CN111152907B

CN111152907B - 一种推进系统及其控制方法

Info

Publication number: CN111152907B
Application number: CN202010055488.3A
Authority: CN
Inventors: 周源; 贾海媛; 熊用; 肖阳
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2040-01-17
Also published as: CN111152907A

Abstract

本发明公开了一种推进系统，包括外转子集成电机推进器，主轴轴承，轴系，滑环，主机；还公开了其控制方法，外转子集成电机推进器提供转速n1，主机和轴系能够提供转速n2，最终推进系统转速为N=n1+n2。通过固定主机转速n2，调节外转子集成电机推进器转速n1，实现主机恒定转速输出推进；通过关闭主机，仅使用外转子集成电机推进器，实现系统安静推进。通过该系统配置，显著降低系统振动噪声水平。

Description

一种推进系统及其控制方法

技术领域

本发明属于船舶推进技术领域，具体涉及一种推进系统以及其控制方法。

背景技术

推进系统是广泛用于水面或者水下航行器的动力装置，为航行器水中航行提供动力。

目前，大多数航行器的推进系统配置为舱内的主机（柴油机）发出功率，经过传动设备（离合器和减速齿轮箱），再通过长轴系传递至舱外，带动舱外的桨叶旋转，最终实现航行器运动。然而，这种方式的系统配置存在如下缺点：主机工作时噪声、振动较大，特别在频繁改变转速的时候，主机振动噪声显著提高；长轴系传递振动，桨叶激振力通过长轴系传递至航行器本体，同时，长轴系放大了振动，使航行器振动噪声水平很难得到抑制。

而外转子集成电机推进器提供了一种降低振动噪声的方案，通过电机直接集成桨叶推动航行器前进，取消了传统轴系，能够做到较低的振动噪声水平。然而，大功率的外转子集成电机推进器体积重量较大，外部布置安装困难，且永磁电机占用桨毂空间，使得推进器毂径比增大，减小桨叶的效率。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种推进系统及其控制方法。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种推进系统，包括顺序连接的主机、轴系和外转子集成电机推进器，所述的轴系由空心轴及布置于空心轴内侧的轴系电缆组成，空心轴由主轴轴承支撑固定，空心轴上靠近主机一侧设置有滑环，所述的外转子集成电机推进器由相对空心轴旋转的转子和相对空心轴静止的定子组成，转子与定子之间存在间隙，所述转子由固定于所述定子两侧的轴承组固定支撑，所述的空心轴一端连接主机，一端依次穿过轴承组和定子之后连接有桨毂帽，将外转子集成电机推进器轴向固定同时将主机的旋转传递至定子，所述的轴系电缆相对于空心轴静止，在靠近外转子集成电机推进器一侧穿过空心轴连接至定子，在靠近主机一侧连接至滑环内部旋转侧，再通过滑环将旋转侧导联至滑环外部接线端，连接至外部变频器，外转子集成电机推进器电力由外部变频设备通过滑环传输，滑环将电力传输状态由静止转化为与轴系同步旋转的相对运动。

所述的一种推进系统，其转子包括外侧的桨叶、连接在桨叶内部的永磁体以及安装于桨叶两端的摩擦副，与所述轴承组进行配合，所述的永磁体内侧安装有转子屏蔽套，用于密封定子，防止外部液体进入定子内部。

所述的一种推进系统，其永磁体为稀土材料制成，永磁体按照N级、S级间隔安装于所述桨叶内部。

所述的一种推进系统，其定子包括内部的安装于空心轴上的定子基座以及套装于定子基座之上的定子电枢，所述的定子电枢由硅钢片叠压而成的铁芯安装线圈制成，定子电枢能按照外部变频设备将交流电转化为旋转磁场，定子电枢外设置有定子密封套，定子密封套的一侧或两侧设置有定子端板，与定子密封套共同形成密封舱，使得定子电枢与外部液体隔离。

所述的一种推进系统，其定子基座与空心轴之间采用锥度安装，也可采用键连接安装。

所述的一种推进系统，其轴承组由安装于轴承基座周向的支撑轴承及安装于轴承基座轴向的推力轴承组成。支撑轴承及推力轴承由高分子复合材料制成，在旋转过程中与摩擦副配合，在表面形成一层水膜，降低旋转过程中的转子与定子间的摩擦力，且为转子提供固定。

本发明专利还公开了一种推进系统的控制方法，步骤如下：

全速前进时，通过外部变频器提供电能经由滑环通过轴系电缆传递至定子，定子电枢将所述电能转化为外部旋转磁场，磁场驱动转子内的永磁体产生相对运动，从而外转子集成电机推进器输出转速n1，同时通过主机带动轴系以转速n2转动，轴系将该部分转速传递给定子，最终外转子集成电机推进器的桨叶的转速由两部分组成，一部分由主机提供，一部分由变频器提供，即推进器的转速N=n1+n2，驱动系统需要全速前进时，使得n1=n2=n，N=2n，此时外转子集成电机推进器处于最高转速状态。

安静航行时，通过关闭主机使转速n2=0，仅使外转子集成电机推进器输出转速n1，最终外转子集成电机推进器的桨叶的转速N=n1，实现系统安静推进；通过该系统配置，显著降低系统振动噪声水平。

进一步，配置n1与n2的最大值均为n，通过固定主机的转速n2以及外转子集成电机推进器输出的转速n1，最终外转子集成电机推进器的桨叶具有恒定的转速N=n1+n2=2n，实现系统恒定转速推进。

通过调节外转子集成电机推进器输出的转速n1=0～n，使推进器的转速N=n～2n。使外转子集成电机推进器反转，通过保持主机的转速n2=n，使系统转速N=0～n。

本发明的有益效果是：该系统在能够满足航行器全转速行驶的前提下，降低了主机功率，并使主机长期处于恒转速工作状态，极大的降低了舱内振动；降低了外置外转子集成电机推进器的装机体积，减小了毂径比变化带来的桨叶效率的影响；同时在特殊工况下，关闭主机，将主机振动和轴系耦合振动完全消除，又能发挥外转子集成电机推进器安静推进的特点。本发明在推进形式上有较大程度的创新，特别适合在对航行器隐身性能有较高要求，且需要同时兼顾航速的场合中运用。

附图说明

图1为本发明推进系统的总体示意图；

图2为本发明外转子集成电机推进器的爆炸图；

图3为本发明转子的爆炸图；

图4为本发明定子的爆炸图；

图5为本发明轴承组的爆炸图；

图6为本发明轴系的爆炸图；

图7为装置工作原理说明图。

各附图标记为：1000—推进系统，1—外转子集成电机推进器，2—主轴轴承，3—轴系，4—滑环，5—主机，11—桨毂帽，12—转子，13—定子，14—轴承组，121—转子密封套，122—永磁体，123—摩擦副，124—桨叶，131—定子基座，132—定子电枢，133—定子密封套，134—定子端板，141—径向轴承，142—推力轴承，143—轴承基座，31—空心轴，32—轴系电缆。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，尽管附图中的各个构件以特定比例绘制，但是这些比例关系仅仅是示例性的，本领域技术人员可以根据需要对其做出调整，以便适应具体的应用场合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示方向或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对发明的限制。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连接。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

按照本发明的一个示例，如图1至图6，本发明推进系统1000包括外转子集成电机推进器1，主轴轴承2，轴系3，滑环4以及主机5。

所述的外转子集成电机推进器1包括桨毂帽11、转子12、定子13以及轴承组14。

所述的转子12包括转子密封套121、永磁体122、摩擦副123以及桨叶124。

所述的定子13包括定子基座131、定子电枢132、定子密封套133以及定子端板134。

所述的轴承组14包括径向轴承141、推力轴承142以及轴承基座143。

所述的轴系3包含空心轴31以及轴系电缆32。

参照图1所示，所述的轴系3连接外转子集成电机推进器1与主机5，轴系3由主轴轴承2支撑固定，滑环4位于轴系3靠近主机5一侧，外转子集成电机推进器1电力由外部变频设备（未示）通过滑环4传输，滑环4将电力传输状态由静止转化为与轴系3同步旋转的相对运动。

参照图2所示，所述的外转子集成电机推进器1由相对轴系3旋转的转子12与相对轴系3静止的定子13组成，所述转子12由固定于所述定子13两侧的轴承组14固定于支撑，所述转子12与所述定子13之间存在间隙。桨毂帽11与穿过所述定子13、所述轴承14的轴系3连接，将外转子集成电机推进器1轴向固定。

参照图3所示，所述的转子12外侧为桨叶124，所述桨叶124内部连接永磁体122，所述永磁体122为稀土材料制成，所述永磁体122按照N级、S级间隔安装于所述桨叶124内部。摩擦副123安装于桨叶124两端，与所述轴承组14进行配合。所述转子屏蔽套121安装于永磁体122内侧，将定子13密封，防止外部液体进入定子13内部。

参照图4所示，所述的定子13内部为定子基座131，定子电枢132套装于定子基座131之上，一个定子端板134位于定子基座131的一侧，和定子基座131另一侧的凸环与定子密封套133共同形成密封舱，或者两个定子端板134分别位于定子基座131的两侧与定子密封套133共同形成密封舱，使得定子电枢132与外部液体隔离。所述定子基座131内侧安装于所述轴系3之上，该处可用锥度安装，也可采用键连接安装。所述定子电枢132由硅钢片叠压而成的铁芯安装线圈制成，所述定子电枢132能按照外部变频设备将交流电转化为旋转磁场。

参照图5所示，所述的轴承组14为安装于轴承基座143周向的支撑轴承141及安装于轴承基座143轴向的推力轴承142组成。所述支撑轴承141及所述推力轴承142由高分子复合材料制成，在旋转过程中与摩擦副123配合，在表面形成一层水膜，降低旋转过程中的转子12与定子13间的摩擦力，且为转子12提供固定。

参照图6所示，所述的轴系3由空心轴31及布置于空心轴31内侧的轴系电缆32组成。所述空心轴31将主机5旋转传递至外转子集成电机推进器1的定子13。所述轴系电缆32相对于空心轴31静止，在靠近外转子集成电机推进器1一侧穿过空心轴31连接至定子13，在靠近主机5一侧连接至滑环4内部旋转侧，在通过滑环4将旋转侧导联至滑环4外部接线端，连接至外部变频器（未示）。

参照图7说明本推进系统控制方法的工作原理。

所述滑环4外接外部变频器（图中未示），获取电能经由滑环4通过轴系电缆32传递至定子13，定子电枢132将所述电能转化为外部旋转磁场，磁场驱动位于所述转子的永磁体122产生相对运动，此转速为n1；所述主机5带动轴系3转动，轴系3将该部分转速传递给定子13，此转速为n2；最终推进器桨叶124的转速由两部分组成，一部分由主机5提供，一部分由变频器提供，即推进器转速N=n1+n2。

本发明中，配置n1与n2的最大值相等为n。

当航行器需要全速前进时，使得n1=n2=n，N=2n，此时推进器处于最高转速状态。

当航行器所需转速N在n-2n范围内时，使主机5保持转速n2=n，通过调节外转子集成电机推进器1转速n1=0～n来实现。

当航行器所需转速N在0～n范围内时，使主机5保持转速n2=n，使外转子集成电机推进器1反转，通过调节外转子集成电机推进器1反转转速n1=0～n来实现。

当航行器需要安静航行时，使主机5停机，仅通过外转子集成电机推进器1转动实现航行器驱动。

本发明另一实施例，n1与n2配置为不相等，使得n2为推进器平均转速，通过调节n1实现推进器在常用转速区间内的转速变化。

本发明另一实施例，可配置两台或多台外转子集成电机推进器1，实现多级推进，或者对转桨推进。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种推进系统，其特征在于：包括顺序连接的主机（5）、轴系（3）和外转子集成电机推进器（1），所述的轴系（3）由空心轴（31）及布置于空心轴（31）内的轴系电缆（32）组成，空心轴（31）由主轴轴承（2）支撑固定，空心轴（31）上靠近主机（5）一侧设置有滑环（4），所述的外转子集成电机推进器（1）由相对空心轴（31）旋转的转子（12）和相对空心轴（31）静止的定子（13）组成，所述的转子（12）包括桨叶（124）、设置在桨叶（124）内部的永磁体（122）以及安装于桨叶（124）两端的摩擦副（123），所述的永磁体（122）内侧安装有转子屏蔽套（121），用于密封定子（13），所述的定子（13）包括安装于空心轴（31）上的定子基座（131）以及套装于定子基座（131）之上的定子电枢（132），所述的定子电枢（132）由硅钢片叠压而成的铁芯安装线圈制成，定子电枢（132）外设置有定子密封套（133），定子密封套（133）的一侧或两侧设置有定子端板（134），与定子密封套（133）共同形成密封舱，所述转子（12）由固定于定子（13）两侧的轴承组（14）固定支撑，所述的空心轴（31）一端连接主机（5），一端依次穿过轴承组（14）和定子（13）之后连接有桨毂帽（11），将主机（5）的旋转传递至定子（13），所述的轴系电缆（32）相对于空心轴（31）静止，在靠近外转子集成电机推进器（1）一侧穿过空心轴（31）连接至定子（13），在靠近主机（5）一侧连接至滑环（4）内部旋转侧，再通过滑环（4）将旋转侧导联至滑环（4）外部接线端，连接至外部变频器，所述的轴承组（14）由沿轴承基座（143）周向安装的支撑轴承（141）及沿轴承基座（143）轴向安装的推力轴承（142）组成。

2.根据权利要求1所述的一种推进系统，其特征在于，所述的永磁体（122）为稀土材料制成，按照N级、S级间隔安装于桨叶（124）内部。

3.根据权利要求1所述的一种推进系统，其特征在于，所述的定子基座（131）与空心轴（31）通过锥度安装或者采用键连接安装。

4.一种如权利要求1所述推进系统的控制方法，其特征在于，

全速前进时，通过外部变频器提供电能经由滑环（4）通过轴系电缆（32）传递至定子（13），定子电枢（132）将所述电能转化为外部旋转磁场，驱动转子（12）内的永磁体（122）产生相对运动，从而外转子集成电机推进器（1）输出转速n1，同时通过主机（5）带动轴系（3）以转速n2转动，轴系（3）将该转速传递给定子（13），最终桨叶（124）的转速N=n1+n2，驱动系统全速前进；

安静航行时，通过关闭主机（5）使转速n2=0，仅使外转子集成电机推进器（1）输出转速n1，最终桨叶（124）的转速N=n1，实现系统安静推进。

5.根据权利要求4所述的一种推进系统控制方法，其特征在于，配置n1与n2的最大值均为n，通过固定主机（5）的转速n2以及外转子集成电机推进器（1）输出的转速n1，最终外转子集成电机推进器1的桨叶（124）具有恒定的转速N=n1+n2=2n，实现系统恒定转速推进；通过调节外转子集成电机推进器（1）输出的转速n1=0～n，使系统的转速N=n～2n；使外转子集成电机推进器（1）反转，通过保持主机（5）的转速n2=n，使系统转速N=0～n。