CN110155289A - 一种混合动力船舶胀套式联合推进系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力船舶胀套式联合推进系统及方法，其特征在于主要包括：主传动轴和固定在主传动轴上的螺旋桨；主传动轴和抱轴电机转子之间通过胀套式结构连接；主传动轴一端设置的齿轮箱，以及与齿轮箱连接的柴油发电机；电机控制箱，包括电机驱动控制器，用于输出电机运转控制指令；在电机控制箱和齿轮箱之间设置的胀套式电机控制器，胀套式电机控制器与电机控制箱通过两个接触开关连接实现互相连锁控制。解决船舶、潜器行驶过程中总的燃油利用率低、以及低速行驶时动力系统的噪声大的问题。

Description

一种混合动力船舶胀套式联合推进系统及方法

技术领域

本发明属于船舶推进领域，适用于电力船舶、水下航行器的推进控制系统。

背景技术

电力船舶或水下航行器一般采用传统的柴油发动机作为船舶推进动力来源，通过减速齿轮箱驱动主传动轴旋转，在主传动轴末端带动螺旋桨推进。但是柴油机的转速较高，螺旋桨的转速很低，两者之间需通过减速齿轮箱来匹配转速。当船舶需要在低速航行时，柴油机不仅需要调低功率调低转速运行，燃油利用率低，而且由机械传动所带来的噪声与振动影响船舶或水下航行器低速巡航时对低噪声甚至是静音的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种混合动力船舶胀套式联合推进系统及方法，解决船舶、潜器行驶过程中总的燃油利用率低、以及低速行驶时动力系统的噪声大的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种混合动力船舶胀套式联合推进系统，其特征在于主要包括：

主传动轴和固定在主传动轴上的螺旋桨；主传动轴和抱轴电机转子之间通过胀套式结构连接；

主传动轴一端设置的齿轮箱，以及与齿轮箱连接的柴油发电机；

电机控制箱，包括电机驱动控制器，用于输出电机运转控制指令；

在电机控制箱和齿轮箱之间设置的胀套式电机控制器，胀套式电机控制器与电机控制箱通过两个接触开关连接实现互相连锁控制。

进一步的，电机控制箱输入端通过QF断路器接入交流电。

进一步的，所述胀套式结构为沿主传动轴轴向设置两个胀套，两个胀套都从电机后轴一侧平滑地装入联结孔处，且胀套无螺钉处表面分别与前后轴内侧端面对齐，在径向上胀套位于主传动轴和电机转子之间。

进一步的，抱轴电机设计成空心轴或无轴电机，电机无基座且距离安装基础之间安装隔振器。

进一步的，还包括显示器，用于显示电机转速、电机电流、启停信号和综合报警信号；显示器和电机控制箱均嵌入式安装于驾控台上，实施对胀套式电机控制和显示。

进一步的，还包括遥控器，通过TTP总线与电机控制箱之间进行通讯，控制电机运行状态；当电机控制箱上遥控/手动旋钮旋转至遥控时，由遥控器遥控操作。

一种采用上述系统的船舶推进方法，其特征在于包括三种工作模式：

（1）电力推进方式本地电机控制箱操作模式：使用电机控制箱控制抱轴电机工作，柴油发电机不工作；

（2）电力推进方式遥控操作模式： 使用遥控器控制抱轴电机工作，柴油发电机不工作；

（3）主柴油机推进方式；柴油发电机通过齿轮箱直接驱动螺旋桨。

进一步的，三种工作模式中，当在第（3）种模式下柴油发电机通过齿轮箱直接驱动螺旋桨时，电机驱动控制器不输出信号，此时抱轴电机不动作，反之，当抱轴电机工作时，即在第（1）种模式和第（2）种模式下，柴油发电机和齿轮箱处于离合状态。

进一步的，在低速时由抱轴电机驱动，在中速及高速时由柴油发电机驱动。

本发明的混合动力船舶胀套式联合推进系统及方法，通过抱轴电机及其驱动控制器的设计，实现电力船舶、潜器在低速时由抱轴电机驱动，在中速及高速时由柴油发电机驱动，提高电力船舶、潜器行驶过程中总的燃油利用率，同时降低船舶、潜器低速行驶时动力系统的噪声，实现安全和低噪声航行。

附图说明

图1为根据本发明实施的一种混合动力船舶胀套式联合推进系统结构框图；

图2为推进系统的电机控制系统电气结构图；

图3为电机驱动控制系统框图；

图4为电机控制箱面板布置图；

图5为电机控制箱电气结构图；

图6为电机反馈控制系统框图；

图7为遥控器实物图；

图8为图7的侧视图（过程图）；

图9为电机安装结构示意图（俯视图）；

图10为电机安装结构示意图（剖视图）；

图中各主要附图标记如下：抱轴电机1、柴油发电机2、齿轮箱3、电机控制箱4、主传动轴5、螺旋桨6、遥控器7、断路器或配电板8、显示器9、胀套10。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施的如图1所示，一种混合动力船舶胀套式联合推进系统，至少包括抱轴电机1、柴油发电机2、齿轮箱3、电机控制箱4、主传动轴5、螺旋桨6、断路器或配电板8、显示器9；其中电机控制箱4由变频器、接触器、滤波器4-2、驱动控制器4-3等组成。

电机控制箱4通过断路器或配电板8获取电力推进所需的电能源按需要输送给抱轴电机1，抱轴电机1按电机控制箱4控制器所给定的转速和扭矩带动主传动轴5和主传动轴5上的螺旋桨6旋转，从而推进船舶或潜航器向前航行。或者柴油发电机2带动齿轮箱3动作从而驱动主传动轴5。

电机控制箱4是按5相电流输出设计的，与5相电机绕组设计相匹配。电机控制箱4主要由变频器、接触器、滤波器、驱动控制器、整流器和壳体等组成。电机控制箱4采用DSP+CPLD的系统构架，是电机控制的核心部分，主要完成电机信息的采集、控制和处理多机通讯的功能。主控制单元具有电机相位逻辑控制、转速闭环控制以及故障保护等功能。电机控制箱4上电路主要包括：DSP控制电路、CPLD逻辑控制电路、隔离485总线、主电压、主电流、相电流调理电路，过流保护电路等。具有启动、停车。正转、反转、无极调速，满足电力船舶、潜器使用要求；具有现场手动操作、远程遥控操作功能、具有自身运行状态监测、设有必要的电气连锁、故障诊断和完备的保护功能；在推进电机反拖发电运行工况下，电机不工作且主传动轴转速较高时，电机控制箱4应能切断电机绕组与电路的连接，并长期在该工况下保持正常运行。

如图2所示，交流三相电L1-L3（AC380V）通过QF断路器（参见断路器或配电板8）接到电机控制箱4的输入端，QF断路器可远程控制使其关断，停止电机控制箱4工作。当抱轴电机1处于电动状态时，电机控制箱4中的接触器吸合，电机控制箱4的输出端直接与电机1相连从而对其进行控制；当抱轴电机1处于发电状态时，将在机械结构中加载自动离合装置，避免这一现象的发生，电机控制箱4中的QF断路器断开，禁止电能回送，避免烧毁电机控制箱4中的变频器。电机控制箱4中的变频器可以手动操作和远程遥控，均可控制电机的启动，正反转和调速等功能。交流三相电AC380V通过断路器QF断路器接入整流桥，整流后的电源通过滤波器4-2进行滤波供给驱动控制器4-3，驱动控制器4-3经过逆变控制电机1，驱动控制器4-3与电机1之间通过交流接触器KM2～KM5连接，可在电机1处于发电状态时，禁止电能回送，避免烧毁电机控制箱4中的变频器。

如图2-5所示，电机控制箱4中，电机在驱动控制器4-3下工作，工作原理为：三相交流电源通过断路器进行总控，通过EMI滤波器滤除电源噪声，提升电源品质；滤波后的电源一方面为电机1提供动力源，另一方面为驱动控制器4-3提供能源；滤波后的交流电源通过交流接触器后整流得到直流电源，为提高电源品质，对整流后的直流电源滤波，然后通过驱动控制器4-3进行逆变控制为电机提供动力；为防止电机1不工作时，电机转子被主传动轴5拖动在定子绕组上产生高压，对驱动控制器4-3产生不利影响，驱动控制器4-3输出和电机1相线之间通过交流接触器KM2～KM5连接，当电机1不工作时，通过控制交流接触器KM2～KM5断开两者之间（驱动控制器4-3输出和电机1相线之间）的物理连接，确保相互间的安全。另外，电机控制箱4为其他相关设备提供系列无源触点，便于设计设备间的相互关联，如图4所示，电机控制箱4的面板上也布置了相关运行和报警指示灯和操控按钮。电机控制箱4通过设计容错逆变拓扑结构和应用先进混合集成功率器件，提高功率放大器的可靠性。利用桥壁对管互锁保护技术，有效防止共态导通。电机控制箱4上电路主要包括：主电压采集电路，H桥逆变及驱动电路等。电机1的每相绕组的两端均被引出，接独立的H桥驱动逆变器，并对电力电子器件采取热隔离和物理隔离。这种结构实现了完全的相间电隔离，大大提高了相绕组独立运行能力，即使某一相或某几相发生短路故障，不能再通过相应的桥供电，通过非故障相的工作仍能维持电机运转，即系统可以容错运行。由于传统的分立元件构成的驱动电路比较复杂，为了简化电路，提高系统的可靠性，本系统驱动控制器4-3逆变部分采用三菱公司的智能化IGBT(IPM)模块作为逆变器或变频器。驱动控制器4-3中，采用的独立H桥驱动逆变电路，开关管使用的是智能化IGBT模块，H桥逆变的输出直接接到抱轴电机1的绕组上。

智能化IGBT模块将IGBT芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、短路保护、驱动欠电压保护等集成封装，从而使逆变器具备了高频化、小型化、高性能、高可靠性等优点。IPM的应用可使整个电路的设计大为简化。绕组利用桥臂对管互锁保护技术，有效防止共态导通。

如图2所示，从胀套式电机及其控制系统电气结构图中可以看出，电机的5相绕组与逆变器的5相电流输出相匹配。在控制相序上更加精确，因而电流的脉动也较为均匀和平稳。输入端的断路器和输出端的接触器都是起安全隔离作用而设计的。特别是当电机不工作时，主轴被柴油机拖动高速旋转时，电机的转子也会随着一起高速旋转，在电机中会产生很高的反电势，由于输出端接触器断开，从而保护双向可控晶闸管不被击穿。

如图5-6所示的一种混合动力船舶胀套式联合推进系统及方法，其特征在于采用双闭环控制，即转速、电流均采用闭环的反馈形式。电流闭环作为整个闭环驱动系统的内环，转速闭环作为整个闭环驱动系统的外环。电流闭环直接作用于被控对象，且电流环的响应速度比转速外环的动态响应速度快的多。而电流闭环的输入给定是通过外环转速环得到的，若想实现电机的精确控制，提高驱动系统的工作性能，必须保证电机的转速达到稳定的状态。经过转速环的闭环负反馈控制后，可提高电机转速的稳定性。

如图2、7-8所示，遥控器7上有遥控/手动切换旋钮7-1、操作杆7-2，遥控/手动切换旋钮7-1控制处于遥控模式还是手动模式；通过摇动操作杆7-2实现遥控模式下的遥控操作。遥控器7通过TTP总线（两路RS485）与电机控制箱4之间进行通讯，控制电机1运行状态。当电机控制箱4上遥控/手动切换旋钮7-1旋转至遥控模式时，由遥控器7的手柄7-2遥控操作。遥控器7的操作杆7-2采用采埃孚（ZF）公司的操作杆，可实现两台电机的停止、正转和反转操控。左右两个操作杆7-2可分别控制两台电机，电机正反转随着操纵杆7-2向前或向后推进位置的变化而变化，同时，电机转速也随着操作杆7-2位置变化连续改变。遥控器7采用图马思特（thrustmaster）公司的hotas warthog遥控器。通讯协议采用16个字节。编程软件通过CCS专用软件进行编程。

如图9-10，电机1转子与主轴之间的连接方式为胀套式联接。即在转子和主轴之间配置一个机械式胀套10，通过固定螺栓可调节胀套10内外径大小，对内箍紧主传动轴5，对外胀紧转子，使电机1与主传动轴5通过机械摩擦紧密相连。电机1设计为多相（5相）电机，在电磁能量转换过程中，减少振动；电机1设计成空心轴（即无轴电机），满足船舶使用要求；受安装空间限制，电机设计成无基座形式但能安装隔振器1-2。

如图10所示，电机安装时把电机1推移到主传动轴5上，并达规定的位置，将拧松螺钉的两个胀套10都从电机后轴一侧（船尾）平滑地装入联结孔（电机1的前轴和后轴）处（胀套10无螺钉处表面分别与前后轴内侧安装表面对齐），要防止结合件的倾斜，然后用手将螺钉拧紧。胀套10螺钉应使用力矩扳手按对角、交叉、均匀地拧紧。

电机1的端部朝向减速器处电缆出线孔1-1为传感器安装处。传感器组件安装时，先将传感器组件上标记的红色三角形与电机前轴安装的轴承上的红色标记（粗）对齐，完成基本安装。以红色三角形标记为基准，顺时针第二个螺孔和逆时针第一个螺孔附近分别红色和黑色的两条标记线。安装时，务必将互成正交的红黑两个标记线的边缘同时对齐，完成精确安装，然后安装螺栓。胀套的使用寿命长，在超载时，将失去联结作用，可以保护设备不受损害，同时胀套联结可以承受多重负荷，其结构可以做成多种样式，根据安装负荷大小，还可多个胀套串联使用，如图10所示。

如图1-2，在电机控制箱4和齿轮箱3之间设置胀套式联合推进控制系统所需要的胀套式电机控制器4-1。胀套式电机控制器4-1与电机控制箱4直接通过两个接触开关KM3、KM5连接实现互相连锁控制。电机控制器4-1用于输出电机运转控制指令，当柴油机直接驱动螺旋桨时，电机驱动控制器4-3不输出信号，此时抱轴电机1不动作，反之，当抱轴电机1工作时，柴油机齿轮箱3处于离合状态。通过这种方式来实现柴油机和抱轴电机1的互锁，高速时由柴油机提供动力，低速时由抱轴电机1提供动力，而互锁正是为了保证一种驱动方式运行时，另一种驱动方式不工作，否则当柴油机运行时电机也运行会让电机出现高电动势而烧毁

胀套式抱轴电机1套装在主传动轴5上，在0rpm~324rpm（额定转速）范围内，电机控制箱4上可实现启动/停止控制、连续正/反转调速，满足船舶低速航行时对抱轴电机推进功率的需求，具有超温、超速、过压、过流、欠压等报警和保护功能；驾控台上的遥控器7可对单机独立控制也可双机联动控制；显示器9显示电机（主传动轴5）转速、电机电流、启停信号和综合报警信号；两者均嵌入式安装于现有驾控台上，实施对胀套式电机遥控和显示。

如图1-2，胀套10的胀套式电机控制器4-1与柴油发电机2的电气装置有互锁控制，胀套式电机控制器4-1与齿轮箱3有互相连锁控制，即在抱轴电机1工作时，齿轮箱3不啮合，输出直流电压信号给柴油发电机2，柴油发电机2可暖机；抱轴电机1停止运行或故障后，该信号停止输出，齿轮箱3可啮合。反之齿轮箱3啮合时，输出直流电压信号给抱轴电机1，抱轴电机1无法启动，实现低速航行与高速航行转换时的设备安全。当抱轴电机1被动拖转时，抱轴电机1自动停止，不会对电机造成损坏，也不会对电网造成冲击。齿轮箱3脱排后，无此信号，抱轴电机1可启动运行。即在抱轴电机1工作时，柴油发电机2不工作，反之亦然，实现低速航行与高速航行转换时的设备安全，在驾驶室可以观察电推工况下的转速和启停、报警等指示信号。

根据功能需求，显示器9上设计转速、电流和报警等信号的显示信息。

如图1-10所示，所述的一种混合动力船舶胀套式联合推进系统及方法，其特征在于包括如下操作步骤：

1）电力推进方式本机（地）操作

a）当确定使用三相交流或者直流电源后，将断路器8开关合上（交流接通或者直流接通），电机控制箱4面板上的准备指示灯亮；

b）当准备指示灯亮时，表明抱轴电机1推进与柴油发电机2推进之间解锁，可以启动电力推进方式；

c）将电机控制箱4启动开关合上（通过胀套式电机控制器4-1向柴油发电机2推进系统控制电路发出联锁信号，使抱轴电机1工作进入抱轴电机推进模式），拧动正/反向选择钮，选择正/反转向，调节抱轴电机1转速旋钮，使电机转速（或航速）达到所需要的规定值，通过主传动轴5末端带动螺旋桨6旋转；

d）将调速旋钮调至最低或零，按下停车按钮，电力推进方式结束；

e）当电机控制箱4面板上停车灯亮时，表明电力推进结束，通过胀套式电机控制器4-1向柴油发电机2推进控制电路发出解锁信号。

2）电力推进方式（驾驶室）遥控操作

a）当确定使用三相交流或者直流电源后，将QF断路器8开关合上（交流接通或者直流接通），电机控制箱4面板上的准备指示灯亮；

b）当准备指示灯亮时，表明抱轴电机1推进模式与柴油发电机2推进模式之间解锁，可以启动电力推进方式；然后接通遥控器7电源；

c）将电机控制箱4启动开关合上（通过胀套式电机控制器4-1向柴油发电机2推进系统控制电路发出联锁信号，使抱轴电机1工作进入抱轴电机推进模式）手握遥控器7上的操作杆7-2向前推动，则选择抱轴电机1正向旋转，船舶向前航行，使电机转速（或航速）达到所需要的规定值；当操作杆7-2向后拉动，则选择抱轴电机1反向旋转，船舶向后倒退，使电机转速（或航速）达到所需要的规定值，通过主传动轴5末端带动螺旋桨6旋转；

d）手握遥控器7上的操作杆7-2推到中间位置，按下遥控/手动切换旋钮7-1，遥控器7上停车灯亮，向主柴油发电机2推进控制电路发出解锁信号，电力推进遥操方式结束。

3）主柴油机推进方式

当电力推进结束时，电机控制箱4通过胀套式电机控制器4-1立即向柴油发电机2控制系统发出解锁信号，表明柴油发电机2推进系统可以启动，齿轮箱3啮合，通过主传动轴5末端带动螺旋桨6旋转；当柴油发电机2推进系统结束时，立即向抱轴电机1推进控制系统发出解锁信号，表明电力推进系统可以启动。总之，电力推进系统工作与否是与柴油发电机2推进系统是互锁的，两者不能同时工作。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：（1）在船舶低速航行范围内，承担船舶推进的任务，以便船舶在低速航行时高质量地完成其它特殊使命任务；（2）实现电力船舶、潜器在低速时由抱轴电机驱动，在中速及高速时由柴油发电机驱动，提高电力船舶、潜器行驶过程中总的燃油利用率；（3）降低船舶、潜器低速行驶时动力系统的噪声，实现安全和低噪声航行。

Claims (9)

1.一种混合动力船舶胀套式联合推进系统，其特征在于主要包括：

主传动轴和固定在主传动轴上的螺旋桨；主传动轴和抱轴电机转子之间通过胀套式结构连接；

主传动轴一端设置的齿轮箱，以及与齿轮箱连接的柴油发电机；

电机控制箱，包括电机驱动控制器，用于输出电机运转控制指令；

在电机控制箱和齿轮箱之间设置的胀套式电机控制器，胀套式电机控制器与电机控制箱通过两个接触开关连接实现互相连锁控制。

2.根据权利要求1所述的混合动力船舶胀套式联合推进系统，其特征在于:

所述胀套式结构为沿主传动轴轴向设置两个胀套，两个胀套都从电机后轴一侧平滑地装入联结孔处，且胀套无螺钉处表面分别与前后轴内侧端面对齐，在径向上胀套位于主传动轴和电机转子之间。

3.根据权利要求1所述的混合动力船舶胀套式联合推进系统，其特征在于:

电机控制箱输入端通过QF断路器接入交流电。

4.根据权利要求1所述的混合动力船舶胀套式联合推进系统，其特征在于:

抱轴电机设计成空心轴或无轴电机，电机无基座且距离安装基础之间安装隔振器。

5.根据权利要求1所述的混合动力船舶胀套式联合推进系统，其特征在于:

还包括显示器，用于显示电机转速、电机电流、启停信号和综合报警信号；显示器和电机控制箱均嵌入式安装于驾控台上，实施对胀套式电机控制和显示。

6.根据权利要求1所述的混合动力船舶胀套式联合推进系统，其特征在于:

还包括遥控器，通过TTP总线与电机控制箱之间进行通讯，控制电机运行状态；当电机控制箱上遥控/手动旋钮旋转至遥控时，由遥控器遥控操作。

7.一种采用上述权利要求1-6任一项所述系统的船舶推进方法，其特征在于包括三种工作模式：

（1）电力推进方式本地电机控制箱操作模式：使用电机控制箱控制抱轴电机工作，柴油发电机不工作；

（2）电力推进方式遥控操作模式： 使用遥控器控制抱轴电机工作，柴油发电机不工作；

（3）主柴油机推进方式；柴油发电机通过齿轮箱直接驱动螺旋桨。

8.一种根据权利要求7所述的船舶推进方法，其特征在于三种工作模式中，当在第（3）种模式下柴油发电机通过齿轮箱直接驱动螺旋桨时，电机驱动控制器不输出信号，此时抱轴电机不动作，反之，当抱轴电机工作时，即在第（1）种模式和第（2）种模式下，柴油发电机和齿轮箱处于离合状态。

9.一种根据权利要求7所述的船舶推进方法，其特征在于在低速时由抱轴电机驱动，在中速及高速时由柴油发电机驱动。