0 引　言

吊舱推进器是新兴的一种船舶推进系统，是船舶推进系统领域的研究重点^[1]。吊舱推进器的设计灵感来自破冰船，芬兰ABB首次提出了吊舱推进器的概念，然后各个国家开始重视吊舱推进器的研究，并在1990年开始正式装船使用^[2]。

直接连接到螺旋桨的推进电动机是吊舱推进器设计的革命性构思，其构成独立的推进模块，悬挂在船体尾部。电动液压机构悬浮在船体后部，驱动推进模块360°旋转，可以产生任意方向的推力^[3]，推进方位角可以根据实际的航行情况及时调节和控制。

从军事意义上来看，吊舱电力推进具有以下优势^[4-7]：

1）吊舱推进器的动力装置结构紧凑，相对于庞大的船体而言，其受到攻击的可能性很小，POD和主机之间连接简单，而且可以根据情况灵活设计其安装位置，显著提高舰船的生命力；

2）动力装置结构紧凑，节省舰体空间，减少舰艇的重量，可以装载更多的武器提升战斗力，同时由于主机的位置安排非常的灵活，极大程度地提高全船设备的兼容性；

3）使用吊舱推进器后，便于主机安装减振降噪装置，可以显著降低舰艇的振动和噪声，提高了舰艇的隐身性能。

近些年船舶发展逐渐趋向大型化，对所配置的吊舱推进器及其相关技术提出更严格的要求。早在20世纪90年代，国外就开始研究吊舱推进器，而中国在这一领域仍处于起步阶段，近年来许多大型船舶使用的吊舱推进器，都是从国外引进了设备。吊舱推进器的设计、故障诊断、事故处理和自动化程度与国外发达国家仍有一定的差距^[8-9]，我国尚不能独立研发。为此，本文着重总结了近年来吊舱推进器的技术发展以及应用，为今后研究工作提供参考。

1 吊舱电力推进中的两项关键技术

随着吊舱推进器的不断创新，船舶电力推进的安全性、稳定性、机动性和推进效率逐步提高，现代吊舱推进器涉及多项科学技术，本文将重点介绍2种。

1.1 推进电机技术

推进电机通常包括电励磁同步电机、永磁同步电机以及异步电动机。早期的异步电动机结构简单、经济实惠深受市场欢迎。电励磁同步电机可以精确控制其转速、功率因素高，占据了市场的大部分份额。现在随着技术的不断发展，永磁同步电机由于其优异的控制性能、结构紧凑以及高效率等优点，成为吊舱推进电机的理想选择。

国外早在20世纪70年代就已经开始研究高效永磁同步电机，并取得了丰硕的成果。法国CEM公司率先研发出功率在18.5 kW以下的高效永磁同步电机。近年来，西门子和肖特尔公司联合研发出SSP推进电机，该电机采用独特的双螺旋桨设计理念，最高可以提升20%的系统效率，中远集团的“泰安口”和“康盛口”均安装使用了SSP推进电机，并分别在2002年和2003年交付使用；瑞典潜艇投入使用的1台速度范围为0～180 r/min的1500 kW永磁同步电机^[10]，是由瑞士BBC公司和德国磁电机公司专门设计的；法国Jeumont-Schneider公司成功研制出400 kW，1800 kW以及3300 kW的永磁推进电机，并安装服务于智利海军“蝎子”号潜艇上；英国罗·罗公司研制出16～24 kW，180 r/min的永磁横向磁通电动机，服务于皇家海军舰船永磁推进系统^[11]；俄罗斯电气物理装置研究所开发了一种新的切向式磁路结构永磁推进电机，最大功率为4 100 kW，现已安装在船上^[12]。

目前发达国家非常重视大型永磁同步电机的研究，现已经在实船应用、理论研究和技术工艺等方面积累了大量的经验。相比之下，中国在吊舱推进器这一领域远远落后于其他国家，针对永磁同步电机的研究内容更少，只有中船重工712研究所和几所高校开展了相关的研究工作。1980年，沈阳工业大学成功研制出我国第1台4 kW四极稀土钻永磁同步电动机和第1台1.1 kW六极钦铁硼永磁同步电动机，随后成功研发出3 kW四极和高效率高启动力矩永磁同步电动机^[13]；2013年7月，3 MW级永磁同步电动机的面世，标志着我国具备了制造大容量中压电力推进系统的能力，但是我国还不具备完全自主开发、独立设计和制造的能力，与国外相比仍有很大的差距。

1.2 变频调速技术

吊舱推进器要想运行良好，需要一个高性能的推进电机，还需要一个能满足船舶在不同海况下安全航行的控制系统。随着电子电力以及计算机技术的发展，目前最佳的解决方案是使用变压变频调速。具体包括如下：恒压频比控制变频调速、矢量控制（vector control）和直接转矩控制（direct torque control）。

直接转矩控制的特点是直接把转矩作为被控量，直接控制转矩，不需要转子位置角，没有矢量变换。电励磁同步电机的本质就是一种无速度/位置传感器控制策略，虽然DTC转矩响应快，但是也有一些问题存在，比如功率管开关频率低且不恒定、噪声大、转矩磁链脉动大等。

目前直接转矩控制技术和矢量控制技术都是高性能的交流调速系统，在实船应用中取得了良好的效果^[14]，但是由于矢量控制调速系统的结构简单、稳定性好，现占据着主要的市场份额。各国学者针对这2种控制技术做了以下研究工作：纪锋等^[15]提出了一种混合整定法，把离线式整定和模糊PI在线整定相结合，使矢量控制系统保持在最佳状态；杨明^[16]提出了一种新的矢量控制算法，将定子磁链误差和电磁转矩误差作为PI控制器的输入，研究了电力推进系统的控制性能；Florent等^[17]提出了一种新的方法来解决直接转矩控制中出现的转矩脉动过大等问题，它实际根据转矩的偏差值，预测定子电压空间矢量值，达到抑制转矩和磁链脉动的目的；李亮亮等^[18]采用ITAE最优控制方法来控制永磁同步电机矢量控制PI控制器进行参数调整，大大提高矢量控制的性能。

然而，在实际应用中当船舶遭受到恶劣海况时，为了使电流能够更好应对各种情况，有必要重新调整调节器的参数，这就需要较大的比例增益系数，就会容易导致超调。此外，当速度变化较大的时候，更容易出现windup现象，对于行驶中的船舶来说，不光具有一定的局限性，还具有很大的危险性。

总之，矢量控制和直接转矩控制的速度控制性能更好。其中，直接转矩控制适合大惯性的运动控制系统，矢量控制系统相对更适合于伺服系统和宽范围调速系统。这2种控制策略都还有一些不足之处，对于直接转矩控制，有必要优化低速时定子电阻的在线识别；对于矢量控制，需要优化的是控制的鲁棒性，使控制效果可以达到预期的要求。

2 大型吊舱推进器典型技术及应用 2.1 Azipod推进器^[19]

作为船舶吊舱推进器领域的开创者，Azipod经历了激烈的竞争和技术的创新，现如今仍然在国际市场上占据了半壁江山。目前ABB主打3个系列：C系列，V系列和X系列^[20]，主要的推进器类型有：Azipod CO，Azipod CZ，Azipod VI，Azipod XO，Compact Azipod，以及CRP Azipod等。

Azipod推进器的推进电机安装在吊舱单元内部，螺旋桨直接由推进电机驱动，并且可以在360°内旋转，这样可以保证推进电机在低转速状态下输出高转矩，在应对各种恶劣海况时螺旋桨都能够工作在最佳状态^[21]。由于没有机械动力损失，螺旋桨时常处于最佳的伴流区域^[22]，Azipod吊舱推进器与其他形式的推进器相比具有更高的效率^[23]。

Azipod推进器具有：外形紧凑、低油耗、高航速、噪声低、操作性好等优点。在正常航行的情况下，可以降低5%～15%，甚至高达25%的开放水域下的能耗。截至今日，许多军舰、豪华邮轮、破冰船等均已安装了Azipod推进器。Azipod推进器的可靠性，已经通过了时间的证明，节省燃料和能源，同时，大大地提高了流体的效率，并且可以节省舰船内的宝贵空间以安装其他装置。国内装备Azipod吊舱式电力推进系统的典型船舶有“中国海监83”号和“极地科学考察破冰船”等。

2.2 Mermaid推进器^[24]

Mermaid吊舱推进器是罗·罗公司和阿尔斯通公司联合研发，功率范围为500～25 MW，如果情况需要，输出功率最高可达30 MW。Mermaid推进器的优点是船舶不需要进入船坞，维修人员通过一个特殊的闭锁回转装置就可以进入吊舱推进器内部进行操作。

Mermaid推进器有3种工作形式：牵引式、顶推式和高推力顶推式。一般豪华游船等高速双螺旋桨船更偏向应用牵引式推进器；大多数顶推式应用于中速单螺旋桨船；海洋平台和近海工程船等低速船更适合应用高推力顶推式推进器。采用AC-DC-AC变频器，该变频器主要优点是与大功率异步电动机有着更高的契合度，与其他系统相比，该系统具有高效、低噪声和轻振动的特点^[25]。

目前，成熟的Mermaid吊舱推进器是Azipod系统最有力的竞争者。法国海军首艘全电动“西北风”级直升机船坞登陆舰配备了2台7 MW的Mermaid吊舱推进器，这是法国海军第一次配备如此豪华的吊舱推进器，开创了法国海军的先例。法国大西洋船厂为美国船东Royal Caribbean建造的4艘豪华游船配备了2台Mermaid^TM吊舱式电力推进装置，2套输出功率均为19.5 MW。

2.3 SSP推进器^[26]

西门子公司和肖特尔公司联合开发^[27-28]了Siemens Schottel Propulsor（SSP）推进装置，SSP推进器的核心技术是利用Schottel公司前后配对的螺旋桨，搭配1台Permasyn永磁同步电动机进行驱动。与传统的同步电机相比，Permasyn电机在相同功率下直径减少40%，重量减轻15%。由于电机推进模块直径的减小，支撑轴和螺旋桨直径的比率减小到35%～45%之间，这不仅提高了SSP推进器螺旋桨的推进效率，而且优化了螺旋桨的流体动力学性能。

SSP推进器凭借着其出色的流体力学设计和最新研发的永磁推进电动机，正式成为第1台柴油机电力传动系统的一部分，相比于其他推进器搭配传统的直接传动系统，可以极大提高系统的效率。凭借杰出的机动性和高效率，极大吸引了注重节省成本的船东的目光。

结合SSP推进系统的特点不难发现，它特别适合一些输出功率经常变化、高功耗以及高动态需求的船舶，比如破冰船、豪华邮轮以及各种工程船等。电力推进是未来军用舰艇和民用船舶发展的必然趋势，英国Cammel Laird船坞在翻新扩展的Costa Classica号上初次采取了SSP体系；德国TT-Line造船厂为波罗的海的渡船量身打造了2套11 MW的SSP10系统。

2.4 Dolphin推进器

Dolphin推进器的发明者是John Crane-Lips公司和德国的阿特拉斯公司。Dolphin推进器的系统功率输出范围为3 MW～19 MW^[29]，采用对转桨，空冷的方式进行冷却。为了实现2部螺旋桨旋转并且方向相反^[30]，将1部螺旋桨放置于转子轴上，另1部螺旋桨放置于定子上^[31]，定子与转子运动方向相反，从而实现对转的目的。与固定螺距螺旋桨相比，由于舵、螺旋桨轴系和尾桨推进器被取替，Dolphin吊舱螺旋桨的推进性能提高了5%～8%。与传统的双螺旋桨结构相比，螺旋桨后尾流的轴向速度得到改善，具有更好的空泡性能，减少了推进所需的动力。

Dolphin系统的核心是一个没有刷子的六相同步电机^[32]，在运转的过程中十分平稳。Dolphin推进器通过PMW转换器来达到实现较低的功率范围，并利用同步转换器对电枢电机进行速度的控制，从而实现螺旋桨对转的目的。Dolphin推进器的独到之处是可以在船舶下水前装配到船上以及整个装置能够独立进行安装与拆除。航速20 kn、排水量50 000 t的超级邮轮Seven Seas Voyagers号安装了 Dolphin推进器。

2.5 SISHIP eSIPOD^[33]

电动吊舱系统广泛用于柴油电动船舶，其中需要非常高的机动性、效率和可靠性。凭借SISHIP eSiPOD，西门子提供功率范围为5～25 MW的解决方案，由于最小的机载空间要求，可在容器设计和布局方面实现最大的灵活性。而且在电动吊舱式系统领域，西门子是唯一一家配备双螺旋桨或单螺旋桨的吊舱推进系统供应商。

SISHIP eSiPOD的关键优势在于，结合了紧凑的流体动力学优化设计和高效永久励磁同步电机，实现了更高的整体效率。

SISHIP eSiPOD-T双螺旋桨推进系统由于双螺旋桨布局，在最小空间内提供最大推力。双螺旋桨系统在船尾的空间要求保持在绝对最低限度。SISHIP eSiPOD-T允许更灵活的船舶设计并最大化有效载荷能力，这对渡轮、特种船和海军支援船尤其有利。

SISHIP eSiPOD-M单螺旋桨推进系统采用单螺旋桨优化开放水域性能，这是适用于具有高开放水域性能和效率要求船舶的吊舱系统。其配备了优化的支柱，可防止振动并提高航向稳定性。由于采用纤薄的螺旋桨毂和流线型设计，流体动力学效率进一步提高。邮轮和其他大型客船、大型游艇以及具有特定冰级要求的特殊船舶尤其受益于SISHIP eSiPOD-M的优势。

新一代电动SISHIP eSiPOD推进系统以及电力和配电设备、集成推进系统，预计于2021年交货。

3 结　论

在吊舱推进器外形方面，各公司基于自己产品不同的特点设计相应的外形结构，使之具有最佳的水动力特性和操控性能；在螺旋桨匹配方面，设计的结构、尺寸以及能效必须和吊舱以及船体相适应^[34]；在吊舱推进器密封方面，好的密封可以提高船舶在航行过程中的稳定性和可靠性；在吊舱推进器冷却方面，目前主要是采用空冷、水冷或混合冷却方式进行冷却；在推进电机方面，结合实船应用来看，永磁同步电机可能是未来发展的趋势。

5种吊舱推进器的数据如表2所示。

通过以上5种吊舱推进器的数据分析，得出以下结论：

1）SSP和eSIPOD推进器均使用了永磁电机：永磁电机具有体积小、重量轻、噪声低、转动惯量小等优点，是吊舱推进电机的理想选择。

2）从冷却方式来看，水冷结合空冷是目前效率最高的一种冷却方式，不仅能提高推进器的性能，还可以提高电机的性能，降低装机功率，大幅节约能耗。

3）在变频器方面交直交变频器应用更广泛，具有功率因数高，谐波污染小等优点，但是也存在能量损耗以及影响逆变器体积等缺点。

4）SSP的同轴双螺旋桨式的吊舱装置、Dolphin吊舱的对转螺旋桨以及SISHIP eSIPOD的1个系统2个版本等设计，都是在吊舱这一结构理念下建造且具有一定的技术性，这些独特的设计极大提高了吊舱推进器的推进效率。

4 结　语

对于船舶来说，机动性和操纵性是衡量船舶动力性能的一个重要指标。本文综述了吊舱推进器的发展情况以及和吊舱推进器密切相关的2项技术，介绍了每种吊舱推进器的原理、技术特点和实例。近些年吊舱推进器的发展十分迅速，每种产品都在不断地完善、创新、升级，说明吊舱推进器的优点已经被越来越多的人所认识，吊舱推进器的发展将是未来船舶推进系统的重要方向。