智能新能源船舶技术创新案例⑤70000N・m 级永磁直驱推进电机研发及应用

为系统总结最新成果、凝聚产业协同合力，智能新能源船舶技术创新产业联盟持续发起全国性创新案例的深度征集。本次汇编严格遴选了覆盖绿色动力、核心装备、智能驾驶、船岸协同、安全保障等前沿领域的代表性案例。本次活动得到高校、行业科研院所、船舶制造企业、航运公司等单位的积极响应，经过严格评审，最终遴选出10项具有代表性的优秀案例。这些案例集中展现了我国智能新能源船舶从单点攻关迈向全链条融合、从示范验证迈向规模化落地的壮阔进程，为全球水运装备绿色智能转型提供了极具技术先进性与经济社会效益的中国方案。

本成果紧扣国内最大吨位万吨级纯电动散货船 “葛洲坝” 号的推进系统配套需求，开展70000N・m 级永磁直驱推进电机的专项研发、制造、试验与实船应用，全面突破内河大型纯电动船舶低速大转矩推进装备的技术瓶颈，形成可落地、可复制的成套解决方案。项目核心是研制一款适配内河航运工况、高可靠、高效率、轻量化的大功率永磁直驱推进电机，替代传统电机加齿轮箱的推进模式，为纯电动万吨级散货船提供稳定、清洁、静音的核心动力。

主要建设内容包括三大部分：一是完成 70000N・m 级永磁直驱推进电机的总体设计、电磁方案、结构设计、冷却系统设计与制造工艺开发，开展样机试制、台架性能测试、过载试验、温升测试、振动噪声测试等全流程试验验证，确保电机各项性能指标满足设计与实船使用要求。二是完成电机在 “葛洲坝” 号纯电动散货船上的精准安装、定位固定、接线布线、密封防护及系统对接，开展单机调试、负载调试与状态标定，保障安装质量与运行安全性。三是配合船舶建造、下水、系泊试验及舾装全过程，开展推进系统与变频控制系统、电池储能系统、船舶监控系统的联调联试，优化控制参数，验证电机在不同负载、不同转速下的运行稳定性、响应速度与能效水平，确保整体动力系统满足船舶航行、停靠、转向等全工况要求。

本项目建成的永磁直驱电机额定转矩63666N・m，额定功率1000kW，额定转速150r/min，整机重量仅11吨，完美匹配万吨级散货船低速大转矩、轻量化、高可靠性的核心需求。项目全过程严格遵循船舶行业标准与规范，实现研发、制造、安装、调试一体化实施，为我国内河大型纯电动船舶核心装备自主化、绿色化、高效化提供了重要工程实践与示范支撑

图1 葛洲坝号

图2 低速直驱永磁推进电机

本项目采用永磁同步电机直驱推进技术路线，取消传统减速齿轮箱，实现电机输出轴直接驱动船舶螺旋桨，构建高效率、高可靠、低噪声、低振动的船舶推进系统。技术路线围绕“电磁优化、结构轻量化、高效冷却、低振低噪、智能控制、集成验证”六大环节展开，通过多物理场耦合设计、精密制造和系统集成调试，形成适用于内河万吨级纯电动散货船的成套推进方案。

在电磁设计方面，项目以低速大转矩为核心目标，采用高磁能积稀土永磁材料，结合有限元仿真，对极槽配合、绕组结构、气隙磁密和转矩脉动进行优化。通过改进定子槽型、转子磁路和永磁体排布，提高转矩密度，降低齿槽转矩及谐波损耗，确保电机在150r/min额定转速下稳定输出63666N·m额定转矩，满足万吨级船舶低速大推力需求。

在结构轻量化方面，针对船舶空间和载重限制，采用高强度合金材料与紧凑化一体结构，对机壳、端盖、转轴及支撑结构进行强度和刚度优化。整机重量控制在11吨，较同功率传统推进电机减重20%以上，提升船舶布置适应性和有效载货能力。转轴经锻造、热处理、精加工和动平衡处理，满足大转矩及频繁正反转运行要求。

在冷却系统方面，采用淡水强制循环冷却结构，对定子铁芯和绕组进行高效散热。通过流道仿真优化冷却回路，提高换热效率，确保额定及过载工况下温升均匀可控，温升控制在100K以内，并与船舶冷却水系统紧凑对接，满足长期连续运行需求。

在低振低噪方面，从电磁、机械和流体三方面协同优化。通过降低电磁谐波、提高转子动平衡精度、采用定子斜槽、机壳加强筋及隔振结构，并优化冷却流道，使电机额定工况噪声低至75.8dB，振动烈度低至1.1mm/s，显著改善船员作业与居住环境。

在控制策略方面，采用专用船用变频器匹配永磁直驱电机，应用MTPA控制、弱磁扩速和转矩动态响应优化算法，实现全转速、全负载范围高效运行。系统具备快速响应、平稳启停、正反转平滑切换等能力，适应航行、靠泊、转弯等复杂工况。电机额定效率达97%以上，功率因数达0.95，较传统电机加齿轮箱系统效率提升7～12个百分点。

在制造、试验与集成方面，项目实施铁芯叠压、绕组嵌线、VPI绝缘处理、整机装配和精密检测等全流程质量控制，并完成空载、负载、温升、振动噪声、过载、超速等型式试验。最终在“葛洲坝”号万吨级纯电动散货船上完成集成安装与系统联调，实现电机、变频器、储能系统和船舶控制系统协同运行。

本技术路线突破了大型永磁直驱电机在电磁、热、结构、振动等多场耦合设计方面的关键难题，形成“设计—制造—试验—集成—应用”全链条技术体系，为我国大型新能源船舶推进装备自主化提供了可复制、可推广的工程范式。

问题一：传统船舶推进系统效率低、能耗高、续航能力不足。

解决方案：采用永磁直驱技术，取消齿轮箱传动损耗，搭配MTPA高效控制策略，电机效率≥97%、功率因数0.95，显著提升能源利用率，延长纯电动船舶续航里程。

问题二：船舶运行振动与噪声大，作业与居住环境舒适度差。

解决方案：通过低噪声电磁优化、转子高精度动平衡、定子斜槽、壳体加强减振设计，实现运行噪声75.8dB、振动烈度1.1mm/s，达到内河船舶静音舒适标准。

问题三：万吨级船舶低速大转矩需求与电机体积、重量限制矛盾突出。

解决方案：优化电磁磁路与一体化紧凑结构，采用高强度轻量化材料，在11吨整机重量下实现63666N・m 额定转矩，转矩密度达国际先进水平，适配船舶安装与载重要求。

问题四：大功率船用电机散热困难，长期运行易过热、可靠性低。

解决方案：采用定制化淡水循环冷却系统，优化冷却流道与换热结构，实现全工况温升可控，保障电机长期连续稳定运行，提升船舶动力系统安全性与使用寿命。

问题五：内河绿色航运要求高，传统推进系统存在油污、碳排放等环保压力。

解决方案：无齿轮箱润滑油泄漏风险，电机运行零直接排放，结合高效率降低电能消耗，年节电约30万kWh、减碳约240吨，全面满足内河绿色低碳航运发展要求。

本项目研制的70000N·m级永磁直驱推进电机成功应用于国内当前吨位最大的万吨级纯电动散货船“葛洲坝”号，标志着我国内河大型新能源船舶核心动力装备由“依赖进口、方案验证”迈向“自主可控、工程化应用”，对推动内河航运电动化、绿色化和高效化具有重要示范意义。

项目突破了万吨级纯电动船舶低速大转矩直驱推进关键技术，电机额定转矩63666N·m、额定功率1000kW、额定转速150r/min，整机重量仅11吨，在高功率密度、高效率、低振低噪和高可靠性等方面达到国内领先、国际先进水平。项目掌握了电磁设计、冷却系统、结构轻量化、智能控制及船舶集成等核心技术，形成完全自主知识产权，打破国外大功率船用永磁直驱推进技术壁垒，为内河电动船舶大型化发展提供了关键支撑。

在节能减排方面，电机额定效率超过97%，功率因数达0.95，较传统电机加齿轮箱推进系统效率提升7～12个百分点。按年运行2000小时测算，每年可节约电能约30万kWh，减少二氧化碳排放约240吨，有效降低电池能耗压力，延长续航里程，提升纯电动船舶运营经济性。

在环境友好与舒适性方面，电机运行噪声低至75.8dB，振动烈度仅1.1mm/s，显著改善船员工作与居住环境。直驱系统取消齿轮箱，减少机械磨损和维护需求，消除润滑油泄漏风险，实现低噪、低振、零油污运行，符合内河生态保护要求。

在可靠性与工程应用方面，电机已通过台架型式试验和实船运行验证，具备110%额定功率过载1小时、150%额定转矩过载15秒能力，可适应连续运行、频繁正反转、潮湿盐雾及振动等复杂船舶工况。无齿轮箱结构降低维护成本，提高运营效率，为航运企业提供高可靠、低成本、易维护的动力方案。

本项目形成的技术方案、制造工艺和集成调试流程，可推广至内河散货船、集装箱船、驳船、工作船等多类电动船舶，并适用于长江干线、京杭运河等重点水域。其成功应用为新能源船舶产业化提供了可复制、可推广的工程样板，也为全球内河绿色航运贡献了中国技术和中国方案。

核心技术装备名称

70000N·m级永磁直驱推进电机

核心技术装备参数

1.电机类型： 永磁同步电机

2.额定输出轴功率： 1000kW

3.额定转速： 150rpm

4.转速范围： -150rpm～150rpm

5.相数： 3相

6.额定线电压： 450V

7.额定线电流： ≤1450A

8.额定功率因数： ≥0.95（滞后）

9.额定效率： 96.5%

10.工作制： 长期连续工作制

11.绝缘等级： 不低于F级

12.防护等级： 不低于IP54

13.工作允许温升： ≤100K

14.冷却方式： 采用淡水冷却

15.过载性能： 每8小时可按110%额定功率过载允许1h;应能承受150%额定转矩允许15s

16.超速性能： 在空载情况下，应能承受1.2倍额定转速

历时2分钟而不发生有害形变

17.空气噪声： 在额定电压和额定频率下空载稳定运行时，1m处，声压级≤80dB(A)

18.振动烈度： 按照GB/T 10068-2020要求，在额定电压和额定频率下空载稳定运行，振动烈度≤2.3mm/s

核心技术装备的特点 、创新点及技术先进性

（一）核心特点

低速大转矩、直驱无齿轮箱、高效率、高功率因数、低噪声低振动、轻量化、高可靠性、易维护，适配内河船舶严苛工况。

（二）创新点

高转矩密度设计：采用高磁能积永磁体与优化极槽配合，单位重量转矩输出达国际领先水平。

1.高效冷却与减振结构：创新水冷布局与强化壳体，解决大功率电机散热差、振动大难题。

2.全工况高效控制：搭载 MTPA 最优控制策略，宽负载区间保持高效率与高功率因数。

3.轻量化集成设计：一体化紧凑结构，整机仅 11 吨，大幅降低船舶载重与空间占用。

4.无齿轮箱直驱：取消传动环节，实现电机直驱螺旋桨，系统更简洁、更可靠。

（三）技术先进性

1.效率领先：额定效率≥97%，高于国际同类产品（95%–96%），节能效果突出。

2.性能更优：噪声、振动、重量、体积指标全面优于传统电机 + 齿轮箱方案。

3.成本更低：无齿轮箱维护，全生命周期成本降低 30% 以上，经济性优势明显。

4.自主可控：核心技术与设计制造完全自主，打破国外垄断，适配国内船舶升级需求。