/min -100/0/100%
5kV 水冷 130 195Hz 16
4
每盘转子轮缘数 永磁材料
额定力密度 额定效率 总直径 总长 轴直径
总重量（估计） —
4 NdFeB 120kN/m2 >98% 2.6m 2.6m 500mm
39t —
-15-
船用推进电动机的最新进展
目前工程上可以实现的同步电动机 最大输出功率已达到100MW。
-9-
船用推进电动机的最新进展
1.3 交流同步电动机 与异步电动机相比，同步电动机具有调速范围宽、功率因数
高，耐冲击能力和过载能力大等优点。
电源
变频装置 控制装置
电动机 位置传感器
负载
自控式同步电动机变频调速系统
-10-
船用推进电动机的最新进展 2. 特种推进电动机
气隙大
极数多
相数多
转速 100% 80% 60% 40% 20%
每槽每极导体数少
效率
97%
97.1 95.5 93% 80%
-8-
船用推进电动机的最新进展
1.3 交流同步电动机 与直流电动机相比，同步电动机具有结构相对简单、体积小、
重量轻、效率高等优点。由于没有换向器，其极限容量远远大于 直流电动机。可以采用较高的电压，从而减轻设备的体积和重量。 在额定功率和额定转速相同的条件下，同步电动机的占地面积仅 为直流电动机的1/2，而效率可高出3%左右，维护工作量减少至 1/8，且坚固耐用，运行可靠。
直轴瞬变电抗
0.24
直轴超瞬变电抗
0.16
电枢短路时间常数
0.069s
直轴超瞬变短路时间常数 0.02s
交轴超瞬变短路时间常数 0.028s
美国5MW、
230r/min HTS 同步电动机
-21-
上海海事大学物流工程学院学术讲座
谢谢各位！
-22-
nN
nM
n
四相8/6极SR电机的典型结构
开关磁阻电动机的运行特性
-17-
船用推进电动机的最新进展
2.3 多相交流电动机
低压大功率
十二相四Y移15º绕组
转矩脉动小 可靠性较高
a2
a1
a4 a3 a2 a1
系统效率高
30º
b1
b2
六相双Y移30º绕组
a)
15º
c4
c2
c3
c2
c1 b1
-4-
船用推进电动机的最新进展
额定功率 额定电压 额定效率
额定转速
永磁材料 绝缘等级 防护型式
用于深潜器的永磁直流推进电动机
2kW 110V 88~89%
运行方式 工作水深 最大水深
1500r/min（减速器）
转速容差
530r/min（动力定位）
火花等级
钕铁硼 F级
全干式潜水
MTBF 调速方式 调速比
给定速度
控制器
功率 变换器
SR电机
负载
电流检测 位置检测
开关磁阻电机驱动系统的基本组成
-16-
船用推进电动机的最新进展
开关磁阻电动机： 步进电动机+闭环控制（双边凸极电机）
D' C'
A
i S1
B
VD1 a
C
T
恒转矩区
来自百度文库
恒功率区
自然特性区
T C
T C
U
a'
B'
D
A'
VD2 S2
T2 C
0
2.1.3 横向磁通永磁同步电动机
横向磁通电动机（Transverse Flux Motor）简称TFM，其磁通方向与转 子旋转方向相垂直，或者说，在TFM中定、转子的磁通方向限定在与转子旋 转方向垂直的平面内。目前已有的TFM均采用永磁材料，所以又称为横向磁 通永磁电动机（TFPMM）。
定子铁心
电枢线圈
护铁
电磁屏蔽护罩 静止盘 旋转盘
冷却回路
定子电枢绕组 转轴
制冷模块 真空腔
转子支架 超导励磁绕组
机壳
HTS同步电动机结构示意图
半超导 电机
-20-
船用推进电动机的最新进展
与传统技术相比，HTS同步电动机的最大优势是没有铁的定子齿部，较大 的气隙允许设计人员对主要的电磁参数（如同步电抗、瞬变电抗和超瞬变电抗） 进行调整，以获得最大的比功率。
上海海事大学物流工程学院学术讲座
船用推进电动机的最新进展
谢卫
（电气自动化系）
2013.6.7
-1-
船用推进电动机的最新进展 船用推进电动机的技术要求：
（1）高可靠性 （2）容量大 （3）低速转矩大 （4）可控性好 （5）比功率高 （6）高效节能 （7）振动和噪声小
-2-
船用推进电动机的最新进展
c1
b2
b3 b4
b)
多相交流电动机的定子绕组结构
-18-
船用推进电动机的最新进展
法国Alstom公司2004年研制的由三个独立的五相H桥PWM逆变器供电的 十五相异步电动机变频调速系统，最高效率可达97.1%，20%额定转速时的效 率也有80%，在先进的海军舰船电力推进系统中发挥了重要的作用。
整流
普通推进电动机
直流电动机 交流电动机
异步电动机 同步电动机
特种推进电动机
永磁同步电动机 开关磁阻电动机 多相交流电动机
高温超导电动机
-3-
船用推进电动机的最新进展 1. 普通推进电动机
1.1 直流电动机 优点 —— 控制简单、调速方便 缺点 —— 换向器+电刷（机械磨损）
双向连续 160m 300m
-0.4~4.7% 1级无火花换向
5000h PWM斩波器
1:20
*中国船舶重工集团公司第712研究所
-5-
船用推进电动机的最新进展
功率等级
用于水下机器人的永磁直流推进电动机
30W、41 W、160 W、500 W、950W（五档）
转速等级
500 r/min、630 r/rnin、1000 r/min、1500 r/min、1800 r/min（五档）
永磁体 转子磁极
-14-
船用推进电动机的最新进展
2.1.3 横向磁通永磁同步电动机
TFPMM的最大优点是：各相绕组之间完全物理隔离，没有相间的电磁耦 合，并且磁路和电路互不干扰，可以大大提高电机的功率密度。 下表是英国 20 MW横向磁通永磁推进电机的主要技术参数：
额定功率 额定转速 转速范围 变换器直流环节电压 优选冷却方式
逆变1
交流 电源
电动机
负载
逆变2
多相交流变频调速系统的基本组成
-19-
船用推进电动机的最新进展
2.4 高温超导电动机
高温超导（High Temperature Superconducting，HTS），实际上只是一 种相对概念，通常是指超导材料的临界温度较高（目前已可达到100K以上）。 高温超导对设备的要求比低温超导简单得多。
N
S
S
N
a)
NS
N
S
S
N
SN
b)
-12-
船用推进电动机的最新进展
2.1.2 轴向磁通永磁同步电动机
1990年，美国的Kaman公司与Newport News船厂共同研制了18MW的轴 向磁通永磁推进电机，其突出特点是：轴向尺寸短，可适用于安装空间较小的 场合，并且冷却方便（盘式电机）。
-13-
船用推进电动机的最新进展
燃料电池
90V（标称电压）
永磁材料
钕铁硼
工作水深
300m（充油内压平衡式密封结构）
体积重量
Φ110 mm×370mm，<10kg
噪声等级
120db
*北京航空航天大学和沈阳工业大学
-6-
船用推进电动机的最新进展
1.2 交流异步电动机 与直流推进电机相比较，其主要优势表现为： （1）异步推进电机没有换向器，其极限容量远大于直流推进
进电机相比，效率通常高2%~3%。 （3）可采用较高的电压，减小设备体积与重量。目前直流推
进电机的最高电压为1kV，而异步推进电机的电压可达6.3~7.5kV。 （4）结构简单，维护方便，成本低廉。
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船用推进电动机的最新进展
法国Alstom公司研制的先进感应电机（Advacned Induction Motor，AIM）：
额定功率 额定相电压 额定相电流 额定负载功率因数 额定转速 额定频率 直轴同步电抗
5MW 2400V 715A 1 230r/min 11.5Hz 0.32pu
高温超导电机在任何转速下都能在接 近最大效率下运行，尤其可贵的是在低速 下运行，其效率比普通电机高出许多，而 低速运行又是船舶经常出现的工况，即使 在30%额定航速下，其效率也能超过90%。
2.1 永磁同步电动机
永磁同步电动机的基本拓扑结构
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船用推进电动机的最新进展
2.1.1 径向磁通永磁同步电动机
径向磁通永磁推进电机的代表是德国Siemens公司研制的PERMASYN永 磁推进电机，这是世界上第一台成功应用于常规潜艇推进系统的新型高功率密 度电机，其输出功率等级从1.7MW到5MW不等，可以适应各类常规潜艇的具 体要求。
2.2 开关磁阻电动机
开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor）简称SR电机，是随着现代 电力电子技术和计算机控制技术的发展而诞生的，具有许多独特的优点，如结 构简单，可靠性高、效率高、起动和调速性能好等。它首先在电动车驱动系统 中得到应用，也是比较理想的中小型船用推进电动机。
极数 频率 相数 盘数
20MW 180r/min -100/0/100%
5kV 水冷 130 195Hz 16
4
每盘转子轮缘数 永磁材料
额定力密度 额定效率 总直径 总长 轴直径
总重量（估计） —
4 NdFeB 120kN/m2 >98% 2.6m 2.6m 500mm
39t —
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船用推进电动机的最新进展
目前工程上可以实现的同步电动机 最大输出功率已达到100MW。
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船用推进电动机的最新进展
1.3 交流同步电动机 与异步电动机相比，同步电动机具有调速范围宽、功率因数
高，耐冲击能力和过载能力大等优点。
电源
变频装置 控制装置
电动机 位置传感器
负载
自控式同步电动机变频调速系统
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船用推进电动机的最新进展 2. 特种推进电动机
气隙大
极数多
相数多
转速 100% 80% 60% 40% 20%
每槽每极导体数少
效率
97%
97.1 95.5 93% 80%
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船用推进电动机的最新进展
1.3 交流同步电动机 与直流电动机相比，同步电动机具有结构相对简单、体积小、
重量轻、效率高等优点。由于没有换向器，其极限容量远远大于 直流电动机。可以采用较高的电压，从而减轻设备的体积和重量。 在额定功率和额定转速相同的条件下，同步电动机的占地面积仅 为直流电动机的1/2，而效率可高出3%左右，维护工作量减少至 1/8，且坚固耐用，运行可靠。
直轴瞬变电抗
0.24
直轴超瞬变电抗
0.16
电枢短路时间常数
0.069s
直轴超瞬变短路时间常数 0.02s
交轴超瞬变短路时间常数 0.028s
美国5MW、
230r/min HTS 同步电动机
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上海海事大学物流工程学院学术讲座
谢谢各位！
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nN
nM
n
四相8/6极SR电机的典型结构
开关磁阻电动机的运行特性
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船用推进电动机的最新进展
2.3 多相交流电动机
低压大功率
十二相四Y移15º绕组
转矩脉动小 可靠性较高
a2
a1
a4 a3 a2 a1
系统效率高
30º
b1
b2
六相双Y移30º绕组
a)
15º
c4
c2
c3
c2
c1 b1
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船用推进电动机的最新进展
额定功率 额定电压 额定效率
额定转速
永磁材料 绝缘等级 防护型式
用于深潜器的永磁直流推进电动机
2kW 110V 88~89%
运行方式 工作水深 最大水深
1500r/min（减速器）
转速容差
530r/min（动力定位）
火花等级
钕铁硼 F级
全干式潜水
MTBF 调速方式 调速比
给定速度
控制器
功率 变换器
SR电机
负载
电流检测 位置检测
开关磁阻电机驱动系统的基本组成
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船用推进电动机的最新进展
开关磁阻电动机： 步进电动机+闭环控制（双边凸极电机）
D' C'
A
i S1
B
VD1 a
C
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恒转矩区
来自百度文库
恒功率区
自然特性区
T C
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U
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B'
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VD2 S2
T2 C
0
2.1.3 横向磁通永磁同步电动机
横向磁通电动机（Transverse Flux Motor）简称TFM，其磁通方向与转 子旋转方向相垂直，或者说，在TFM中定、转子的磁通方向限定在与转子旋 转方向垂直的平面内。目前已有的TFM均采用永磁材料，所以又称为横向磁 通永磁电动机（TFPMM）。
定子铁心
电枢线圈
护铁
电磁屏蔽护罩 静止盘 旋转盘
冷却回路
定子电枢绕组 转轴
制冷模块 真空腔
转子支架 超导励磁绕组
机壳
HTS同步电动机结构示意图
半超导 电机
-20-
船用推进电动机的最新进展
与传统技术相比，HTS同步电动机的最大优势是没有铁的定子齿部，较大 的气隙允许设计人员对主要的电磁参数（如同步电抗、瞬变电抗和超瞬变电抗） 进行调整，以获得最大的比功率。
上海海事大学物流工程学院学术讲座
船用推进电动机的最新进展
谢卫
（电气自动化系）
2013.6.7
-1-
船用推进电动机的最新进展 船用推进电动机的技术要求：
（1）高可靠性 （2）容量大 （3）低速转矩大 （4）可控性好 （5）比功率高 （6）高效节能 （7）振动和噪声小
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船用推进电动机的最新进展
c1
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b3 b4
b)
多相交流电动机的定子绕组结构
-18-
船用推进电动机的最新进展
法国Alstom公司2004年研制的由三个独立的五相H桥PWM逆变器供电的 十五相异步电动机变频调速系统，最高效率可达97.1%，20%额定转速时的效 率也有80%，在先进的海军舰船电力推进系统中发挥了重要的作用。
整流
普通推进电动机
直流电动机 交流电动机
异步电动机 同步电动机
特种推进电动机
永磁同步电动机 开关磁阻电动机 多相交流电动机
高温超导电动机
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船用推进电动机的最新进展 1. 普通推进电动机
1.1 直流电动机 优点 —— 控制简单、调速方便 缺点 —— 换向器+电刷（机械磨损）
双向连续 160m 300m
-0.4~4.7% 1级无火花换向
5000h PWM斩波器
1:20
*中国船舶重工集团公司第712研究所
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船用推进电动机的最新进展
功率等级
用于水下机器人的永磁直流推进电动机
30W、41 W、160 W、500 W、950W（五档）
转速等级
500 r/min、630 r/rnin、1000 r/min、1500 r/min、1800 r/min（五档）
永磁体 转子磁极
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船用推进电动机的最新进展
2.1.3 横向磁通永磁同步电动机
TFPMM的最大优点是：各相绕组之间完全物理隔离，没有相间的电磁耦 合，并且磁路和电路互不干扰，可以大大提高电机的功率密度。 下表是英国 20 MW横向磁通永磁推进电机的主要技术参数：
额定功率 额定转速 转速范围 变换器直流环节电压 优选冷却方式
逆变1
交流 电源
电动机
负载
逆变2
多相交流变频调速系统的基本组成
-19-
船用推进电动机的最新进展
2.4 高温超导电动机
高温超导（High Temperature Superconducting，HTS），实际上只是一 种相对概念，通常是指超导材料的临界温度较高（目前已可达到100K以上）。 高温超导对设备的要求比低温超导简单得多。
N
S
S
N
a)
NS
N
S
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SN
b)
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船用推进电动机的最新进展
2.1.2 轴向磁通永磁同步电动机
1990年，美国的Kaman公司与Newport News船厂共同研制了18MW的轴 向磁通永磁推进电机，其突出特点是：轴向尺寸短，可适用于安装空间较小的 场合，并且冷却方便（盘式电机）。
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船用推进电动机的最新进展
燃料电池
90V（标称电压）
永磁材料
钕铁硼
工作水深
300m（充油内压平衡式密封结构）
体积重量
Φ110 mm×370mm，<10kg
噪声等级
120db
*北京航空航天大学和沈阳工业大学
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船用推进电动机的最新进展
1.2 交流异步电动机 与直流推进电机相比较，其主要优势表现为： （1）异步推进电机没有换向器，其极限容量远大于直流推进