CN115549374A - 一种船用主动水冷电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船用主动水冷电机及其控制方法、主动水冷电机包括电机、水冷电机外壳和电机控制器，电机包括电机底座，水冷电机外壳下方连接有电机底座，水冷电机外壳内设有电机控制器，电机控制器与电机电性连接，水冷电机外壳内部还设有水冷通道，并通过电机控制器读取电机转速、电流、控制系统温度三个数据的融合方式来进行控制，当低速带载或者高速运行时可以主动加快水冷流量进行前馈式控制，水冷可以在温升上升前进行降温，达到更好的温度调节功能，从而实现一种一体化设计、方便安装且能够实现主动式散热，且解决滞后性问题，在较低负载时可以低噪声低水冷流量运行的电机驱动系统。

Description

一种船用主动水冷电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及船用电机技术领域，尤其涉及一种船用主动水冷电机及其控制方法。

背景技术

在船用电机驱动系统中，由于系统运行是在水中，一般利用水冷的方案进行散热。一般的水冷方法为水流通过结构外壳或者引流到水冷流道，利用水流压力对内部发热的电机电控部分进行散热。这种是一种被动散热方式，而且受限于船体运行速度、水流速度等因素，水冷散热效果有限，为此现在采用了主动散热的方式，通过外置水泵与结构外壳或者水冷流道连接，通过水泵驱动水流，来进行主动散热，但是这样的方式，由于温度变化具有一定滞后性，一般等温度上升后在打开水泵进行降温处理，使得该温度调节方法上也有一定滞后性，若保持开启水泵，则会出现噪音的问题，且水泵保持运作功耗较大，同时由于现阶段动力系统都是采用分立结构单独设计，在使用时电机安装座只用来安装电机，控制装置需要进行单独的安装和布局，控制装置安装在机舱内部，需要额外配置风扇，为电调散热，减小了机舱的有效载荷尺寸，增加了硬件成本和重量，即为了安装增加的主动水泵、控制装置和水冷散热装置，需要对船体的动力安装空间及连接线路进行重新设计，这样的成本极高，为此需要一种解决现阶段动力系统都是采用分立结构单独设计问题，方便安装的电机驱动系统，同时能够实现主动式散热，且解决滞后性问题，在较低负载时可以低噪声低水冷流量运行的电机驱动系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种一体化设计、方便安装且能够实现主动式散热，且解决滞后性问题，在较低负载时可以低噪声低水冷流量运行的一种船用主动水冷电机及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种船用主动水冷电机、主动水冷电机包括电机、水冷电机外壳和电机控制器，电机包括电机转子、电机铁芯和电机底座，电机转子与电机底座连接，电机转子与电机底座形成容置腔，电机铁芯设置于容置腔内，电机铁芯和电机底座形成电机定子，水冷电机外壳下方连接有电机底座，水冷电机外壳内设有固定金属面，电机控制器固定于固定金属面上，电机控制器与电机电性连接，水冷电机外壳内部还设有水冷通道，水冷电机外壳外表面设有进水孔和出水孔，并分别通向水冷通道的两个端口。

借由上述结构，通过水冷电机外壳下方连接有电机底座，并在水冷电机外壳内设置电机控制器，将电机控制器与电机形成一体化设计，在安装电机驱动系统时，无需考虑电机控制器的安装位置，不需要对船体的动力安装空间及连接线路进行重新设计，解决现阶段动力系统都是采用分立结构单独设计问题，同时通过内置设有的水冷通道，对电机控制器和电机形成公共水冷通道，减少了水冷通道连接设计问题，且节约了空间，通过开设的进水孔和出水孔，分别进行连接水泵和进水管道即可实现，同时通过电机控制器读取电机的实时状态，来控制水泵，实现主动式散热。

优选的，电机控制器包括电机控制模块、通讯模块、驱动模块、功率转换模块和采样模块，主控单元模块连接通讯模块，电机控制模块分别连接通讯模块、驱动模块和采样模块，驱动模块连接功率转换模块，功率转换模块连接采用模块，功率转换模块连接电机，电机控制器还包括电源模块，电源模块连接电机控制模块。

由此可见，通过船的主控单元模块进行总体控制，电机控制模块通过驱动模块、功率转换模块来驱动电机运作，同时配备采样模块，来获取电机的转速电流及系统温度，进而通过反馈的数据在主控单元模块的调配下，预先对内部的整体发热量，所需的散热量，进行预先判断，进而驱动水泵的运作或水泵流量增加，从而实现主动式散热，在水冷电机的温升上升前进行降温，达到更好的温度调节功能，解决了滞后性问题。

由此可见，水冷通道围绕电机定子半边后，通向电机控制器的金属面，进而围绕电机定子另一半边。

由此可见，通过上述的水冷通道设计，电机和电机控制器实现共用水道设计，水流通过泵产生有一定压力的水流后，从电机定子进入，填充定子半边后，进入固定电机控制器的固定金属面，通过水冷方式将功率器件的热量带走。然后进入定子的另外一边区域后，经由出水口将升温后的水排走，从而提高散热效率，共用水道设计减少了水冷通道的数量，降低成本的同时，保持散热性能，且所需外接的进入管，出水管减少，无需对连接线路进行重新设计，使用原有的电机水冷系统即可，减少使用成本。

优选的，电机控制器的功率转换模块及电机控制器上的功率器件通过导热硅脂与金属面接触。

由此可见，通过导热硅脂与金属面接触将电机控制器的主要发热的功率器件部分，通过导热硅脂传热到金属面，加快热量的传导，提高散热效果。

优选的，水冷电机外壳与电机底座一体成型。

由此可见，通过一体成型的设计，方便安装人员进行安装，同时加强整体结构的强度，提高使用寿命。

一种船用主动水冷电机的控制方法，方法为通过设置电机控制模块和采样模块读取电机的电机转速、电机温度和电机电流，并设有通讯模块连接外接水泵，水泵通过管道与出水孔连接，进水孔外接进水管道，并在设置第一温度阈值T1和第二温度阈值T2。

当温度低于第一阈值T1时，泵停止运行，当温度高于第二阈值T2时，温度控制的水泵流量增加，当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随转速变化调节流量百分比，当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随电流变化调节流量百分比。

借由上述方法，采用结合电机转速、电流、控制系统温度三个数据的融合方式来进行控制，当低速带载或者高速运行时可以主动加快水冷流量进行前馈式控制，水冷可以在温升上升前进行降温，达到更好的温度调节功能，通过检测系统温度，当环温或者系统温度超过一定阈值后，温度增量也叠加到水泵流量调节中，实现主动式水冷调节，从而实现在温度变化前的调节，解决了滞后性问题，在较低负载时，保持水泵不允许，实现低噪声低水冷流量运行的电机驱动系统。

优选的，当温度高于第二阈值T2时，温度控制的水泵流量增加，其流量控制的百分比Ptemp使用公式表示如下：

优选的，当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随转速变化调节流量百分比，其根据转速调整的百分比为Pspeed，使用公式表示如下：

当温度大于第一阈值T1时，电机的转速绝对值达到设定的起始转速后，百分比会根据速度差值进行比例调节，调整比例为Kspeed。

优选的，当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随电流变化调节流量百分比，其根据电流调整的百分比为Pcur，使用公式表示如下：

P_cur＝K_cur*Current_abs T_now>T₁

当温度大于第一阈值T1时，调整比例为Kspeed，输出百分比与电流正相关。

优选的，水泵的输出最终百分比Ptol输出为如下公式：

本发明通过采用隔膜泵或蠕动泵等自吸水冷方式，进行主动散热。有效解决被动散热在低速大载重等场景下的散热不足问题，同时采用的控制方案采用结合电机转速、电流、控制系统温度三个数据的融合方式来进行控制，通过本发明，在较低负载时可以低噪声低水冷流量运行。

本发明通过连接外置水泵，实现强制水冷，与原有的通过船体与水流的相对速度产生的压差的方式，更能有效保障水流的流速，实现可控的水冷效果，在船停止时，如果温度过高，仍然可以进行水冷散热，有效提升元器件、电机部件寿命。

本发明所连接的水泵的流量通过电机转速、电机温度、电机电流三个维度进行综合控制，在达到低温时的静音运行和前馈式的快速控制，在温升快速抬升前有效得降低温度，达到更好的温度控制效果。

附图说明

图1为本实施例的整体结构示意图。

图2为本实施例的整体结构主视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为本实施例的电机驱动系统连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1-3所示，一种船用主动水冷电机1、主动水冷电机1包括电机1、水冷电机外壳2和电机控制器3，电机1包括电机转子101、电机铁芯102和电机底座103，电机转子101与电机底座103连接，电机转子101与电机底座103形成容置腔，电机铁芯102设置于容置腔内，电机铁芯102和电机底座103形成电机1定子，水冷电机外壳2下方连接有电机底座103，水冷电机外壳2内设有固定金属面4，电机控制器3固定于固定金属面4上，电机控制器3与电机1电性连接，水冷电机外壳2内部还设有水冷通道5，水冷电机外壳2外表面设有进水孔和出水孔，并分别通向水冷通道5的两个端口。

优选的，电机控制器3包括主控单元模块6、电机控制模块301、通讯模块302、驱动模块303、功率转换模块304和采样模块305，主控单元模块6连接通讯模块302，电机控制模块301分别连接通讯模块302、驱动模块303和采样模块305，驱动模块303连接功率转换模块304，功率转换模块304连接采用模块，功率转换模块304连接电机1，电机控制器3还包括电源模块306，电源模块306连接电机控制模块301。

优选的，水冷通道5围绕电机1定子半边后，通向电机控制器3的金属面，进而围绕电机1定子另一半边。

优选的，电机控制器3的功率转换模块304及电机控制器3上的功率器件通过导热硅脂与金属面接触。

优选的，水冷电机外壳2与电机底座103一体成型。

一种船用主动水冷电机1的控制方法，方法为通过设置电机控制模块301和采样模块305读取电机1的电机1转速、电机1温度和电机1电流，并设有通讯模块302连接外接水泵7，水泵7通过管道与出水孔连接，进水孔外接进水管道，并在设置第一温度阈值T1和第二温度阈值T2。

当温度低于第一阈值T1时，泵停止运行，当温度高于第二阈值T2时，温度控制的水泵7流量增加，当温度高于第一阈值后，电机1运行后，电机1随转速变化调节流量百分比，当温度高于第一阈值后，电机1运行后，电机1随电流变化调节流量百分比。

优选的，当温度高于第二阈值T2时，温度控制的水泵7流量增加，其流量控制的百分比Ptemp使用公式表示如下：

优选的，当温度高于第一阈值后，电机1运行后，电机1随转速变化调节流量百分比，其根据转速调整的百分比为Pspeed，使用公式表示如下：

当温度大于第一阈值T1时，电机1的转速绝对值达到设定的起始转速后，百分比会根据速度差值进行比例调节，调整比例为Kspeed。

优选的，当温度高于第一阈值后，电机1运行后，电机1随电流变化调节流量百分比，其根据电流调整的百分比为Pcur，使用公式表示如下：

P_cur＝K_cur*Current_abs T_now>T₁

当温度大于第一阈值T1时，调整比例为Kspeed，输出百分比与电流正相关。

优选的，水泵7的输出最终百分比Ptol输出为如下公式：

在本实施例中，P_temp为流量控制的开度百分比，K_temp为开度随温度变化的增益系数，T_now为采集的电机当前温度。P_speed为流量控制的开度百分比，K_speed为开度随速度变化的增益系数，S_now-abs为电机当前转速的绝对值，S_now-abs为电机起始计算转速的绝对值。P_cur为流量控制的开度百分比，K_cur为开度随速度变化的增益系数，Current_abs为电机当前电流的绝对值。

在本实施例中，如图4的电机1驱动系统连接图所示，安装人员将本发明的主动水冷电机1安装至船的电机1驱动系统中，并通过主动水冷电机1上开设的进水孔和出水孔，分别进行连接水泵7和进水管道即可完成安装，并通过通讯模块302与船的主控单元和水泵7连接，即可完成安装，无需重新设计船的电机1驱动系统和安装线路；

在使用前，分别设置第一温度阈值T1和第二温度阈值T2为30°和70°，但温度低于第一温度阈值T1时，为无需散热的温度，当温度高于第一温度阈值T1，低于第二温度阈值T2时为需要散热的温度，但高于第二温度阈值T2时为急需散热的温度，在此基础上，由上述方案调节，水泵7的运行功率，做到节能。

在使用过程中，通过船的主控单元模块6连接通讯模块302，驱动电机控制模块301通过驱动模块303、功率转换模块304来驱动电机1运作，实现电机1的调节，采样模块305读取电机1的电机1转速、电机1温度和电机1电流的数据，通过上述方法，对水泵7的启动和流量大小进行预先调节。

由上述方法可知，当温度低于第一阈值T1时，泵停止运行，当温度高于第二阈值T2时，温度控制的水泵7流量增加，当温度高于第一阈值后，电机1运行后，电机1随转速变化调节流量百分比，当温度高于第一阈值后，电机1运行后，电机1随电流变化调节流量百分比，从而实现流量的调节，在无需进行散热的时候，水泵7不运作，减少水泵7的噪音，在温度高于第一温度阈值T1，低于第二温度阈值T2时的需要散热的温度时，实现较低负载时可以低噪声低水冷流量运行。

以上是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种船用主动水冷电机、所述主动水冷电机包括电机、水冷电机外壳和电机控制器，所述电机包括电机转子、电机铁芯和电机底座，所述电机转子与所述电机底座连接，所述电机转子与电机底座形成容置腔，所述电机铁芯设置于所述容置腔内，所述电机铁芯和电机底座形成电机定子，其特征在于：所述水冷电机外壳下方连接有电机底座；

所述水冷电机外壳内设有固定金属面；

所述电机控制器固定于固定金属面上；

所述电机控制器与电机电性连接；

所述水冷电机外壳内部还设有水冷通道；

所述水冷电机外壳外表面设有进水孔和出水孔，并分别通向水冷通道的两个端口。

2.根据权利要求1所述的一种船用主动水冷电机，其特征在于：所述电机控制器包括电机控制模块、通讯模块、驱动模块、功率转换模块和采样模块；

所述主控单元模块连接通讯模块；

所述电机控制模块分别连接通讯模块、驱动模块和采样模块；

所述驱动模块连接功率转换模块；

所述功率转换模块连接采用模块；

所述功率转换模块连接电机；

所述电机控制器还包括电源模块，所述电源模块连接电机控制模块。

3.根据权利要求1所述的一种船用主动水冷电机，其特征在于：所述水冷通道围绕电机定子半边后，通向电机控制器的金属面，进而围绕电机定子另一半边。

4.根据权利要求3所述的一种船用主动水冷电机，其特征在于：所述电机控制器的功率转换模块通过导热硅脂与金属面接触。

5.根据权利要求1所述的一种船用主动水冷电机，其特征在于：所述水冷电机外壳与电机底座一体成型。

6.一种船用主动水冷电机的控制方法，其特征在于：所述方法为通过设置电机控制模块和采样模块读取电机的电机转速、电机温度和电机电流，并设有通讯模块连接外接水泵，所述水泵通过管道与出水孔连接，所述进水孔外接进水管道，并在设置第一温度阈值T1和第二温度阈值T2；

当温度低于第一阈值T1时，泵停止运行；

当温度高于第二阈值T2时，温度控制的水泵流量增加；

当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随转速变化调节流量百分比；

当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随电流变化调节流量百分比。

7.根据权利要求6所述的一种船用主动水冷电机的控制方法，其特征在于：所述当温度高于第二阈值T2时，温度控制的水泵流量增加，其流量控制的百分比Ptemp使用公式表示如下：

其中：P_temp为流量控制的开度百分比，K_temp为开度随温度变化的增益系数，T_now为采集的电机当前温度。

8.根据权利要求7所述的一种船用主动水冷电机的控制方法，其特征在于：所述当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随转速变化调节流量百分比，其根据转速调整的百分比为Pspeed，使用公式表示如下：

其中P_speed为流量控制的开度百分比，K_speed为开度随速度变化的增益系数，S_now-abs为电机当前转速的绝对值，S_now-abs为电机起始计算转速的绝对值；

当温度大于第一阈值T1时，电机的转速绝对值达到设定的起始转速后，百分比会根据速度差值进行比例调节，调整比例为Kspeed。

9.根据权利要求8所述的一种船用主动水冷电机的控制方法，其特征在于：当温度高于第一阈值后，电机运行后，电机随电流变化调节流量百分比，其根据电流调整的百分比为Pcur，使用公式表示如下：

P_cur＝K_cur*Current_abs T_now>T₁

其中P_cur为流量控制的开度百分比，K_cur为开度随速度变化的增益系数，Current_abs为电机当前电流的绝对值；

当温度大于第一阈值T1时，调整比例为Kspeed，输出百分比与电流正相关。

10.根据权利要求9所述的一种船用主动水冷电机的控制方法，其特征在于：所述水泵的输出最终百分比Ptol输出为如下公式：

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