[01470112]船舶高效率大推力电推进器关键技术研究及应用

中国国家安全与发展对海洋的依赖越来越强,海洋已成为国家生存与发展必争必保的战略空间。高技术船舶是关系到海洋经济发展与国防安全的战略性产业装备,电力推进器是其动力系统的核心装置,是发展高技术高附加值船舶配套重要装备之一。该项目实施前,电力推进器几乎被罗罗公司、肖特尔、ABB、西门子、新泻等国外知名公司垄断,严重制约中国高技术船舶的发展,阻碍国家实施海洋强国战略。 为此,本项目联合中国传动南京高精船用设备有限公司、宁波海伯集团等行业主力单位,在国家发改委增强制造业核心竞争力专项、国家海洋经济示范项目及产业化、国家火炬计划产业化示范项目、国家自然科学基金等十余项课题的资助下,历经10余年对船舶电力推进器关键问题进行了深入的研究。围绕推进器灵活设计与效率优化、驱动电机推力密度提升、推进器抗扰控制与故障运行三大关键问题,开展了关键技术攻关,取得主要贡献如下： 1.攻克了不同船体空间约束和复杂工况条件下电机、舵桨、船舶之间协同匹配设计和高可靠性结构设计关键技术,发明了“机-桨-船”匹配的结构优化设计方法,提出了分体导架结构、Z和L型全回转、甲板组合型、伸降式、双桨式舵桨等多种推进器结构,提高了舵桨推进器空间布置的灵活性和推进效率;发明了直驱式电力推进系统一体化设计方法,省去齿轮中间传动结构,降低机械传动效率,提出了双动力推进技术,提高推进器精准转向和操控性,形成“系列化”产品自主设计和制造能力。 2.提出了长流畅型外形约束下谐波提升功率密度设计和控制技术,提出了“利用低次谐波磁场”增加永磁驱动电机的转矩密度的策略,采取拉格朗日乘数法,揭示了永磁电机低次谐波磁场提升功率密度的规律,提出了不均匀Halbach永磁体阵列转子、串联磁路、多谐波协同控制等多种高功率密度电机拓扑结构和控制技术,与传统正弦永磁电机相比,同时利用基波和谐波提高了电机的输出功率30%。 3.攻克了瞬变环境载荷抗扰和故障运行能力提升技术,提出了自抗扰控制方法、新型变结构PID控制器等电机控制技术,解决了推动器动力输入、传动输出、电驱动系统控制之间机电协同控制应对复杂海况下船舶抗扰能力和全工况高效率运转的难题。提出了基于谐波电流和磁场重构的故障诊断和容错控制技术,降低了推动器电驱动系统的故障诊断时间,提高了故障下推进器的推力。系统故障诊断时间从1个电周期减小为1/3电周期、故障带载能力提高1.5倍。 获授权发明专利32件,制定国家标准1项、其它标准3项。相关技术成功应用于吨级全电力推进Boldwind甲板运输船、亚洲最大重型自航绞吸挖泥船“造岛神器”天鲲号、向阳红06”科考船,系列产品通过中国船级社CCS、美国船级社BV、法国船级社GL等九大船级社的认证和检验,达到国际标准,并获国家渔业船舶检验局的船用产品型式认可证书。产品经省级鉴定委员会鉴定,总体技术处于国内领先,达到国际同等水平。近二年新增销售1.8652亿余元、利润5600万余元。发表国内外知名期刊论文30篇,出版了英文专著1部;获中国专利优秀奖1项、美国IEEE IAS Myron Zucker设计竞赛、江苏省优秀新产品金奖和江苏首台（套）重大装备产品等奖励;培养了国家级青年人才、江苏省杰青等国家省部级人才5人。