船舶电力推进技术（第2版）课件 第3章船舶推进电动机

船舶电力推进技术

第三章船舶推进电机

3.1船舶推进电机概述3.1.1推进电机的特点（1）高可靠性（2）大容量（3）低转速、高转矩（4）高比功率（5）宽调速范围和调速性能（6）高效率（7）振动和噪声小（8）多工况运行（9）多电压供电方式3.1船舶推进电机概述3.1.2船舶推进电机的要求对推进电动机的要求，除由推进电机的特点决定外，同时要考虑船舶工作时的环境条件如海水、盐雾、霉菌等，战术技术状态如倾斜、摇摆和冲击的影响等，还要考虑舱内的布置、外形结构尺寸、重量等要求。3.2船舶直流推进电机直流电动机具有良好的运行和控制特性，其调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。本节主要分析直流电机的基本方程、运行特性和船用直流推进电机的特点。3.2船舶直流推进电机3.2.1直流电机的基本原理电磁转矩方程直流电机的电磁转矩和外施转矩动态转矩平衡关系稳态运行转矩关系电磁转矩公式3.2船舶直流推进电机3.2.1直流电机的基本原理电动机电压方程直流电机电势关系电枢电流电压平衡方程电动机反电势3.2船舶直流推进电机3.2.1直流电机的基本原理功率方程为电动机总的功率损耗为空载损耗为空载损耗，为励磁损耗，为铜耗为铁心损耗，为机械损耗，3.2船舶直流推进电机电动机效率；；。

转矩关系；；3.2船舶直流推进电机3.2.2直流他励电动机数学模型船舶电力推进系统一般由螺旋桨、电动机、发电机、原动机以及控制设备组成。3.2船舶直流推进电机3.2.2直流他励电动机数学模型忽略磁场回路涡流影响时的数学模型（1）励磁绕组回路的数学模型3.2船舶直流推进电机（2）触发器与整流器的数学模型准确的近似的3.2船舶直流推进电机（3）励磁系统数学模型忽略磁场回路涡流影响时的动态模型结构图3.2船舶直流推进电机3.2.2直流他励电动机数学模型考虑磁场回路涡流及磁化曲线非线性影响时的数学模型3.2船舶直流推进电机忽略

磁场回路等效电路3.2船舶直流推进电机

励磁回路等值电路故故电动机磁化曲线3.2船舶直流推进电机

根据电动机磁场回路各量之间的相互关系可以得到励磁系统的动态结构图3.2船舶直流推进电机直流电动机的运行特性主要有两条：一条是工作特性，另一条是机械特性，即转速-转矩特性。分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面以并励电动机为例加以研究。并励电动机的接线图3.2.3直流电动机的运行特性3.2船舶直流推进电机工作特性

转速特性转矩特性效率特性并励（他励）电动机的工作特性3.2船舶直流推进电机机械特性

并励电动机的机械特性，常值时电动机的转速与电磁转矩的关系3.2船舶直流推进电机3.2.4船舶直流推进电机特点1．基本型式（1）单电枢单换向器（2）电枢双换向器（3）双电枢双换向器（4）双电枢四换向器2．机座3．定子磁路系统4．电枢5．换向器6．刷架装置3.3交流推进电机在变频调速技术成熟以前，由于交流电机调速性能的限制，交流推进电机主要用于机动性要求不高的船舶，或者作为某些船舶的一种辅助推进。随着电力电子技术、数字控制技术、现代控制理论特别是矢量控制技术和直接转矩控制技术的发展，交流推进电机的调速性能已可与直流推进电机的调速性能相媲美。3.3交流推进电机交流电机优点（1）交流推进电机的极限容量大。（2）降低了电机的总损耗，提高了效率。（3）可以采用较高的电压。（4）交流推进电机结构简单，维护方便、成本低廉。3.3交流推进电机3.3.1多相异步电机数学模型理想条件多相异步电机各相绕组分布图（1）铁磁材料的饱和、磁滞以及涡流影响忽略不计；（2）忽略空间谐波磁场的影响，电机气隙磁场按正弦分布；（3）定子内表面光滑，忽略齿隙和通风槽的影响；（4）电机参数为常数，即不受电流、温度、转速等条件变化的影响；3.3交流推进电机3.3.1多相异步电机数学模型多相异步电机转子鼠笼等效示意图3.3交流推进电机（1）电压方程：（2）磁链方程：（4）转矩方程：（3）运动方程：N相异步电机在自然坐标系下的数学模型3.3交流推进电机N相异步电机在d-q坐标系下的数学模型（1）磁链方程：（2）电压方程：（4）转矩方程：（3）运动方程：3.3交流推进电机3.3.2多相同步电机数学模型基本假设条件（1）电机气隙磁场按正弦分布，忽略空间谐波磁场的影响；（2）忽略电机铁心的饱和、磁滞及涡流的影响；（3）定子内表面是光滑的，即忽略齿隙和通风槽的影响；（4）电机参数不变，不受电流、温度、转速的影响；（5）电机定子绕组采用集中整距的布线方式，转子上的阻尼回路看成两组等效的短路绕组－直轴阻尼绕组和交轴阻尼绕组。3.3交流推进电机磁链方程：机械方程：电磁转矩：自然坐标系下的多相同步电机模型电压方程：3.3交流推进电机磁链方程：电磁转矩：d-q坐标系下的多相同步电机模型电压方程：3.3交流推进电机3.3.3交流电机的运行特性异步电动机的工作特性在额定电压、额定频率下，异步电动机的转差率

、效率

、功率因数

、定子电流

以及输出转矩

与输出功率

的关系曲线。3.3交流推进电机3.3.3交流电机的运行特性同步电动机的工作特性定子电压

、励磁电流

时，电磁转矩、电枢电流、效率、功率因数与输出功率之间的关系3.3交流推进电机同步电动机的V形曲线定子电压

，电磁功率为常值时，电枢电流与励磁电流的关系恒功率、变励磁时隐极同步电动机的相量图3.3交流推进电机同步电动机的V形曲线3.3交流推进电机调节励磁就可以调节电动机的无功电流和功率因数，这是同步电动机的主要优点。通常同步电动机多在过励状态下运行，以便从电网吸收超前电流（即向电网输出滞后电流），改善电网的功率因数。但是过励时，电动机的效率将有所降低。3.3交流推进电机3.3.4船舶交流推进电机特点电磁设计（1）主要尺寸与电磁参数的关系（2）磁路（3）参数（4）电磁方案电磁设计是在明确技术要求的前提下来确定电机的电磁负荷、有效部分尺寸、绕组数据及性能参数等，在交流推进电机电磁设计中需要考虑变频电源及控制策略的影响，关注功率密度、噪声振动和冗余设计等因素。3.3交流推进电机3.3.4船舶交流推进电机特点结构设计（1）定子（2）转子（3）轴承（4）风路大型交流推进电机的结构质量在电机总质量中占有大部分的比例，因此，结构优化设计对于减轻结构质量、减小电机体积有着举足轻重的作用。同时，结构优化设计对增强抗冲击性、提高可靠性和减振降噪等方面也具有重要的作用。3.4船舶永磁推进电动机3.4.1基本原理、分类船舶永磁电机采用永磁材料励磁，没有励磁绕组和励磁损耗。与一般电励磁电机相比，永磁电机具有效率高、体积小等优点，特别适用于船舶推进电机。在船舶推进电机上使用的永磁材料主要为钕铁硼和钐钴两种稀土永磁材料。钕铁硼具有较高的磁能积，价格便宜，但温度系数偏大，居里温度低。钐钴具有较高居里温度，温度系数小，但价格贵，磁能积低。3.4船舶永磁推进电动机按气隙磁通方向，可以分为径向磁通永磁电机、轴向磁通永磁电机和横向磁通永磁电机。按电枢绕组反电势波形，主要分为正弦波永磁电机和方波（矩形波）永磁电机。3.4船舶永磁推进电动机3.4.2多相永磁电机通用数学模型与交流推进电机类似，永磁推进电机的相数也不局限于三相。本处主要以径向永磁同步电机为例，建立自然坐标系下的多相永磁同步电机的通用数学模型，该模型可以方便地考虑电机中谐波磁场的作用，因此，不但能适用于正弦波永磁同步电机，而且也适用于矩形波永磁同步电机。3.4船舶永磁推进电动机假设与正方向（1）忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影响以及导体的趋肤效应，并不考虑温度及频率对参数的影响。（2）转子阻尼绕组等效为直轴和交轴两个独立的阻尼绕组，且转子结构对直、交轴对称。多相永磁电机各相绕组分布图3.4船舶永磁推进电动机自然坐标系下的多相永磁同步电机模型磁链方程：电压方程：3.4船舶永磁推进电动机N相永磁同步电机绕组电感定子绕组自感：定、转子绕组互电感：定子绕组互感：若不考虑饱和的影响，永磁同步电机转子上阻尼绕组电感为常数3.4船舶永磁推进电动机N相永磁同步电机电磁转矩3.4船舶永磁推进电动机N相永磁同步电机转子运动方程为负载转矩；为机械摩擦转矩；为转动惯量；为电机的机械角速度。3.4船舶永磁推进电动机3.4.3多相正弦波永磁电机数学模型分析正弦波的永磁同步电机最常用的是dq坐标系下的派克－戈列夫模型，尽管该模型忽略磁场的高次谐波分量，但可用于分析正弦波永磁同步电机的稳态运行性能，同时为分析电机的瞬态性能提供了极大的便利。3.4船舶永磁推进电动机多相正弦波永磁同步电机的dq坐标系模型3.4船舶永磁推进电动机即3.4船舶永磁推进电动机3.4船舶永磁推进电动机消去转子量，则有：即：定子交、直绕组的超瞬变电感：3.4船舶永磁推进电动机3.4船舶永磁推进电动机电磁转矩上式等号的右边括号内第一项是永磁体励磁与定子q轴电流产生的励磁转矩，它是主要分量；括号内第二、三项是定子d、q轴电流与阻尼条电流产生的阻尼转矩，与前一项相比，其数量较小；括号内第四项是由于转子不对称所产生的磁阻转矩3.4船舶永磁推进电动机若电机为常规的表面安装永磁体结构的永磁电动机，且转子上无阻尼绕组，则转子表面安装永磁体结构的无阻尼绕组永磁电动机其电磁转矩仅与q轴电流有关，这类永磁电动机较易实现矢量控制。3.4船舶永磁推进电动机3.4.4船舶永磁推进电机特点船舶推进永磁电机属调速永磁同步电机，与其配套的传动系统和控制方式也与普通的永磁电机不同，因而对其技术及经济性能的要求大不相同。一般来说对推进永磁同步电机的主要要求是：调速范围宽，转矩和转速平稳（或者说转矩纹波小），动态响应快速准确，单位电流转矩大等。3.4船舶永磁推进电动机推进永磁同步电机的设计是与相匹配的功率系统的性能不可分的。设计时，应根据传动系统的应用场合和有关技术经济指标要求，首先确定电动机的控制策略和逆变器的容量，然后根据电机设计的有关知识来设计电动机。3.4船舶永磁推进电动机推进永磁同步电机传动系统的主要特性是它的调速范围和动态响应性能。调速范围又分为恒转矩调速区和恒功率调速区。调速永磁电动机的调速范围3.4船舶永磁推进电动机电动机的运行过程可以用工作周期来表示，推进永磁同步电机的动态响应性能常常以从静止加速到额定转速所需的加速时间来表示。调速永磁电动机的工作周期3.4船舶永磁推进电动机主要尺寸的选择主要尺寸可以由所需的最大转矩和动态响应性能指标确定3.4船舶永磁推进电动机转子磁路结构的选择当电动机最高转速不是很高时，可选用表面凸出式转子磁路结构；反之则应选取内置式转子磁路结构。内置式转子磁路结构的永磁电动机的