CN115123510B - 一种船舶电力推进系统及电力推进方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种船舶电力推进系统及电力推进方法。所述船舶电力推进系统，包括至少两个电力推进装置；每个电力推进装置包括底座、定子和转子。定子安装在底座上，定子包括圆周均匀分布的绕制线圈。转子包括中间轴和围绕中间轴圆周均匀布置的多个永磁体，中间轴与永磁体固连且同步转动，转子安装在定子内。多个电力推进装置的中间轴转动轴线重合且首尾依次刚性连接。位于边侧的电力推进装置的中间轴与螺旋桨轴系相连。本申请有效提高船舶电力推进系统的冗余性和可靠性，为船舶安全航行提供了保障，同时提高船舶的机动灵活性。进一步可通过电力推进装置实现船舶减速时回收其动力，节能环保。

Description

一种船舶电力推进系统及电力推进方法

技术领域

本申请涉及船舶动力领域，具体而言，涉及一种船舶电力推进系统及电力推进方法。

背景技术

目前船舶普遍采用螺旋桨推进方式，螺旋桨推进包括两种形式。第一，机械式螺旋桨推进，该推进方式主要是通过主机、中间轴及螺旋桨，将船舶自身携带燃料的内能由主机传导至轴系设备，最终变为螺旋桨的机械能从而推动船舶行驶。第二，电力螺旋桨推进，该推进方式的动力主要是通过主发电机、电动机及螺旋桨进行动力传导，通过将内燃机和发电机将船舶自身携带燃料的内能转化成电能，再通过电动机将电能转换为机械能带动螺旋桨旋转，最终推动船舶行驶。

在现有的技术中，以上方法都有各自的缺陷。第一种，机械式推进方式，普遍通过传动轴和齿轮系进行传动，一般来说，传动轴系长度将占全船总长的五分之二以上，往往会造成舱室位置受限、轴系对中复杂、舱室空间浪费、有较大噪声等问题，并且船舶主机设备大，构成复杂，启动时间慢。第二种，电力螺旋桨推进方式一般采用多台主发电机发电，通过电力分配系统将电能分配到每套轴系上的电动机，这对电力推进系统和设备的可靠性和冗余性要求严格，尤其对电动机的要求特别严格，当电动机出现故障时，船舶将失去动力无法行驶，对航行安全带来极大挑战。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种船舶电力推进系统，其能够有效提高船舶电力推进系统的冗余性和可靠性，为船舶安全航行提供了保障，同时提高船舶的机动灵活性。进一步可通过电力推进装置实现船舶减速时回收其动力，节能环保。

本申请实施例的第二目的还在于提供一种使用上述船舶电力推进系统的船舶电力推进方法。

第一方面，提供了一种船舶电力推进系统，包括至少两个电力推进装置；每个电力推进装置包括底座、定子和转子。底座与船体固连；定子安装在底座上，定子包括圆周均匀分布的绕制线圈；转子包括中间轴和围绕中间轴圆周均匀布置的多个永磁体，中间轴与永磁体固连且同步转动，转子安装在定子内。多个电力推进装置的中间轴转动轴线重合且首尾依次刚性连接，形成多个中间轴串联；位于边侧的电力推进装置的中间轴与螺旋桨轴系相连，中间轴转动带动螺旋桨轴系转动，螺旋桨轴系转动亦可带动中间轴转动。任一个电力推进装置的绕制线圈通电时产生磁场对永磁体产生排斥力和吸引力，以驱动中间轴转动。在每个电力推进装置的绕制线圈不通电时，若中间轴转动则带动永磁体转动使绕制线圈切割磁感线产生电流。

在一种可实施的方案中，所有电力推进装置的结构完全相同；沿中间轴的轴向方向，所有电力推进装置的定子的绕制线圈完全重合；所有电力推进装置的转子的中间轴顺次连接后，沿中间轴的轴向方向，所有中间轴上的永磁体完全重合。

在一种可实施的方案中，船舶电力推进系统还包括轴承座；在每个电力推进装置两侧的船体上各安装一个轴承座；每个电力推进装置的中间轴的两端伸出定子预定长度，每个电力推进装置的中间轴的两端分别与一个轴承座配合；两个轴承座支撑起一个中间轴，以使中间轴的轴线与定子的轴线重合。

在一种可实施的方案中，相邻中间轴之间通过法兰结构连接。

在一种可实施的方案中，船舶电力推进系统还包括蓄电装置，其与电力推进装置电连接，用于储存绕制线圈切割永磁体磁感线产生的电流。

在一种可实施的方案中，永磁体的数量与绕制线圈的数量相同且为偶数。

在一种可实施的方案中，在船舶减速时，所有电力推进装置的绕制线圈不通电；在船舶加速或匀速航行时，至少一个电力推进装置的绕制线圈通电。

根据本申请的第二方面，还提供了一种船舶电力推进方法，其使用上述方案中的船舶电力推进系统，船舶电力推进方法包括：

获取船舶的航行速度状态；

若船舶的航行速度状态为减速状态，则将所有电力推进装置的定子的绕制线圈的通电切断，使螺旋桨轴系带动串联的多个中间轴转动，进而带动转子转动，使所有电力推进装置的绕制线圈切割永磁体的磁感线，以产生电流供给船舶存储或使用；

若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，则将至少一个电力推进装置的定子的绕制线圈通电，绕制线圈通电产生磁场对永磁体产生排斥力和吸引力，以驱动串联的所有中间轴转动，进而带动螺旋桨轴系转动。

在一种可实施的方案中，在船舶的航行速度状态为加速或匀速状态时，设定一速度阈值，船舶电力推进方法还包括：

若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，且船舶的航行速度低于速度阈值时，至少一个电力推进装置的定子的绕制线圈通电，且至少一个电力推进装置的定子的绕制线圈的通电切断，通电的电力推进装置用于驱动串联的中间轴转动带动螺旋桨轴系转动，通电切断的电力推进装置绕制线圈切割永磁体的磁感线，以产生电流供给船舶存储或使用；

若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，且船舶的航行速度大于等于速度阈值时，则将至所有电力推进装置的定子的绕制线圈通电，绕制线圈通电产生磁场对永磁体产生排斥力和吸引力，以驱动串联的所有中间轴转动，进而带动螺旋桨轴系转动。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请的船舶电力推进系统，利用多个电能和机械能可以互相转换的电力推进装置，将船舶动力能力进行分散，避免单个电力推进装置发生故障而影响船舶的正常行驶，有效降低了船舶航行时丧失动力的风险，提高了船舶电力推进系统的冗余性和可靠性，为船舶安全航行提供了保障。同时，加速或者高负载航行时可开启多个甚至全部的电力推进装置，提供更大的动力性能，低速或者低负载航行时，可开启少量电力推进装置，提供与所需适配的动力性能，如此提高船舶的机动灵活性。进一步地，可通过电力推进装置实现船舶减速时回收其动力，将船舶动能转换为电能，进一步增强了船舶推进系统的抗风险能力，且节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种船舶电力推进系统的电力推进装置的使用结构图；

图2为图1中A-A处电力推进装置的剖面结构示意图；

图3为根据本申请实施例示出的一种船舶电力推进系统的电力推进装置工作状态示意图一；

图4为根据本申请实施例示出的一种船舶电力推进系统的电力推进装置工作状态示意图二；

图5为根据本申请实施例示出的一种船舶电力推进系统的结构图。

图中：10、电力推进装置；11、底座；12、定子；121、绕制线圈；13、转子；131、中间轴；132、永磁体；20、轴承座；30、蓄电装置；40、主发电机组；50、整流装置；100、螺旋桨轴系。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

根据本申请的第一方面，如图1和2所示，首先提供一种船舶电力推进系统，包括至少两个电力推进装置10，每个电力推进装置10包括底座11、定子12和转子13。其中，底座11与船体固连，定子12安装在底座11上，定子12包括圆周均匀分布的绕制线圈121，转子13包括中间轴131和围绕中间轴131圆周均匀布置的多个永磁体132，中间轴131与永磁体132固连且同步转动，转子13安装在定子12内。多个电力推进装置10的中间轴131转动轴线重合且首尾依次刚性连接，形成多个中间轴131串联。位于边侧的电力推进装置10的中间轴131与螺旋桨轴系100相连，中间轴131转动带动螺旋桨轴系100转动，螺旋桨轴系100转动亦可带动中间轴131转动。任一个电力推进装置10的绕制线圈121通电时产生磁场对永磁体132产生排斥力和吸引力，以驱动中间轴131转动。在每个电力推进装置10的绕制线圈121不通电时，若中间轴131转动则带动永磁体132转动使绕制线圈121切割磁感线产生电流。

上述实施例的船舶电力推进系统，采用至少两个电力推进装置10，且所有电力推进装置10的中间轴131转动轴线重合且首尾依次刚性连接，形成了串联式电力推进方式，实现船舶动力能力进行分散，因此只要电力推进装置10有一个可以正常工作，船舶就可以保持航行能力，由此避免单个电力推进装置10发生故障或突然停机而影响船舶的正常行驶。

同时，电力推进装置10的转子13和定子12的结构，一方面，可以通过给绕制线圈121通电时产生磁场对永磁体132产生排斥力和吸引力，以驱动中间轴131转动，进而带动螺旋桨轴系100转动，带动船舶航行。另一方面，在船舶减速时，绕制线圈121不需通电，螺旋桨轴系100的剩余惯性转速带动中间轴131转动，进而带动永磁体132转动使绕制线圈121切割磁感线产生电流，以用于船舶照明或者存储，从而将船舶动能转换为电能，通过电力推进装置10实现船舶减速时回收其动力。

此外，在船舶处于不同的加速状态或者需要不同的航行速度时，可以开启多个电力推进装置10中的一台或者多台，其与未通电开启则作为发电机进行发电，实现航行和发电互相兼顾的航行状态，有效利用能源。

进一步地，电力推进装置10可以实现不同方向的转动，也可以调整定子12的绕制线圈121的电流和电压，来实现不同的转速和扭矩，从而实现船舶的快速刹车。

综上，本实施例的船舶电力推进系统，利用多个电能和机械能可以互相转换的电力推进装置10，将船舶动力能力进行分散，避免单个电力推进装置10发生故障而影响船舶的正常行驶，有效降低了船舶航行时丧失动力的风险，提高了船舶电力推进系统的冗余性和可靠性，为船舶安全航行提供了保障。同时，加速或者高负载航行时可开启多个甚至全部的电力推进装置10，提供更大的动力性能，低速或者低负载航行时，可开启少量电力推进装置10，提供与所需适配的动力性能，如此提高船舶的机动灵活性。进一步地，可通过电力推进装置10实现船舶减速时回收其动力，将船舶动能转换为电能，进一步增强了船舶推进系统的抗风险能力，且节能环保。

需要说明的是，电力推进装置10根据船舶类型、空间大小、负荷大小、航行速度等，可以选三个、四个、五个等。

需要说明的是，如图3所示，电力推进装置10的绕制线圈121接通电流，由于电流的磁效应会形成磁场，该磁场与永磁体132的磁场进行作用，推动转子13进行转动，转子13绕顺时针旋转，带动船舶螺旋桨轴系100转动。如图4所示，当永磁体132旋转越过最邻近的绕制线圈121后，可以借助位置传感器检测到转子13的位置变化，利用控制器控制定子12绕制线圈121的电路，从而使绕制线圈121的电流方向发生偏转，其产生的磁场发生反向，该反向磁场与永磁体132的磁场继续作用推动转子13绕顺时针旋转，如此反复，通过绕制线圈121产生的磁场和永磁体132的磁场因磁力产生的排斥力和吸引力进而带动船舶螺旋桨轴系100转动，最终推动船舶行驶。

在一种实施方案中，所有电力推进装置10的结构完全相同；沿中间轴131的轴向方向，所有电力推进装置10的定子12的绕制线圈121完全重合，所有电力推进装置10的转子13的中间轴131顺次连接后，沿中间轴131的轴向方向，所有中间轴131上的永磁体132完全重合，以使所有电力推进装置10驱动中间轴131转动时，能够形成对各自的永磁体132同时的排斥力和吸引力，以实现中间轴131更快的加速和对中间轴131更大的驱动力。

在一种实施方案中，如图1所示，船舶电力推进系统还包括轴承座20；在每个电力推进装置10两侧的船体上各安装一个轴承座20；每个电力推进装置10的中间轴131的两端伸出定子12预定长度，每个电力推进装置10的中间轴131的两端分别与一个轴承座20配合；两个轴承座20支撑起一个中间轴131，以使中间轴131的轴线与定子12的轴线重合，也使多个中间轴131保证较好的同轴度。同时，轴承座20可以防止船舶行驶时中间轴131因为自重或者船舶航行时受到负荷而产生较大的挠度变化。

在一种实施方案中，如图1所示，相邻中间轴131之间通过法兰结构连接，以便于拆装，便于后期维护。

在一种实施方案中，如图5所示，船舶电力推进系统还包括蓄电装置30，其与电力推进装置10电连接，用于储存绕制线圈121切割永磁体132磁感线产生的电流，以便于照明系统、辅助电机等的用电，也可以作为电力推进装置10的补充能源。

在一种实施方案中，如图5所示，船舶电力推进系统还包括主发电机组40、整流装置50等，主发电机组40将产生的交流电通过整流装置50转化为直流电，以供电力推进装置10及船舶其它用电设施使用。

在一种实施方案中，如图2所示，永磁体132的数量与绕制线圈121的数量相同且为偶数，以便于电力推进装置10在相同的电流和电压下能够形成相同的驱动力，以尽可能提高电能到机械能的转化效率，尽可能避免部分电力推进装置10的转子13的速度过低作无用功导致能源浪费。

在一种实施方案中，在船舶减速时，所有电力推进装置10的绕制线圈121不通电，以实现船舶减速时回收其动力转换为电能。在船舶加速或匀速航行时，至少一个电力推进装置10的绕制线圈121通电，不同数量的电力推进装置10的绕制线圈121通电，以适应不同的航行速度和航行负载。

根据本申请的第二方面，还提供了一种船舶电力推进方法，其使用上述方案中的船舶电力推进系统，船舶电力推进方法包括：

S1、获取船舶的航行速度状态；

S12、若船舶的航行速度状态为减速状态，则将所有电力推进装置10的定子12的绕制线圈121的通电切断，使螺旋桨轴系100带动串联的多个中间轴131转动，进而带动转子13转动，使所有电力推进装置10的绕制线圈121切割永磁体132的磁感线，以产生电流供给船舶存储或使用；

S13、若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，则将至少一个电力推进装置10的定子12的绕制线圈121通电，绕制线圈121通电产生磁场对永磁体132产生排斥力和吸引力，以驱动串联的所有中间轴131转动，进而带动螺旋桨轴系100转动。

在一种实施方案中，在船舶的航行速度状态为加速或匀速状态时，设定一速度阈值，速度阈值根据不同船舶其具体数值不同，主要是用于划分船舶低速低负载运行和高度高负载航行的分界值，因此船舶电力推进方法还包括：

S14、若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，且船舶的航行速度低于速度阈值时，至少一个电力推进装置10的定子12的绕制线圈121通电，且至少一个电力推进装置10的定子12的绕制线圈121的通电切断，通电的电力推进装置10用于驱动串联的中间轴131转动带动螺旋桨轴系100转动，通电切断的电力推进装置10绕制线圈121切割永磁体132的磁感线，以产生电流供给船舶存储或使用；

S15、若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，且船舶的航行速度大于等于速度阈值时，则将至所有电力推进装置10的定子12的绕制线圈121通电，绕制线圈121通电产生磁场对永磁体132产生排斥力和吸引力，以驱动串联的所有中间轴131转动，进而带动螺旋桨轴系100转动。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种船舶电力推进系统，其特征在于，包括至少两个电力推进装置（10）；每个所述电力推进装置（10）包括底座（11）、定子（12）和转子（13）：

所述底座（11）与船体固连；所述定子（12）安装在所述底座（11）上，所述定子（12）包括圆周均匀分布的绕制线圈（121）；所述转子（13）包括中间轴（131）和围绕所述中间轴（131）圆周均匀布置的多个永磁体（132），所述中间轴（131）与所述永磁体（132）固连且同步转动，所述转子（13）安装在所述定子（12）内；

多个所述电力推进装置（10）的所述中间轴（131）转动轴线重合且首尾依次刚性连接，形成多个所述中间轴（131）串联；位于边侧的所述电力推进装置（10）的所述中间轴（131）与螺旋桨轴系（100）相连，所述中间轴（131）转动带动所述螺旋桨轴系（100）转动，所述螺旋桨轴系（100）转动亦可带动所述中间轴（131）转动；

任一个所述电力推进装置（10）的所述绕制线圈（121）通电时产生磁场对所述永磁体（132）产生排斥力和吸引力，以驱动所述中间轴（131）转动；

所有所述电力推进装置（10）的结构完全相同；沿所述中间轴（131）的轴向方向，所有所述电力推进装置（10）的所述定子（12）的所述绕制线圈（121）完全重合；所有所述电力推进装置（10）的所述转子（13）的所述中间轴（131）顺次连接后，沿所述中间轴（131）的轴向方向，所有所述中间轴（131）上的所述永磁体（132）完全重合；

在大于等于两个所述电力推进装置（10）的所述绕制线圈（121）通电时，对各自的所述永磁体（132）产生同时的排斥力和吸引力；

在每个所述电力推进装置（10）的所述绕制线圈（121）不通电时，若所述中间轴（131）转动则带动所述永磁体（132）转动使所述绕制线圈（121）切割磁感线产生电流。

2.根据权利要求1所述的船舶电力推进系统，其特征在于，所述船舶电力推进系统还包括轴承座（20）；

在每个所述电力推进装置（10）两侧的船体上各安装一个所述轴承座（20）；

每个所述电力推进装置（10）的所述中间轴（131）的两端伸出所述定子（12）预定长度，每个所述电力推进装置（10）的所述中间轴（131）的两端分别与一个所述轴承座（20）配合；

两个所述轴承座（20）支撑起一个所述中间轴（131），以使所述中间轴（131）的轴线与所述定子（12）的轴线重合。

3.根据权利要求2所述的船舶电力推进系统，其特征在于，相邻所述中间轴（131）之间通过法兰结构连接。

4.根据权利要求1所述的船舶电力推进系统，其特征在于，船舶电力推进系统还包括蓄电装置（30），其与所述电力推进装置（10）电连接，用于储存所述绕制线圈（121）切割所述永磁体（132）磁感线产生的电流。

5.根据权利要求1-4任一项所述的船舶电力推进系统，其特征在于，所述永磁体（132）的数量与所述绕制线圈（121）的数量相同且为偶数。

6.根据权利要求1-4任一项所述的船舶电力推进系统，其特征在于，在船舶减速时，所有所述电力推进装置（10）的所述绕制线圈（121）不通电；

在船舶加速或匀速航行时，至少一个所述电力推进装置（10）的所述绕制线圈（121）通电。

7.一种船舶电力推进方法，其特征在于，其使用如权利要求1-6任一项所述的船舶电力推进系统，船舶电力推进方法包括：

获取船舶的航行速度状态；

若船舶的航行速度状态为减速状态，则将所有电力推进装置（10）的定子（12）的绕制线圈（121）的通电切断，使螺旋桨轴系（100）带动串联的多个中间轴（131）转动，进而带动转子（13）转动，使所有电力推进装置（10）的绕制线圈（121）切割永磁体（132）的磁感线，以产生电流供给船舶存储或使用；

若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，则将至少一个电力推进装置（10）的定子（12）的绕制线圈（121）通电，绕制线圈（121）通电产生磁场对永磁体（132）产生排斥力和吸引力，以驱动串联的所有中间轴（131）转动，进而带动螺旋桨轴系（100）转动。

8.根据权利要求7所述的船舶电力推进方法，其特征在于，在船舶的航行速度状态为加速或匀速状态时，设定一速度阈值，船舶电力推进方法还包括：

若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，且船舶的航行速度低于速度阈值时，至少一个电力推进装置（10）的定子（12）的绕制线圈（121）通电，且至少一个电力推进装置（10）的定子（12）的绕制线圈（121）的通电切断，通电的电力推进装置（10）用于驱动串联的中间轴（131）转动带动螺旋桨轴系（100）转动，通电切断的电力推进装置（10）绕制线圈（121）切割永磁体（132）的磁感线，以产生电流供给船舶存储或使用；

若船舶的航行速度状态为加速或匀速状态，且船舶的航行速度大于等于速度阈值时，则将至所有电力推进装置（10）的定子（12）的绕制线圈（121）通电，绕制线圈（121）通电产生磁场对永磁体（132）产生排斥力和吸引力，以驱动串联的所有中间轴（131）转动，进而带动螺旋桨轴系（100）转动。

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