CN104229113B - 吊舱式船舶电力直驱推进装置、推进系统及推进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吊舱式船舶电力直驱推进装置，所述推进装置的驱动机构包括电机壳体，设置于电机壳体中的中空的外转子，位于外转子内部的中空的定子，位于定子内部的内转子，固定联接外转子与前螺旋桨传动轴的外转子传动轴，以及用于固定内转子和外转子位置的双环套装轴承；所述定子的内侧设置用于控制内转子旋转的第一绕组，外侧设置用于控制外转子旋转的第二绕组。本发明基于多相电机实现双转子驱动的吊舱式对转螺旋桨推进，在继承多相电机和双转子驱动系统所有优点的基础上，本发明装置的效率更高，可以自主调节螺旋桨的功率、转速和旋转方向，适应现有船舶电力系统平台，并且故障率更低。

Description

吊舱式船舶电力直驱推进装置、推进系统及推进方法

技术领域

本发明涉及船舶推进技术，尤其是一种吊舱式船舶电力直驱推进装置、推进系统及推进方法。

背景技术

吊舱式对转螺旋桨船舶推进器是一种将推进与操舵集于一身的新型船舶推进装置。该装置可以安装在船体外的任意位置，直接驱动螺旋桨旋转，在360°内水平旋转以实现船舶的矢量推进方式。对转螺旋桨是指在螺旋桨的推进轴线上，前后各布置一只螺旋桨，前螺旋桨的直径大于后螺旋桨的直径，并且这两只螺旋桨的旋转方向相反。在对转螺旋桨推进系统中，前螺旋桨产生的涡动能量可以在后螺旋桨中得到有效利用。

结合图1a至图3描述相关现有技术。图1a是对转螺旋桨的涡动能量传递原理图，前螺旋桨顺时针/逆时针旋转产生螺旋涡动，通过对前螺旋桨桨叶的设计可以使得向后的涡动能量大于向前的涡动能量，后螺旋桨逆时针/顺时针旋转，将水流推向后方，由于前后螺旋桨异向旋转，两者之间的水流呈螺旋状涡动，叠加到后螺旋桨的推进能量要远高于后螺旋桨单独推进的涡动能量。

图1b是对转螺旋桨平面视角的涡动能量传递原理图。实线为前螺旋桨，虚线为后螺旋桨，假设前螺旋桨顺时针旋转，后螺旋桨逆时针旋转。船体在螺旋推进的时候会受到推进力的反作用，传统单桨推进系统中船舶受到推进旋转力的反向作用力，这是船舶船体不稳定周期震动的原因，严重时会影响船舶航行时的稳定性。对转螺旋桨由于前后螺旋桨异向旋转，所产生的推力与推进反作用力相互抵消，这种推进方式有助于保证船舶航行时船体的稳定性。

图2是对转螺旋桨组成的多螺旋桨推进系统。图2使用了两套对转螺旋桨组成推进系统，为了使得船舶得到向后的推进力，需要两套对转螺旋桨产生异向旋转的涡动流向。为了确保船舶船体稳定，推力方向正确，这就需要调整两套对转螺旋桨的旋转方向和旋转速度。

如图3所示，现有吊舱式对转螺旋桨船舶推进装置结构特点是：原动机通过垂直传动轴301驱动伞形齿轮302，伞形齿轮302分别通过前桨传动齿轮305和前桨传动轴304、后桨传动齿轮306和后桨传动轴307将功率按比例分配给前螺旋桨303、后螺旋桨308，前螺旋桨的直径大于后螺旋桨的直径，两只螺旋桨旋转方向相反。

现有的吊舱式对转螺旋桨船舶推进装置采用齿轮传动这种机械式的能量传递方式，在装置设计时需要考虑到能量传递时的分配比例和螺旋桨的额定转速，综合考虑上述情况决定伞形齿轮302、前桨传动齿轮305和后桨传动齿轮306的齿数。

而这个齿数在装置成型后是不可以修改的，这就意味着现有的吊舱式对转螺旋桨船舶推进装置不可以调节前后螺旋桨的转速差，固定的齿数决定了固定的转速差，而在船舶推进中，为了取得最佳的推进效果与能量传递效率，可变的转速差是必须的条件。并且现有的吊舱式对转螺旋桨船舶推进装置采用机械传动方式，这种机械传动方式需要齿轮箱和一些机械配套装置，在日常维护中所需的维护量较大，并且传动齿轮、机械配件较易损坏，维修成本较高。

图4是采用双电机驱动的吊舱式对转螺旋桨船舶推进装置。这种方式如图4所示，该装置的结构特点是：吊舱内含有2只驱动电机。供电电缆402给前螺旋桨驱动电机406供电，通过传动轴405将能量传递给前螺旋桨401；供电电缆403给后螺旋桨驱动电机407供电，通过传动轴408将能量传递给后螺旋桨404。

这种双电机驱动的吊舱式对转螺旋桨船舶推进装置如名称所述，采用两只电机406、407分别独立驱动前后螺旋桨401、404，这种驱动方式可以实现前后螺旋桨的独立控制，前后螺旋桨可以独立实现调速和调向。

这种方式成本相对较高，因为需要两台驱动电机及其相应的配件，并且涉及到多电机的同步控制，相对单电机控制而言控制难度较大，检修强度、维修成本也相对较高。

发明内容

发明目的：提供一种吊舱式船舶电力直驱推进装置，以解决现有技术存在的上述问题，提高推进效率，降低装置的故障率。

技术方案：一种吊舱式船舶电力直驱推进装置，包括吊舱壳体，安装于吊舱壳体内部的驱动机构，位于吊舱壳体外部并通过前螺旋桨传动轴与驱动机构传动联接的前螺旋桨，以及位于吊舱壳体外部并通过后螺旋桨传动轴与驱动机构传动联接的后螺旋桨。

其中，所述驱动机构包括电机壳体，设置于电机壳体内中空的外转子，位于外转子内部中空的定子，位于定子内部的内转子，联接外转子与前螺旋桨传动轴的外转子传动轴，以及用于固定内转子和外转子位置的双环套装轴承；所述定子的内侧设置用于控制内转子旋转的第一绕组，外侧设置用于控制外转子旋转的第二绕组；所述内转子与后螺旋桨传动轴联接；所述定子与电机壳体通过定子固定件相联接。

所述定子与电机壳体一体化铸造成型。所述外转子与外转子传动轴之间的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接。内转子与后螺旋桨传动轴的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接。所述外转子传动轴与前螺旋桨传动轴的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接。所述前螺旋桨与前螺旋桨传动轴一体化铸造成型，或者通过紧固件联接。

假设同等空间下全部装设电机，本发明的驱动电机可以同时实现前后螺旋桨的正反转，而双电机结构必须需要两台驱动电机，一台电机只能占到同等空间的一半。电机的输出功率近似等于电机的体积，本发明一台电机装设了两套绕组，这样一来同等的体积下相比与普通电机功率就提高了一倍。本方面所采用的驱动电机是专门设计的双转子多相电机，除了上述双转子对转调速的特点之外，它还具有升级现有船舶系统时仍可采用原有器件，无需更换更大电流等级的电力电子器件的优势，这样一来兼容于我国现有的船舶系统，极大的缩减了升级成本。

有益效果：本发明没有最易发生故障的机械传动机构，降低了故障发生率；另外，本发明只需要一台电机就可以实现前后螺旋桨的独立控制，并且同等的空间下，电机功率至少比双电机结构大一倍。

附图说明

图1a和图1b分别是现有的对转螺旋桨的涡动能量传递原理图与对转螺旋桨平面视角的涡动能量传递原理图。

图2是现有对转螺旋桨组成的多螺旋桨推进系统。

图3是现有机械传动式的结构示意图。

图4是现有双电机驱动的机构示意图。

图5是本发明的结构示意图。

图6是本发明的剖视图。

图7是本发明另一方向上的剖视图。

图8是本发明双转子多相电机的结构示意图。

图9是二极管钳位式的多电平逆变器主电路。

图10是双转子多相电机控制系统的硬件示意图。

图11是双转子多相电机控制系统主程序的流程图。

图12是程序初始化的流程图。

图13是电机控制的中断程序流程图。

具体实施方式

结合图5至图8描述本发明吊舱式船舶电力直驱推进装置，它主要包括：吊舱壳体501，供电电缆502，电机电缆插座503，电机壳体511，前螺旋桨505，后螺旋桨506，前螺旋桨传动轴507，后螺旋桨传动轴508，吊舱密封盖509和双环套装轴承510。

如图5所示，吊舱壳体501和吊舱密封盖509组成了一个封闭空间，电机壳体511就安装在这个封闭空间内，供电电缆502将电能从船舶本体通过电机电缆插座503提供给电机。吊舱内的电机壳体可以选择安装散热片或者采用电机外壳和吊舱外壳的一体化设计，船舶推进时，吊舱放置在水中，可以通过水冷的方式给电机散热。

电机的外转子512是一个中空的转动轴，通过紧固件或者焊接将外转子传动轴513固定在外转子的中空部位。这里注意，外转子传动轴513的安装必须和电机壳体511和吊舱密封盖509保持一定微小的距离，以防止外转子传动轴513旋转时对电机壳体511和吊舱密封盖509造成不必要的摩擦损耗。

前螺旋桨传动轴507通过紧固件或者焊接连接在外转子传动轴513上，这里注意，前螺旋桨传动轴507与外转子传动轴513的连接点在吊舱壳体501的密封内，吊舱密封盖既保证前螺旋桨传动轴507的通过，又保证吊舱壳体501的密封性。前螺旋桨505通过紧固件连接在前螺旋桨传动轴507上，或者前螺旋桨和前螺旋桨传动轴采用一体化铸造的技术整体浇铸。

双环套装轴承510安装在驱动电机的两端，用于固定内转子517和外转子的位置，双环套装轴承的结构类似于同轴套装的两只轴承，一环固定内转子517和定子侧，另一环固定外转子、定子和电机外壳。后螺旋桨传动轴508通过紧固件或者焊接固定在电机的内转子上，后螺旋桨传动轴与内转子的连接点也在吊舱壳体的密封内，吊舱密封盖既保证后螺旋桨传动轴的通过，也保证吊舱壳体的密封性。前螺旋桨505的直径大于后螺旋桨506的直径。

转到图6，虚线框表示吊舱壳体501，吊舱壳体和吊舱密封盖构成了一个密闭的空间用于安装电机壳体。船舶通过供电电缆连接到电机电缆插座给电机输送电能。电机壳体和吊舱壳体留有一定的空隙，防止外转子传动轴摩擦损坏。通过紧固件514或者焊接连接前螺旋桨传动轴和外转子传动轴，前螺旋桨通过紧固件或者一体式铸造连接上前螺旋桨传动轴。该实施例选择3叶桨作为范例，实际工程中可以采用任意叶数的定距螺旋桨或者变距螺旋桨。

接着描述图7，需要注意的是，内转子通过紧固件或者焊接连接到后螺旋桨传动轴508上，并且前螺旋桨的直径大于后螺旋桨的直径。

接着描述图8，电机外壳511和定子固定件采用一体化铸造以增强机械结构，电机外壳511还起到保护电机、固定散热器的作用。外转子512安装在电机外壳511和定子515之间，两端通过双环套装轴承510进行固定，外转子512和电机外壳511之间要留有一定的间隙519，外转子512和定子515之间也要留有一定的气隙516。外转子伸出电机壳体一段距离。定子515分为两部分，外侧部分缠绕第二绕组520，用于控制外转子的旋转；内侧部分缠绕第一绕组521，用于控制内转子的旋转。内转子通过两端的双环套装轴承510固定在电机的最内侧，通过紧固件或者焊接将能量传递给后螺旋桨传动轴。

接着描述图9，图9是一个二极管箝位式的三电平多相逆变器主电路的拓扑结构。与传统的二电平逆变器相比，三电平逆变器一相拓扑增加了两个功率开关器件和与之相反并联的二极管，并且中间的两个功率开关器件通过并联的两只二极管可以将零电平信号施加到输出端上，这种结构可以使得功率器件的耐压值降低到直流端电压的一半，使其也适合于高电压的运用场合。

接着描述图10，图10是整个系统的硬件组成原理图。船舶通过发电设备给整个吊舱式船舶电力直驱推进系统进行供电。注意，这里每个模块所需的电压有所不同，需要供电模块进行具体电压等级的转换与配送。数据处理、控制算法通过DSP数字处理器进行运算。DSP输出PWM信号给二极管箝位式的三电平多相逆变器，使其输出驱动电机控制电压。双转子多相电机带动前、后螺旋桨一起旋转，推进船舶前进。电流传感器采样电机的相电流信号，电压传感器采样电机的线电压信号和逆变器的直流母线信号，转速传感器采样驱动电机内转子和外转子的转速信号，再将所有的信号进行调理变换后输入到DSP进行处理控制。

接着描述图11，图11是双转子多相电机控制系统主程序的流程图。程序启动后，首先是系统初始化程序；系统初始化之后需要初始化GPIO和PIE寄存器，即通常所说的定义IO输入输出口与功能寄存器；然后需要定义对速度传感器输入信号的采样单元；定义ADC转换输入；定义定时器T1和T2的计数；最后使能中断使程序进行。

接着描述图12，图12是程序初始化的流程。首先需要配置系统寄存器；然后需要初始化IO设置；初始化ADC设置；初始化事件管理器、CAP捕捉引脚、QEP正交编码器引脚和比较单元；采用离线化自适应遗传算法计算最佳PID参数；采用MRDSVM-DTC(任意层次离散型空间电压矢量的直接转矩控制)算法，设置初始数域；配置中断。

接着描述图13，图13是电机控制的中断程序流程。首先读取定子绕组1和定子绕组2的电流和电压采样值；然后读取光电编码器采样得到的内外转子速度值；然后计算内外转子的磁链和转矩值。然后进行坐标变换；然后内外转子控制电流值的计算；根据标志量，在数域中选择最佳的控制矢量；每个基本矢量工作T/m周期，将所对应的空间电压矢量送入逆变器。

本发明在电机定子内外两侧分别嵌入两套不同的绕组，内侧绕组控制内转子的旋转，外侧绕组控制外转子的旋转，两套绕组通过不同的控制电流可以对内外转子进行独立控制。内/外转子各自直接驱动安装在吊舱式推进器两端的前后螺旋桨，其旋转方向相反，转速可调。本装置省却了复杂的机械传动装置，降低了机械故障的几率。传统的吊舱式对转螺旋桨装置需要机械驱动装置，因此需要较大的空间以安装机械装置；但是这种新型推进装置摒弃了机械传动装置，同等体积下可以安装更大容量的电机。另外，本发明有效解决了船舶电力推进中低压大功率的应用问题，中大功率时，逆变器还可以采用当前电流等级的电力电子器件，船舶升级成本较低，还避免了功率器件串联所带来的动静态均压问题。并且采用容错控制方法后可以有效的解决一相或者多相故障的情况，适用于运行可靠性较高的场合。因此推力/体积比较高，并且具有吊舱式推进装置的一切优点，所以具有广阔的应用前景，并且这种新型推进装置采用电动机为原动机，符合国家关于高效、绿色、节能减排的发展指导思想。多相电机相数较多，输出转矩脉动较小，脉动频率较大，驱动系统的低速特性很好，运行振动和噪音较小，并且可以采用矩形波电压供电，极大的减少电力电子器件的开关损耗，适用于直驱运行的场合。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (1)

1.基于吊舱式船舶电力直驱推进系统的推进方法，其特征在于，

所述吊舱式船舶电力直驱推进系统包括：吊舱式船舶电力直驱推进装置，以及处理器和采样单元，包括用于采集电机相电流信号的电流采样单元，用于采集线电压信号和直流母线信号的电压采样单元，用于采集内转子和外转子转速信号的转速采样单元，以及温度采样单元；

多相逆变器主电路，接收处理器输出的PWM信号，并输出控制电压以驱动推进装置；所述吊舱式船舶电力直驱推进装置包括吊舱壳体(501)，安装于吊舱壳体内部的一个驱动机构，位于吊舱壳体外部并通过前螺旋桨传动轴(507)与驱动机构传动联接的前螺旋桨(505)，以及位于吊舱壳体外部并通过后螺旋桨传动轴(508)与驱动机构传动联接的后螺旋桨(506)；

所述驱动机构包括电机壳体(511)，设置于电机壳体中的中空的外转子(512)，位于外转子内部的中空的定子(515)，位于定子内部的内转子(517)，固定联接外转子(512)与前螺旋桨传动轴(507)的外转子传动轴(513)，以及用于固定内转子和外转子位置的双环套装轴承(510)；所述定子的内侧设置用于控制内转子旋转的第一绕组(521)，外侧设置用于控制外转子旋转的第二绕组(520)；所述内转子(517)与后螺旋桨传动轴(508)固定联接；所述定子与电机壳体通过定子固定件联接；

所述外转子与外转子传动轴(513)之间的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接；内转子与后螺旋桨传动轴的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接；所述外转子传动轴与前螺旋桨传动轴的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接；所述前螺旋桨与前螺旋桨传动轴一体化铸造成型，或者，通过紧固件联接；所述定子与电机壳体一体化铸造成型；所述处理器为DSP处理器；

包括如下步骤：

步骤1：初始化程序，初始化GPIO和PIE寄存器；

步骤2：定义转速采样单元、ADC转换输入和定时器；

步骤3：使能中断、定时器开始计数；

所述初始化程序包括：

步骤11、配置系统寄存器；

步骤12、初始化I/O管脚；

步骤13、初始化ADC设置；

步骤14、初始化事件管理器、CAP捕捉引脚、QEP正交编码器引脚和比较单元；

步骤15、采用离线化自适应遗传算法计算最佳PID参数；

步骤16、采用MRDSVM-DTC算法生成初始数域；

步骤17、配置中断；

所述步骤3中的使能中断使得中断程序可以被触发，所述中断程序包括：

读取各定子绕组的电流和电压采样值；

读取光电编码器采样得到的内外转子速度值；

计算内外转子的磁链和转矩值；

进行坐标变换；

内外转子控制电流值的计算；

根据标志量，在数域中选择最佳的控制矢量；

每个基本矢量工作T/m周期，将所对应的空间电压矢量送入逆变器。