从技术上来说「组织技术观点」

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虽然永磁电机是100多年前发明的，但在过去几十年中，它们才开始兆瓦级应用。如今，功率排名前十风机中，每一台都使用了永磁发电机，其功率最高达16MW。随着海运业环保法规越发严苛，永磁电机在船舶上的应用也会越来越受欢迎。

2021年11月10日，Berg Propulsion签署了为Yaskawa Environmental Energy/The Switch永磁电机和电力电子产品提供系统集成的协议。这是一次强强联手，两方将共同打造坚固高效的电力推进系统，为业界提供一体化的电力推进解决方案。

这是Berg Propulsion成为成熟电力推进系统集成商战略的最新一步。这家致力于推进和系统集成领域的公司自1912年成立以来，一直为各类应用定制高效运行解决方案，在过去几年中，更是加大力度推动为船舶工业可持续发展提供智慧。Yaskawa Environmental Energy/The Switch致力于用绿色电气传动系统技术推动世界进步，该公司创新的先进电气传动系统能够可持续地转换能源、有效地储存能源，进而帮助船舶行业节能减排。在业界看来，此次合作彰显了两家公司对于电力推动系统在未来几年发展为主流技术的期望。

为了让业界更多了解这种一体化的电力推进解决方案，本刊对Berg Propulsion董事总经理(西区)Jonas Nyberg先生和Yaskawa Environmental Energy/The Switch电气产品线业务总监Jussi Puranen博士进行了采访。

简单而高效的技术

目前，Berg Propulsion和Yaskawa Environmental Energy/The Switch已经在一个初步集成项目上进行了合作，为一艘散货船提供一个无齿轮箱系统，以确保大型散货船推进装置在最大限度提高效率的同时不易受到冰的损害。其中，前者负责系统设计、自动化和集成，由后者提供永磁电机直接驱动螺旋桨轴。这套系统的工作原理是什么？它又能为客户带来哪些增益？

记者：基于永磁技术的新一代电气传动系统是如何工作的？

Jussi Puranen：实际非常简单。永磁体安装在转子上，转子由螺旋桨轴旋转。这会产生一个旋转磁场，在静止的定子侧感应产生电压和电力。它完全类似于LED时代之前那种用于为自行车前轮提供照明的小型发电机。与传统发电机相比，唯一的区别是磁场由永磁体而不是传统电磁体产生的，这使电机更简单、更高效。电力通过变频器馈入电网，即使推进轴转速由于船舶在特定时间点需要不同功率而发生变化，也可以在电网侧保持恒定频率。

永磁电机中使用钕铁硼磁体，不需要用于磁化的外部能量，这导致发电机效率更高。当用作轴发电机时，永磁电机被安装在位于主机和螺旋桨之间的推进轴上，从推进轴获得动力，通过变频器转换为电力，变频器可以允许推进轴系变速运行，同时保持电网侧的频率恒定。

记者：为什么与传统发电机组相比，这项技术可以节约成本？

Jussi Puranen：由于船舶二冲程发动机具有更好的燃油消耗量(SFOC)，这意味着与有更高SFOC的四冲程发电机组发电相比，船舶运营商可以节省大量燃油。当使用轴发电机时，发电机组可以保持关闭状态，这也节省了维护成本。轴带发电机还可以作为推进电机，从发电机组获取电力，并在特殊情况下(如恶劣工作条件或主机故障)实现加力轴发电动模式(PTH)。若可以使用轴带发电机辅助达到推进系统的峰值功率，则可以选择比标定功率小10%～15%的主机，从而降低造船时投入的成本。

传统发电机组必须始终全速运行以保持频率恒定，但在系统中添加变频器可以让电机在变速模式下运行。相同的轴带发电机也可用于全电力推进，这意味着变速发电机组产生的电力由用于驱动螺旋桨的推进电机消耗。当所需功率低于全功率时，会显着节省燃料。

强强联手，协作创新

Berg Propulsion和Yaskawa Environmental Energy/The Switch为船东提供了一种更加高效的推进系统解决方案——使船舶从传统的齿轮传动改变为电机直接驱动固定桨或可调桨。只是在这个看似简单的描述背后，是双方专业的知识与技术积累。

记者：加拿大轮船公司(CSL)一艘基于永磁系统的船舶已经在中国成功完成海试。在这个项目中，Berg Propulsion和Yaskawa Environmental Energy/The Switch分别进行了哪些工作？

Jonas Nyberg：我们在担任系统架构师角色的同时，也是船厂、船东和设计师的顾问。我们的职责是将经验和专业知识应用于如何优化这些系统。在项目期间，我们主要涉及设备自动化、能量流动和安装方面等工作，还提供完全顺桨的可控螺距螺旋桨及其获得专利的双鳍解决方案，将船舶项目从齿轮装置转换为具有固定螺距和可控螺距螺旋桨(CPP)的直接驱动应用。

基于永磁技术的大型船舶直接驱动电力推进市场目前处于起步阶段，加强合作将使我们能通过电气化来影响市场发展方向，并且提供能源高效、灵活和基于未来的电力推进和发电解决方案，将使航运公司能够满足严格的减排标准。在这个散货船项目之外，我们正在讨论直驱电气系统的一些新应用和细分市场。对于任何对效率和耐用性有高要求的船舶来说，这都是一流的解决方案——简单易用意味着最高的效率和稳定性，这种解决方案将进入渡船、工程船、破冰船、货船等领域。

Jussi Puranen：我们提供了两台3MW直驱永磁推进电机、四台总功率约为10MW的永磁变速发电机组，以及所有用于控制这些的电力电子设备。这包括用于直流配电的DC-Hub(The Switch直流配电环网)。DC-Hub包含多个应用程序来处理电动机、发电机和船舶电网，它与电子直流母线断路器(EBL)相连，以实现高效率、灵活性和冗余。我们专有的电子直流断路器(EDCB)可以确保每个 DC-Hub的高速分离和故障穿越。

记者：永磁电机在轴发电系统中的可用性是如何检验的？

Jussi Puranen：我们比较了1.8MW变流器输出系统中的感应电机和永磁电机。这项研究使用了一艘174000立方米液化天然气船，两条推进轴系上各有一台，参考是PMM 1500M船用发电机。为了进行1:1的比较，感应电机使用了相同的机座尺寸(1500)，但其轴向长度增加了。感应电机必须从电网/变频器中获得极大磁化电流，从而在电机绕组中造成显著电阻损耗，因此必须具有较低的功率密度，以避免严重过热问题。这种磁化损耗在永磁电机中不存在，因为磁场是由永磁体产生的，它们的功率密度可以显著提高。这使机器更加紧凑。又利用有限元软件Flux 2D进行电磁分析，并使用CFD(Fluent/Ansys)进行热分析。在第一台机器交付之前，与之相比较的永磁电机的电磁和发热表现已经在全功率测试中得到验证。

可能成为行业主流之一

通过引进新技术和使用低碳/零碳燃料以提高船舶能效从而降低温室气体排放是实现国际海事组织(IMO)提出的航运减排目标的关键。实现这一目标的最有效方法之一，是使用变速轴带发电机用于发电，而不是传统电机。

记者：为什么电力解决方案被认为将成为船舶主流推进选择之一？

Jonas Nyberg：随着船舶燃料和能源选择变得多样化，再加上运营商对能源使用效率的强烈需求，解决方案更加电气化是不可避免的趋势——电池和燃料电池等一些新能源的本质是电，而且，未来燃料或替代燃料更容易在发电机引擎而不是推进引擎中运行。直驱电气系统的集成进一步简化了安装，并将创建高效推进系统所需的元部件数量降至最低。

随着船用混合动力和电力应用的增加，现代电力推进船舶的许多传统部件正在被新技术和组件替代。电力驱动的好处是可以最大限度地减少能量损失、改善环境性能，降低运营成本。这是一个高级解决方案。如今，电气化解决方案已经成为工程船和工作艇等某些领域的主流方案，与此同时，使用电气化解决方案的商船队伍在不断扩大。但我们需要找到与船东和造船厂进行对话的方法，以便船舶能够设计并满足要求。由于与辅助系统相关的频率驱动器通常作为一个完整的解决方案提供，采用该系统会受到船用部件传统设计周期的影响。

我们目前正在与许多不同的船舶设计师和船东合作，为他们的船舶制定最佳解决方案概念。我们发现，对于大多数基于柴油/天然气/蓄电池供电方案的船舶推进解决方案来说，直接驱动电动解决方案是最佳解决方案。这样做的原因，从原理上来说比较简单，并且按照我们集成该方案的方式，这种解决方案几乎没有任何损耗。

我们看到，未来在细分市场对该应用的需求很大，这也是基于可靠性和高效率的溢价方案。

Jussi Puranen：我们在兆瓦级风机中使用永磁电机和全功率变流器已有二十年的时间，积累了丰富经验。2014年，我们为船舶应用交付了轴带发电机和推进电机，现已经交付了130多台兆瓦级电机和1300多台专用船用变频器。预计在不久的将来，市场会对支持这些船舶交流和直流配电的高效电机和变频器有巨大需求，因为它们可以帮助船东/运营商满足将于2023年初生效的现有船舶能效指数(EEXI)和碳强度指数(CII)要求。

此外，永磁电机的机械结构非常简单，提高了可靠性并减少了维护需求，降低了运营成本。永磁轴带发电机系统节省燃料的原因有两个：首先，船舶二冲程主引擎产生电力，比四冲程发电机组效率更高；其次，永磁电机比传统电机更有效率。通常，使用可控螺距螺旋桨也很常见，这意味着速度和螺旋桨桨距角都可以在所谓的组合模式下自由独立地控制，这会在任何给定推进负载下实现可能的最高效率。

大型集装箱船也迫切需要永磁轴带发电机等节能设备。这些可装载24000个标准集装箱的船舶通常由一台非常大的二冲程发动机提供动力，额定功率高达80MW。但由于经济原因，这些船舶通常具有单个推进轴，因此，轴发电机额定功率通常为4～5MW。这种大型主机通常以比小型主机略低的速度旋转，这意味着集装箱船轴发电机需要相对较大的轴扭矩来产生所需的输出功率。为了满足这些不断增长的电力需求，我们大约在一年前开发机座尺寸轴带发电机PMM 2000M，设计结合了来自100多台轴带发电机的广泛反馈及最先进的工程技术，以实现三个最重要的目标——最高效率、高可靠性和紧凑性。凭借来自20多种不同轴带发电机类型的大量型式测试数据，PMM 2000M的电磁性能得到了最大化，从而实现了极好的效率和高功率密度。

对永磁电机和感应电机的比较，也体现出前者特别适用于需要长距离慢速航行的情况。在部分负载运行时，两者效率存在显著差异，介于3%～8%之间。无论负载如何，感应电机都需要来自电网的恒定外部磁化功率。这严重影响了部分负载效率值。相比之下，永磁电机通常在部分负载运行时具有最高效率。另外，两种电机之间的效率差异意味着在使用永磁电机时，通过降低燃油消耗，每年将节省约70000美元的燃料支出(以174000立方米LNG运输船为例)，假设船舶生命周期为25年，总燃料节约量接近200万美元。