中国潜艇的新型电力驱动技术

华中科技大学，徐长发，2020.3.30

马伟明院士长期致力于舰船综合电力技术的创新研究，使得中国海军从落后、被技术*的状态，一跃进入世界先进行列，有些地方还远远领先于世界。本文介绍他的几项关键技术。

一.研制出带整流负载的多相同步发电机稳定装置

现代动力机车牵引、石油钻井平台、邮电通信、坑道电站、舰船动力推进等方面所需求的直流电源功率越来越大了。但是，对于多相同步电机，特别是多相无刷励磁的同步电机，在使用过程中，常常出现大幅度的固有的低频功率震荡现象。这是全世界在使用大功率直流电机时所共同遇到的难题。在使用过程中出现电机的共振是一件可怕的事情，不小心就会造成机器损坏。

马伟明团队，仔细分析了原因，提出一种“带整流负载的多相同步发电机稳定装置”，也就是一种对多相直流发电机的一种特殊的励磁调节装置。该装置的控制对象，由原来的输出电压控制励磁强度，改变为多种反馈信号综合控制励磁场的电流;攻克了系统中稳定性预测、固有振荡抑制、复合故障诊断、短路保护等国内外长期未解决的关键技术难题;消除了由于发电机参数不当而引起的系统固有震荡，实现了在全部负载范围内的稳定运行，而且保证系统的其它静态性能和动态性能不受影响。

这种大功率直流同步发电机于1978年获得成功，其技术成果世界领先，其应用前景不可限量。

二.研制出世界上首台潜艇用交直流混合发供电系统

潜艇内部空间有限，交流电和直流电的使用功率都很大。在以前的潜艇中，电机设备大多依靠进口;要么是用交流发电机和直流发电机分别供电，这样的结果是体积大、重量大;要么是用交流发电机加笨重的整流器供电，结果是费用高、对交流电网的影响较大。所以潜艇中非常需要一种体积小、重量轻、容量大、效率高的同时提供交流和直流的电源，但全球有关领域一直没有好的解决方案。

马伟明团队设计了一种“交直流混合发电机”。该发电机采用2套绕组，一套用于输出三相交流电，另一套经内部整流后输出稳定的直流电;在舰船中构造交流网和直流网。其特点在于，省去了大功率直流装置，避免了大功率整流变换所带来的电磁干扰;系统运行稳定，功率密度和可靠性高;而且占用体积小，经济效益显著，与交直流分别供电的两台发电机组相比，体积和重量减小40%以上，工程造价降低40%以上。

这是一种具有完全自主知识产权的交直流混合电机，国际首创。目前，该成果已批量生产并装备部队。首套产品已运行数年，稳定可靠，未发生任何故障，为保障我国新型潜艇的战技性能作出了突出贡献。该成果入选2002年中国十大科技事件和中国高校十大科技进展项目，2009年获军队科技进步一等奖。

值得一提的是，这项科技成果，不仅应用于军事，还能非常适合于需要独立提供交、直流电源的场合，如舰船、飞机、移动通信、石油钻井平台等，具有广泛的应用前景。

三.舰船综合电力推进系统

舰艇的动力系统，以前是蒸汽动力，再后来是内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机、核动力汽轮机，这些驱动装置都没有摆脱机械传动，都得采用粗大的传动轴和齿轮组。这不是小问题：(1)体积粗大，重量大，耗能大;(2)高速转动时的噪音大，舰艇的隐身性能差。

第三代舰艇是采用电力驱动，美英法等海上强国，从上世纪80年代就开始研究和使用了，也就是原动机输出电力，通过把电源直接送到螺旋桨上，避免了原动机、齿轮、传动轴的传动形式。其好处在于：动力机械安装部位灵活;电力驱动通信、导航、武器设备、日常设备方便;大大简化舰艇的动力系统结构，提高舰艇的效率，降低振动噪声;为使用新概念舰载武器提供了条件;是舰船信息化、智能化发展的必然趋势，代表舰船动力系统未来的发展方向。

现有的第三代舰艇，都是原动机提供中等电压的交流供电系统，还有些缺点：(1)原动机体积偏大;(2)当舰艇需要制动和加速时，就需要改变一台或多台原动机的转速，由于改变原动机的转速会直接影响交流电的频率，从而会造成冲击电压，可能会严重损害发电机组和设备，不利于系统稳定，于是会造成供电连续性不高、供电效率不高，甚至故障频发;(3)目前所采用的中等电压的交流系统，依然需要变速箱和主轴带动螺旋桨，其噪音还是会有一部分传到水中。

2017年，马伟明团队完成了全新的改进方案：(1)采用中压直流驱动;(2)采用无轴驱动。

采用中压直流是对中压交流的改进。中压直流综合电力系统不仅可以取消中压交流系统中的一些设备，特别是大型的整流设备，而且对动力源的转速要求大大地降低了，舰艇加速减速时，改变动力源的转速，这对直流电机供电不受影响，对电网的影响也小，电网的稳定性好。当然，采用电力推进就可以节省空间去容纳其它的舰载武器。所以，中压直流是舰船电力系统发展的必然趋势之一。

所谓无轴驱动，是指推进螺旋桨由电机驱动，电动机不是安装在潜艇的中心轴线上，而是布置在艇体外部的环形导管壁上，由于从中心轴驱动变成四周驱动，所以叫无轴泵推。简言之，无轴泵推取消了带动螺旋桨的主轴，带动螺旋桨的动力换成了环形导管上的电机。噪音和震动也就很小了。

四.总结

马伟明团队在国际上率先提出并研制成功的中压直流综合电力系统，技术水平领先国外十年以上。一步实现了我国舰船动力从落后到引领的跨越。

马伟明团队又首创潜艇无轴泵推，由于没有传动轴，极大地降低噪音，让中国的潜艇超静音。

这些技术已经应用于中国大型舰艇和核潜艇中，毫不夸张地说，中国海军从原本只靠购进的落后状态，从受人技术*的状态，一跃取得技术领先世界的地位。

正是马伟明开创的综合直流电力系统，使得建造电磁炮成为现实。电磁炮的核心技术之一是强大的舰载电力系统，2016年底美国决定放弃电磁炮，也解散了研究电磁炮的团队，但是中国这边却公开了自己的电磁炮计划。电磁炮的射程可高达200-400公里，射速高达5-8倍音速，堪比导弹，比火炮*十倍;2018年初，936号海洋山号登陆舰的船头就装置一门电磁炮。

正是马伟明开创的综合直流电力系统，航母电磁弹射成为可能。航母电磁弹射的技术关键之一是强大的舰载电力系统，原本计划我国003号航母还是采用成熟保险的蒸汽弹射，现在变了，直接变为核动力加电磁弹射。

马伟明对我国的海军建设做出了巨大的贡献，让中国海军在现代化的道路上实现一个大跨越。

最后，介绍马伟明的简单履历和获奖情况：

1960年4月出生，江苏扬中人，中国工程院院士。

1982年毕业于海军工程学院，1987年于海军工程学院获船舶电气工程专业硕士，毕业后留校任教，

1993年至1996年在清华大学攻读并获电机专业博士学位。

1996年评为国家中青年有突出贡献专家;

1999年获国家十大"杰出专业技术人才"奖章，获梁何利科学技术奖。

2000年，马伟明获得全军武器装备系统唯一的国家科技进步一等奖。

2001年当选为中国工程院院士。

2002年，获海军一等功。

2003年5月受聘为华中科技大学教授。

2011年初，获得国家科技进步一等奖。

2016年6月，当选中国科学技术协会第九届全国委员会副主席。

2017年他被授予新设立的八一勋章。

2018年9月，当选第五届国家科学技术奖励委员会委员。

中国*第十八、十九届*委员会候补委员，第十三届全国人民代表大会代表，第五届国家科学技术奖励委员会委员。

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