船用五相永磁同步推进电动机的设计与分析

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船舶电力推进永磁同步电机控制系统的研究

船舶电力推进永磁同步电机控制系统的研究摘要：文章介绍船舶永磁同步电机控制技术中矢量控制、直接转矩控制、自适应控制和智能控制技术的国内外研究现状，以矢量控制技术为例，介绍其主电路、控制电路、驱动电路和保护电路等硬件和主程序及中断服务子程序等软件的设计要点。

关键词：电力推进；永磁同步电机；硬件；软件1引言近年来随着电力电子技术、变频调速技术以及电机控制理论的发展，目前船舶动力推进方式都采用的是电力推进的先进模式，即利用推进电机直接带动螺旋桨旋转来推动船舶行进。

此推进方式可以增加机舱的利用率、提高船舶的有效载荷、降低燃油消耗以及对环境的污染，而且还具有振动小、噪音低、操纵简单、经济性高等优点，使船舶具有较高的机动性能。

推进电机是船舶电力推进中的主要动力装置，采用的是变频器对永磁同步电动机进行变频调速的控制方式，此种电机具有体积容量小、功率密度大、运行效率高、控制性能好等优点，其构成的系统具有非线性、强耦合等特点，其控制策略也较为复杂，通常采用矢量控制、直接转矩控制、自适应控制和智能控制能方式。

2船舶永磁同步电机控制技术研究现状永磁同步电动机采用稀土材料，且不具有滑环、电刷和励磁绕组等结构，具有体积小、使用寿命长、结构简单、功率密度大等特点，可以分为表贴式、表面嵌入式、内埋式三种结构形式，且目前使用的控制策略有矢量控制、直接转矩控制、自适应控制和智能控制等，其中，矢量控制技术起源于上世纪70年代的德国，是由异步电动机上发展而来的，就是利用空间矢量的理念将定子电流解耦为两个分量，即励磁电流分量和转矩电流分量，这两个分量相互正交，可以通过矢量坐标变换实现对定子电流的解耦控制。

此外，随着微处理器技术的发展和应用，简化了矢量控制的电路设计，提高了系统的抗干扰能力，并就有优良的转矩响应和精确的转速控制。

直接转矩控制理论起源于上世纪80年代的德国和日本，通过磁链观测器观测电化的定子磁链，计算出电机转矩，然后确定定子磁链所处在的扇区，将电机实际磁链和转矩与给定值分别进行比较，经过磁链和转矩调节器得到输出结果，结合定子磁链扇区信号选择空间电压矢量，控制定子磁链幅值恒定和转矩角的变化，从而实现对电机转矩的直接控制。

船用一体化泵永磁电机设计与研究

关键词：永磁电机；船舶水泵；时步有限元法；启动性能；稳态性能中图分类号：TM351 文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd21398
Design and Analysis of Permanent Magnet Motor for Marine Integrated Pump JIANG Chao，QIAO Mingzhong，PENG Wei
（College of Electric Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China）
Abstract: According to the special requirements of the ship pump system for the volume and noise of the motor，the marine pump self-starting motor was designed and manufactured. Time-stepping finite element method （FEM）was used to calculate the starting and steady-state performance. The influence of the load type and inertia of the system on the starting time，and polar arc coefficient on the torque pulsation were analyzed. The motor steady state efficiency was compared with that of the asynchronous motor. The experiment verifies the accuracy of the calculation model. The results indicate that the starting time of self-starting permanent magnet moter is shorter when driving water pump load. The starting time is increased with the inertia of system increasing. The reduction of the 5 and 7 harmonics content of air gap flux density is beneficial to reduce the steady state torque ripple of the selfstarting permanent magnet motor. The copper loss of the starting cage during steady state operation cannot be ignored. The self-starting permanent magnet motor that the starting cage is under the permanent magnet，has better steady state performance under the premise of ensuring starting performance and is more suitable for supporting marine pump.

基于永磁同步电机的船舶电力推进及其控制策略优化研究

基于永磁同步电机的船舶电力推进及其控制策略优化研究刘㊀磊摘㊀要：以电力作为船舶的动力是当前船舶动力中较为先进的一种方式，其原理是将电力作用在螺旋桨上，通过使螺旋桨旋转来为船舶提供充足的推动力㊂时至今日这种方式已经被应用了将近２００年，而永磁同步电机的出现使得船舶电力推进获得了全新的发展㊂基于此，文章将围绕以永磁同步电机作为船舶电力推进及相关控制策略优化内容进行研究㊂关键词：永磁同步电机；船舶；电力推进；控制策略一㊁引言船是人类迈向大海的重要交通工具㊂及至２０世纪８０年代中期，电力电子技术㊁交流变频调速技术与电机控制技术的飞速发展使得电力推进船舶拥有了可靠的技术支持，在最大限度上提升了船舶电力系统的可控性㊁机动性㊁推进功率与运转效率，进而扩大了船舶电力的应用领域㊂但相比世界发达国家，我国在船舶电力推进及控制方面的有效研究与应用尚处于起步阶段，此外，船舶电力本身又存在投资高㊁管理维护难度大的缺点，使得船舶电力推进及控制策略优化的研究变得愈发重要㊂二㊁永磁同步电机与船舶电力推进系统（一）永磁同步电机永磁同步电机是以绕线转子同步电机为基础，通过将转子更换为永久磁铁（后者转子的功能由电励磁系统负责）实现的㊂相比绕线转子同步电机，永磁同步电机节约了励磁绕组㊁集电环与电刷装置三个结构，因此具有更加简单的结构特点㊂当前永磁同步电机主要根据转子永磁体的安装方式不同分为面装式㊁内装式与嵌入式三种类型，嵌入式与内装式将永磁体装在转子铁芯内部，因而适用于高速运行需求；面装式则将永磁体直接装在转子铁芯表面，因而转速较低，但对电动机动态性能的改变有积极影响㊂而其控制系统则由电机本体㊁控制器㊁功率驱动器㊁位置传感器与电力电子变换装置五个主要部分构成㊂（二）船舶电力推进系统船舶电力推进系统具有一定的复杂程度，其动力输出的顺序为原动机－发电机－推进电机－螺旋桨，因而在系统构成上包括了原动机㊁发电机组㊁配电装置㊁变频调速装置㊁推进电机及螺旋桨（推进器）几部分，此外还需配置相应的控制系统及监控设备，用以对整个推进系统进行有效的控制与监控㊂其中原动机的类型会根据船舶的不同用途与体积进行选择，通常小型电力推进船舶应用的是中高速或高速柴油机，而大型电力推进船舶应用汽轮机或燃气轮机较多㊂发电机与推进电机的种类也很多，上文所说的永磁同步电机就属于推进电机㊂但在推进器的选择上则以螺旋桨为主㊂三㊁船舶电力推进的优势结合上文可知船舶电力推进是以电力作为推动船舶航行的主动力，相比传统的机械推进，其优势主要表现在以下几方面：第一，实现了对船舶动力配置与布局设计的优化，应用电力推进的船舶将电气连接取代了机械传动装置的长轴系连接，因而在配置上具有更高的灵活性，对船舶空间的设计优化也有很大帮助；第二，船舶电力推进具有更强的机动性，通过调节电动机的转速就能实现对推进器转速的控制，吊舱式螺旋桨的设计也能实现舵的全方位旋转，因而大幅提升了船舶的可操作性；第三，震动噪声小，电力推进船舶的形式省略了螺旋桨与主机之间的传动轴系，在结构性设计上也使船尾远离客舱，因而螺旋桨及电机转动产生的噪声与振动被控制在最低水平，有效提升了船舶环境舒适度；第四，安全性高，电力推进系统的重量和体积并不大，在大型船舶上能够同时配置两套及以上推进系统相互备用，在保证全船功率的同时又大幅提升了船舶航行的安全性与可靠性㊂除此之外船舶电力推进还具有经济性强㊁节能环保㊁建造周期短㊁自动化程度高㊁便于维护㊁使用寿命长等众多优势㊂四㊁基于永磁同步电机的船舶电力推进控制策略优化（一）控制原理电力推进船舶中永磁同步电机的控制采用了矢量控制的思想，即模仿直流电机的控制方式，通过对定子电流转矩分量的调整来使电机转矩控制性能得到有效改善㊂虽然这一方法具有间接性，但优势在于转矩响应快㊁速度控制精度高等，因而能够实现大范围㊁高精度㊁强动态性的调速或定位控制㊂其控制系统是一个由电力内环与速度外环构成的双闭环控制系统㊂在整个系统中，电流调节器负责输出相应控制信号，来驱动逆变器并使之为电机供应电力，但在这之前需要检测永磁同步电机的转速，之后由转速调节器输出定子电流的参考值，并以坐标变换的形式输出电流的给定值，在给定电流值与永磁同步电机进行对比之后，电流调节器才能发挥作用㊂（二）控制策略优化结合建立起的矢量控制系统仿真波形图像可以看出，永磁同步电机控制系统在应用了双闭环矢量控制之后，其动态响应速度及控制精度都能获得很大提升，与此同时，会造成超调时间与调整时间的大幅上升，如果将该系统应用在船舶上，意味着船舶在起动㊁突然增加负载之后需要很长的时间才能使动力稳定㊂此外电力电子器件本身具有整流逆变作用，同时电机又具有强耦合㊁非线性的特质，因此会导致轴系振动的情况出现，这会影响到推进系统整体的性能㊁船舶运行的稳定性与使用寿命㊂为解决这一情况，需要尽可能减少轴系的振动效应㊂在具体的方法上采用了增加转矩环控制的做法，这是由于矢量控制虽然具有更宽的调速范围及更高的控制精度，但转矩动态响应速率不理想，因而抗干扰能力也不足，因此需要在矢量控制双闭环的基础上增加一条转矩环控制，用以直接调节电机的输出转矩，增强系统响应负载变化的速率，减少因转矩造成的波动㊂结合增加转矩环后的永磁同步电机矢量控制图来看，由于实现了矢量控制与直接转矩控制两者的优势互补，其表现更加平稳，在对负载转矩进行响应的过程中也表现出了更强的灵敏性㊂五㊁结语综上所述，应用了永磁同步电机的船舶在电力推进上实现了较高的控制精度与较快的动态响应速度，但会由于设备本身某些性能的影响导致轴系振动，影响推进系统的性能与安全性㊂针对这种情况可采取增加一条转矩环控制输出转矩的方法，以实现两者优势互补的方式全面提升船舶的可操作性㊂参考文献：［１］陈再发，刘彦呈，卢亨宇．船舶推进永磁同步电机参数在线辨识方法研究［Ｊ］．电机与控制应用，２０１８（１０）：６９－７５．［２］李云鹏，赵宏革，李世霖，等．船舶电力推进永磁同步电机ＳＶＭ－ＤＴＣ控制系统优化［Ｊ］．船电技术，２０１７（２）：４３－４７．作者简介：刘磊，青岛北海船舶重工有限责任公司㊂８９１。

17.船用永磁推进电动机电磁设计研究-中船重工

CSIEM题目：船用永磁推进电动机电磁设计研究论文作者：片亨范娄振袖张哲王雨星日期：2015年10月作者单位：中船重工电机科技股份有限公司中船重工电机科技股份有限公司兴船报国创新超越CSIEM综合电力推进系统组成中船重工电机科技股份有限公司兴船报国创新超越CSIEM 对船用推进电机技术要求：高可靠性、大容量、低速大转矩、可控性好高功率密度、效率高、功率因数高、振动和噪声小等。

直流电动机优点：可控性好，调速方便。

缺点：电刷滑环存在，可靠性低，极限容量小。

异步电动机优点：结构简单可靠，极限容量大。

缺点：多极功率因数低，不适合低速直驱。

永磁电动机优点：高效率，高功率因素，高功率密度，适合直驱。

缺点：成本高。

中船重工电机科技股份有限公司兴船报国创新超越兴船报国创新超越中船重工电机科技股份有限公司CSIEM电机相数和极数小容量电机：一套三相绕组大容量电机：多套多相绕组低速直驱：多极数兴船报国创新超越中船重工电机科技股份有限公司CSIEM定子槽数整数槽：槽数多，铁芯粗短，斜槽困难，槽利用率低。

节距为1的分数槽：槽数少，铁芯可以粗短或细长，不需斜槽，槽利用率高。

兴船报国创新超越中船重工电机科技股份有限公司CSIEM定子槽数表1 节距为1的分数槽电机定子槽数和极数常用配合注：由于不平衡磁拉力的原因，*为不推荐的定子槽数和极数配合兴船报国创新超越中船重工电机科技股份有限公司CSIEM过载倍数过载倍数：对于螺旋桨负载，由于功率与转速平方成正比，并且电机额定转速一般取为最高转速，对船用永磁推进电动机的过载能力要求不高，最大转矩一般为额定转矩的1.2～1.5倍即可。

兴船报国创新超越中船重工电机科技股份有限公司CSIEM永磁体结构表贴式电机：隐极电机，涡流损耗大，需要紧固，抗退磁能力相对较弱。

采用轮辐轴，便于减重。

内置式结构：采用切向充磁，每极磁通大，适合多极电机。

凸极电机，涡流损耗小，不需要紧固，抗退磁能力相对较强，漏磁系数较大，需要隔磁桥。

永磁电机在船舶电力推进中的应用和仿真

永磁电机在船舶电力推进中的应用和仿真永磁电机在船舶电力推进中的应用和仿真永磁电机作为船舶综合电力推进电机,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。

本文回顾电力推进的发展和永磁电机在电力推进中的应用,分析永磁电机电力推进系统仿真的必要性, 并介绍永磁电机电力推进系统的仿真建模。

1.船舶电力推进的历史与现状船舶依靠自身配备的发电装置获取电能来驱动船舶运动的推进方式称为船舶电力推进。

船舶电力推进至今已有百余年历史。

早期主要是直流推进,多数用于潜艇。

20世纪八十年代以来,随着现代电力电子技术和电子器件飞速发展,现代船舶电力推进日趋高性能化,有利于设备的总体独立布置,提高船舶机动性能和推进效率,节能并利于环保,还能缩短建造周期和降低全寿命周期费用。

今天,进人实用阶段的永磁电机可大大减少舰船电力推进设备的体积和重量; 超导技术和燃料电池的研究也在某些技术领域有了一定的进展。

这些技术的发展, 使电力推进逐渐成为未来舰船动力的发展方向。

2.永磁电机的特性电机是以磁场为媒介,进行机械能和电能相互转换的电磁装置。

永磁电机是用永磁材料在电机内建立机一电能量转换所必须的气隙磁场。

永磁材料预先磁化后不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场,既可以简化电机结构, 又可以节约能量。

永磁交流电机正常工作时转子与定子磁场同步运行, 转子绕组无感生电流, 不存在转子电阻和磁滞损耗, 所以(与一般交流电机相比):①提高电机效率。

功率因数高, 无感应电流励磁, 定子绕组呈现阻性负载,电机的功率因数近于1, 减小了定子电流, 进一步提高了电机的效率。

②节省电网投资。

功率因数高, 提高了电网的品质因数, 减少输变电线路的损耗, 降低输变电容量。

③起动力矩大。

可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的一般电机, 较好地解决“大马拉小车”的现象, 节省设备投人费用, 提高系统运行效能。

④力能指标好。

由于效率高和功率因数下降甚微, 负荷只有20 %时, 永磁电机力能指标仍为满负荷的80 % 以上。

自-基于永磁同步电动机的船舶电力推进系统

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 permanent magnet synchronous motor in electric propulsion system application advantage and development foreground, for permanent magnet synchronous motor's working principle, structure, advantages and the control methods are analyzed.At the same time, also introduced an advanced ship podded electric propulsion 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 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。

5_5kW永磁调速同步电动机的设计与分析

第27卷第5期贵州大学学报(自然科学版)V o.l27N o.5 2010年 10月Journa l o f G uizhou U n i ve rsity(N atura l Sc i ences)O ct.2010文章编号 1000-5269(2010)05-0051-055.5k W永磁调速同步电动机的设计与分析吴亚麟*(福州职业技术学院技术工程系,福建福州350108)摘要:永磁同步电动机气隙磁场是由永磁体提供的,无需励磁电流,采用闭环矢量控制策略有效地提高了永磁同步电动机变频调速的动态性能,本文介绍5.5k W稀土永磁调速同步电动机的设计和样机测试,分析调速性能和经济指标。

关键词:稀土永磁同步电动机;矢量控制;调速;动态性能;经济指标中图分类号:TM351 文献标识码:A电机的气隙磁场是实现机电能量转换的载体,稀土永磁同步电动机的气隙磁场是由永磁体提供的,无需励磁电流和励磁损耗,同步转速运行转子方不产生铜耗和铁耗,效率和功率因数高于异步电动机3%-10%。

上世纪九十年代中期,我们课题组成功地研制了油田抽油机配套的XYT系列异步自启动稀土永磁同步电动机,并分别送到胜利、辽河、大港、冀东、延安等国内各大油田,由当地油田节能监测站主持进行与Y系列异步电动机现场比较实测,在同一工况条件下实测结果是稀土永磁同步电动机相对于Y系列电动机综合节电率达15% -30%左右,而且在中、轻载运行时,稀土永磁同步电动机仍具有较高的效率和功率因数特点,解决了抽油机配用异步电动机出现大马拉小车!而造成能源浪费的现象。

该项目于2002年通过福建省级科技成果鉴定(闽科鉴字[2002]第32号),近年来大批量生产投放在各油田推广应用。

电动机及其驱动系统的耗电量约占工业用电总量的三分之二左右,2006年国际电工委员会I E C 制定了I E C60034-30电动机新标准,其目的在于淘汰低效率电动机,开发与应用高效率和超高效率电动机,美国在NE MA高效电机的基础上又制定了新NE MA高效标准,把效率指标再提高2%-3%,在我国十一五!规划的节能工程中涉及到更新和淘汰低效率电动机及高耗电设备,推广高效节能电动机、稀土永磁电动机、高效传动系统等,所以开发高效节能稀土永磁电动机具有实际工程应用的意义。

船用无刷直流推进电动机运行特性分析

稳定性。它通过相数的扩展来实现低压大容量。
提高电动机运行效率。
在结构选择方面，绕组接法一般情况下有星形和三角形两种，图１采用星形Ｙ接法。因为三角形
基于这些优点，多相电动机在大功率和大电流场合应用很方便。它可应用于军事、航空航天、核电
关键词：船舶电力推进；五相无刷直流电动机；不同导通方式；仿真分析
０引言
１基本结构
无刷直流电动机是电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。与普通有刷直流电动机和感应电动机相比较，无刷直流电动机具有如下优势：１）经电子换相获得类似直流电动机的运行特性，有较
无刷直流电动机的四四导通、五五导通和五四导
通这三种导通方式，进行了仿真分析并作了比
较。分析多相无刷直流电动机的优势，比较三种导通方式下哪种导通方式性能更好，使得我们更
完善地了解五相无刷直流电动机的运行特性。
ｌ生。
图１五相绕组星形连接桥式电路
一
１６一
船用无刷直流推进电动机运行特性分析
设计与研究
接法容易使得电路在封闭绕组内形成谐波环流，所
以现代无刷直流电动机绝大多数采用星形接法。在

船舶电力推进永磁同步电动机的起动及制动

第３２卷第２期
２０１３年３月
浙江海洋学院学报（自然科学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
ＭｏｔｏｒＳｔａｒｔｉｎｇａｎｄＢｒａｋｉｎｇ
ｊＩＱｉｎｇ－ｓｈａｎ，ＳＨＡＮＨａｉ－ｘｉａｏ
（１．ＤｏｎｇｈａｉＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＳｃｈｏｏｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｏｕｓｈａｎ３１６００４；
ＶｏｌＩ３２Ｎｏ．２Ｍａｒ．，２０１３
文章编号：１００８ — ８３０Ｘ（２０１３）０２ — ０１１９ — ０４
船舶电力推进永磁同步电动机的起动及制动
计青山１，单海校２
（１．浙江海洋学院东海科学技术学院，浙江舟山３１６００４；２．浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山３１６００４）
ｂｒａｋｉｎｇａｒｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｈｏｕｌｄｉｆｒｓｔｌｙｓｏｌｖｅ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｂｉｒｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｍａｉｒｎｅｅｌｅｃｔｉｃｒｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆＰＭＳＭｓｔａｒｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓａｎｄｂｒａｋｉｎｇｃｈｒａａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｗｅｒｅｄｏｎｅ，ａｎｄｏｐｅｎ－ｌｏｏｐｖａｉａｒｂｌｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｔｒｉｎｇｍｏｄｅａｎｄＤＣｂｒａｋｉｎｇｍｏｄｅｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｏｒｔｈｅｏｖｅｒｃｕ￣ｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍ，，；ｏｃｃｕｒｒｉｎｇｉｎｓｔａｒｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅｐｕｍｐｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｏｃｃｕｒｒｉｎｇｉｎｔｈｅｂｒａｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｆｔｅｒａｎｌｙａｓｉｓ，ｉｎｔｈｅｓｈｉｐｒｕｎｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｅｄｓｔａｒｔｉｎｇａｎｄｂｒａｋｉｎｇｍｏｄｅｓｗｅｒｅｓｉｍｐｌｅａｎｄｒｅｌｉｂｌａｅ．Ｔｈｅｓｔａｔｒｉｎｇａｎｄｂｒａｋｉｎｇｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅｗｅｒｅｇｏｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；ｓｔａｒｔｉｎｇ；ｂｒａｋｉｎｇ；ｖａｉｒｂｌａｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ

船用永磁同步电机的控制探讨

114丨电力系统装备 2019.3当代船舶动力系统基本延续了传统的柴油机-轴系-螺旋桨传动方式[1]，但在船舶大型化和水上交通管理规范化的背景下，传统的船舶推进体系已经很难满足新时期的要求。

现代船舶要求具有较好的机动性能、较低的污染和较高的安全性，因此基于永磁同步电机的船舶动力推进技术成为一种重要的发展趋势[2]。

永磁同步电机通常具有体积小、重量轻、控制简单等优势，成为大型船舶电力推进系统的最佳选择。

永磁同步电机能否充分发挥其作用，关键在于电机控制策略是否科学合理。

目前广泛采用矢量控制和直接转矩控制方式对永磁同步电机进行控制[3]，这也正是本文要开展的主要研究工作。

1 永磁同步电机控制概述矢量控制和直接转矩控制是当前永磁同步电机广泛采用的两种控制策略。

（1）矢量控制技术。

矢量控制技术是由德国学者F.Blaschke 于上世纪70 年代提出的，该技术的诞生是交流高速技术发展史上的一次重大理论突破，但由于当时的器件和工艺等限制，其应用十分局限。

到上世纪末，随着开关器件和数字信号处理技术的发展，矢量控制技术在性能上得到了很大提高，其应用范围空前扩大，从此成为电机控制领域的重要理论方法[4]。

（2）直接转矩控制技术。

直接转矩控制技术也是永磁同步电机的常用控制策略之一，该技术最早由德国学者M.Depenbrock 于上世纪80年代提出，并在其后不断提到完善。

到目前为止，直接转矩控制技术已经可以满足各种大功率电机的控制要求。

直接转矩控制技术与矢量控制技术最大的不同在于，其可以直接对电机的转矩进行控制，而不再需要对电机数学模型实施解耦交流等工作，因而使控制系统的结构得到极大的简化。

由于采用了定子磁场控制，直接转矩控制技术在转矩响应速度上有很大的优势，并且其总体性能与电机本身的参数没有关系，因而具有很强的移植性。

直接转矩控制在本质上属于一种实时反馈系统，但由于数据传输等原因可能存在一定的误差，造成转矩的脉动和电流的畸变。

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高；目前对于中大容量的船舶电力系统，主流趋势是
采用中压电网供电，ＩＥＥＥ规定的标准中压等级有３３００Ｖ、４０００Ｖ、６０３０Ｖ等，本文采用的是６０００Ｖ电压等级。所设计电机的额定数据如表１所示。
率多相电机的设计和分析提供了一定的理论基础。关键词：五相电机；永磁推进电机；Ａｎｓｏｉ；ｆ有限元分析
０引言
进电机使用，还能够以五相对称绕组为基础组成十相、十五相等更多相数的推进电机，因此对五相永磁
用ＡｎｓｏｆｔＲＭｘｐｒｔ模块快速生成永磁电机模型，导人到ＡｎｓｏｆｔＭａｘｗｅｌｌ２Ｄ中建立了五相永磁电机的二维
有限元仿真模型，分析其空载及额定负载特性。仿真结果表明，该设计方案具有一定的合理性，为大功
表１额定数据
额定功率Ｐ／ｋＷ额定线电压Ｕ／Ｖ定子绕组接法
额定频率－厂／Ｈｚ
１０００６０００Ｙ接
５０
极对数Ｐ额定效率＇７额定功率因数ｃｏｓ
额定转速ｎＮ／（ｒ・ｍｉｎ）
进行了研究，但多集中于其控制方法的实现方面，且感应电机偏多，对于五相永磁同步电机的设计则很少涉及。五相永磁同步电机不仅能够单独作为船舶推
若采用低压电网供电，则电流会很大，从而损耗很大，效率低；若采用高压电网，则对系统器件要求较
６０．９４０．９５
５００
１．２电机主要尺寸设计
永磁电机的主要尺寸包括定子内径Ｄｉ和定子
Ｐ，：
ＮＣＯＳ￣Ｎ
（２）
铁心有效长度ｚ它们可由式（１）～式（３）联合估
算得到：
Ａ＝
争＝击鲁每㈩
２ｐ
挚Ｐ＝ｏＬＫＮ６．Ｋ１ＡＢ
、（１）波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于１．１ｌ；。为
其中Ｏｌ为计算极弧系数，初选０．７；ＫＮ为气隙磁场的
计算结果如表２所示。
表２电机主要设计参数及计算结果定子外径Ｄｌ／ｍｍ定子内径Ｄ／ｍｍ
转子外径Ｄ２／ｍｍ Байду номын сангаас铁心长度Ｌ／ｍｍ
取Ａ：１～３．５，且极数越多值越大，本例初选３。从
而可初步得到定子内径Ｄ和定子铁心有效长度Ｚ舯
２０１７．Ｎｏ．２
船用五相永磁同步推进电动机的设计与分析
设计与研究
船用五相永磁同步推进电动机的设计与分析
汪佳龙，谢卫，沈佳
（上海海事大学，上海
２０１３０６）
摘
要：根据五相永磁同步推进电机的性能指标要求，初步完成电动机的主要尺寸及永磁体设计，并运
机，其值都相应要略高，本例初选Ａ＝５０ｘ１０Ａ／ｍ，
Ｂ＝１．０Ｔ。Ａ为主要尺寸比，对于大型电机，通常
２基于等效磁路法的计算结果根据上一节中计算得到的数据在ＡｎｓｏｌｆＲＭｘｐｒｔ模块中建立永磁同步推进电机的基本模型。ＲＭｘｐ￣模块是基于等效磁路法的电机设计模块。对所建立的电机模型进行求解计算，电机的主要设计参数及
同步电机的研究就具有一定的理论和实际意义。本文介绍了利用Ａｎｓｏｌ软件对五相永磁同步推进电机ｆ
推进电机是船舶电力推进系统的关键组成部分，目前常用的推进电机有直流电机、先进感应电机
设计与研究
上海大中型电机
２０１７．Ｎｏ．２
电枢的绕组系数，初选０．９２；电磁负荷Ａ、的选取至关重要，其对电机的性能有着重要影响，对于大型电
Ｎ。＝ —
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以及永磁同步电机，未来还将有高温超导同步电机、
进行电磁设计并对其进行分析的一般过程。
１五相永磁同步推进电机的电磁设计１．１额定数据和性能指标本文所设计的推进电机额定功率达到１０００ｋＷ，
超导单极直流电机等Ｊ。与其他推进电机相比，永磁同步电机凭借高效率、高功率密度、结构简单多样、振动噪声小等诸多优点，正逐渐成为近中期船舶
电力推进系统的理想动力推进装置ｌ２］。
现代船舶综合电力系统的容量一般都很大，因此大多采用大容量多相电动机。多相电机能够缺相运行，容错能力更强Ｊ。近年来众多学者也对多相电机