降阻70%！英國Helix推出新一代船用吊艙推進解決方案

英國電力驅(qū)動系統(tǒng)專家Helix公司造出了一些世界上功率密度最高的電動機。如今，該公司正憑借其緊湊型高功率設計作為跳板，全力構(gòu)建一套船用驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)——該系統(tǒng)有望改變?nèi)粘Ｐ蓍e船艇與工作船的整體面貌（至少會改變其船底結(jié)構(gòu)）。該公司全新推出的 Pod Cartridge 能夠提供實現(xiàn) 360 度吊艙推進器所需的全部電動驅(qū)動組件，使這種高效且機動性更強的推進器能夠廣泛應用于各類船只。

電動吊艙推進器由可追溯至20世紀中葉乃至更早的全回轉(zhuǎn)推進器系統(tǒng)演化而來，作為一種靈活且分布式的船舶推進形式，它不僅提升了能效與機動性，更釋放了船體內(nèi)部空間。與依靠大型中央發(fā)動機通過長軸驅(qū)動螺旋槳以及單獨的舵系統(tǒng)來轉(zhuǎn)向不同，這些裝置將所有動力傳動和運行部件整合到安裝在船底龍骨上的水平萬向吊艙中。

該吊艙系統(tǒng)集推進與轉(zhuǎn)向功能于一身，通過導電滑環(huán)實現(xiàn)360度全回轉(zhuǎn)。這種全方位旋轉(zhuǎn)使每個吊艙都能將推力精準導向所需方向，從而省卻獨立的舵系統(tǒng)，同時極大地提高了機動性——甚至能讓巨型船舶實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，其原理猶如配備扭矩矢量分配系統(tǒng)的電動汽車在陸地上的精準操控。

除了機動性增強之外，吊艙推進器還具有更高的效率，它們能夠充分利用全方位的旋轉(zhuǎn)能力，以最高效的方式將推力導向當前的航行方向和條件，同時還能消除消耗能量的振動，并且省去了舵組件帶來的額外阻力。

ABB的 Azipod旋轉(zhuǎn)推進器

根據(jù)瑞典-瑞士跨國企業(yè)ABB集團公布的數(shù)據(jù)，采用Azipod推進系統(tǒng)的開放式水域船舶通常可降低5%至15%的能耗，最高節(jié)能幅度甚至可達20%至25%。該集團目前推廣的Azipod系統(tǒng)正是1990年代初問世的全球首款電動吊艙推進器。

據(jù)瑞典 - 瑞士跨國公司ABB集團稱，該公司目前銷售的 Azipod 是 20 世紀 90 年代初推出的全球首款電動吊艙推進器。其公布的數(shù)據(jù)顯示，采用 Azipod系統(tǒng)推進的開闊水域船舶通常可節(jié)省 5% 至 15% 的能耗，最高可節(jié)省 20% 至 25%。

對于郵輪這類在港口間穿梭時需消耗數(shù)十萬乃至數(shù)百萬加侖燃料的船舶而言，這樣的節(jié)能效果可不是一筆小數(shù)目。數(shù)年前德他馬林公司的研究表明，采用Azipod推進系統(tǒng)的渡輪每年最高可節(jié)省170萬美元的燃料成本。

這一系列優(yōu)勢使吊艙推進器成為大型遠洋船舶的主流解決方案，典型應用包括郵輪、集裝箱船、油輪及渡輪等。我們此前曾探討過，吊艙推進器能在"拉式"與"推式"兩種方位間實現(xiàn)180度定向推進旋轉(zhuǎn)，該功能對適用于極地航行的破冰船而言具有顯著優(yōu)勢。

但Helix公司認為吊艙推進器在大眾市場蘊含著大量尚未開發(fā)潛力，并指出受傳統(tǒng)電動機功率密度缺陷所限，該技術長期僅能應用于大型船舶。為實現(xiàn)船舶推進所需的高功率輸出，以往必須在巨型水下吊艙內(nèi)安裝體積龐大的電機，這會產(chǎn)生更大的阻力。唯有在兆瓦級以上的超大功率范圍內(nèi)，阻力與功率的比例才會下降到足以實現(xiàn)吊艙推進的能效優(yōu)勢。而對于小型吊艙而言，其阻力比例會過高而難以克服。

Helix公司計劃以其SPC177電機為核心，率先推出100千瓦、200千瓦及300千瓦三種功率等級的Pod Cartridge模塊化推進系統(tǒng)。

該公司正通過其快速演進的電機動磁拓撲技術顛覆傳統(tǒng)設計范式——該技術能以極小極輕的封裝實現(xiàn)高功率與高扭矩輸出。雖然Helix頂級的SPX177電機（功率密度達25千瓦/千克）由其實驗部門為超跑原型車研發(fā)，并未針對大眾市場優(yōu)化，但計劃用于船用吊艙生態(tài)系統(tǒng)的SPC177徑向磁通電機仍具備高達9.7千瓦/千克的功率密度，僅憑31公斤（68磅）的封裝重量即可輸出300千瓦的持續(xù)功率。

Helix指出，在此類功率密度水平下，兆瓦級以下尺寸的吊艙外殼所產(chǎn)生的阻力效應將變得微不足道，這為中小型船舶的高效推進開辟了道路。該公司甚至宣稱，相較于傳統(tǒng)（巨型）吊艙推進器，其小型大功率電機結(jié)構(gòu)將使造船企業(yè)能夠降低70%的流體阻力。

Helix白皮書中的圖表顯示：基于2004年豐田普銳斯電機功率密度水平的吊艙，與采用2022年Lucid Air電機（功率密度顯著更高）的吊艙，兩者在阻力功率比上存在明顯差異。

Helix并不計劃開發(fā)完整的吊艙系統(tǒng)，而是通過供應其稱之為"Pod Cartridge"的模塊化組件，為兆瓦級以下的中小型休閑船艇、商用船及客船制造商提供靈活解決方案。每個"卡匣"實為一套即插即用的吊艙內(nèi)部組件集，船廠與推進系統(tǒng)制造商可將其集成至自主設計的水下吊艙結(jié)構(gòu)中，并根據(jù)具體船舶需求匹配螺旋槳、電池系統(tǒng)、發(fā)電機及控制軟件解決方案。

首批推出的卡匣均將搭載SPC177電機，并集成Xtrac齒輪減速系統(tǒng)、CAN總線接口、軸承密封組件及可選配的Helix逆變器。

Helix首席船舶工程師James Edwards在上月的發(fā)布會中表示："通過釋放傳統(tǒng)舷外機占用的艇艉甲板空間，以及發(fā)動機艙與螺旋槳軸系所占用的艙內(nèi)空間，我們的Helix Pod Cartridge為行業(yè)提供了重新思考船舶設計的劃時代機遇，同時還能實現(xiàn)更高效的航行，助力航運業(yè)邁向凈零排放征程。"

Helix還舉例說明如何利用這些額外船體空間：例如使拖網(wǎng)漁船為漁民提供更舒適實用的工作環(huán)境，或讓游艇為休閑客戶創(chuàng)造更愜意的享受體驗。

首發(fā)的三款兆瓦級以下Pod Cartridge功率等級分別為100、200及300千瓦。其中100與200千瓦型號將提供低扭矩與高扭矩兩種版本，Helix未來還計劃將產(chǎn)品線擴展至480千瓦至3兆瓦的輸出功率范圍。

Helix憑借其高功率密度電機技術，致力于為廣泛船型提供電動船用驅(qū)動系統(tǒng)硬件，旨在實現(xiàn)能效提升、操縱性優(yōu)化及船體空間釋放。鑒于純電動船舶有限的續(xù)航能力，您或許會疑惑船舶運營商如何為傳統(tǒng)兆瓦級電動吊艙電機供能。其動力來源并非僅靠電池，而是需要搭配使用柴油發(fā)電或水力發(fā)電等船載發(fā)電系統(tǒng)。

同樣值得注意的是，Helix表明Pod Cartridge的客戶可以自主配置動力系統(tǒng)——無論是采用純電池方案，還是選擇通過柴油發(fā)電機或其他能源進行發(fā)電的串聯(lián)混合動力方案。不出所料，該公司預計在初始階段客戶將更傾向于采用混合動力系統(tǒng)。