CN116691981B - 一种双体船的分布式动力系统及双体船 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双体船的分布式动力系统及双体船，属于工业控制技术领域，分布式动力系统包括：四个推进装置，其中两个推进装置分别位于船舶的两个前侧，另外两个推进装置分别位于船舶的两个后侧，推进装置包括依次连接的电池、推进器控制器和吊舱式推进器，四个推进器控制器分别与整船控制器相连；处于左转模式时，位于船舶前方的两个吊舱式推进器向左转动，位于船舶后方的两个吊舱式推进器向右转动；处于右转模式时，位于船舶前方的两个吊舱式推进器向右转动，位于船舶后方的两个吊舱式推进器向右转动。本发明的技术方案克服现有技术中船舶转弯时半径较大、船舶航行灵活性较低的问题。

Description

一种双体船的分布式动力系统及双体船

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，具体涉及一种双体船的分布式动力系统及双体船。

背景技术

当前，海事组织对船舶的排放标准越来越严格，石油资源也不断匮乏，电动化的船舶推进系统正在蓬勃发展，并逐渐取代以内燃机为动力的推进系统，成为船舶动力系统的主要发展方向。

同时，传统的船舶一般将动力系统安装在船体尾部，船舶在转弯时通过调正尾部动力装置的方向来调整船舶的航向，这样的动力系统布置方式导致了船舶转弯半径大，船舶航行灵活性低，航行效率低的问题。此外，在船舶靠岸时也存在着一定的不便。

随着船舶动力技术的不断发展，为了使得船舶更加环保，船舶逐渐开始使用电动动力系统，同时推进技术的不断发展，让推进器也有了更多的选择。

现有技术中的分布式船舶驱动系统如中国发明专利：CN114013618A，公开了一种分布式驱动的水面船舶推进系统及其工作方法，采用喷水推进装置，在船体两侧安放大量喷水推进装置提供动力，由于喷水推进装置过多，重量较大，且喷水推进装置不可转动，于是在船头船尾安置两个横向推进装置，这样不仅增加了船舶航行的阻力，船舶灵活性也有待进一步提高。

中国发明专利：CN111547217A，公开了一种纯电动推进船舶，采用无轴轮缘推进器，通过无轴轮缘推进器数量的叠加来满足不同的动力需求，因无轴轮缘推进器比功率较小，若要提供足够的功率，则要采用大功率电机，无轴轮缘推进器的尺寸也会增大。若叠加的无轴轮缘推进器数量过大，则重量过大，且结构复杂；若叠加的无轴轮缘推进器数量少，则会导致船舶动力性不足。

因此，现需要一种能够减小船舶的转弯半径、提高船舶灵活性和航行效率的一种双体船的分布式动力系统及双体船。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种双体船的分布式动力系统及双体船以解决现有技术中船舶转弯时半径较大、船舶航行灵活性较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种双体船的分布式动力系统，其特征在于，包括：四个推进装置，其中两个推进装置分别位于船舶的两个前侧，另外两个推进装置分别位于船舶的两个后侧，推进装置包括依次连接的电池、推进器控制器和吊舱式推进器，四个推进器控制器分别与整船控制器相连；整船控制器用于计算吊舱式推进器的转速、转矩和转动角度；分布式动力系统具有左转模式，处于左转模式时，整船控制器控制位于船舶前方的两个吊舱式推进器向左转动a°，并控制位于船舶后方的两个吊舱式推进器向右转动a°；分布式动力系统具有右转模式，处于右转模式时，整船控制器控制位于船舶前方的两个吊舱式推进器向右转动a°，并控制位于船舶后方的两个吊舱式推进器向左转动a°。

双体船还具有转向控制系统，转向控制系统由PID控制，具体为： ；

其中，e(t)=r(t)-y(t)，r(t)为吊舱式推进器实际转向角度，y(t)为驾驶员期望转 向角度，为比例增益；为积分增益； 为微分增益。

进一步地，当船速大于10节时，分布式动力系统若处于左转模式或右转模式时，吊舱式推进器的转动角度限制在-45°到45°之间，其中右转为正，左转为负；吊舱式推进器转动角速度限制在-6°/s到6°/s之间。

进一步地，当船速小于10节时，分布式动力系统若处于左转模式或右转模式时，吊舱式推进器的转动角度和转动角速度将不被限制，整船控制器将根据驾驶员转动方向盘的角度和角速度，计算出吊舱式推进器转动的角度和角速度，并将控制信号发送到推进器控制器。

进一步地，分布式动力系统具有前进模式，处于前进模式时，整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为0°；分布式动力系统具有停靠模式，处于停靠模式时，整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为90°或-90°；分布式动力系统具有后退模式，处于后退模式时，整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为180°。

进一步地，当船舶处于停靠模式及后退模式时，航行速度被限制在5节以下。

进一步地，四个推进器控制器分别通过CAN线与整船控制器相连1。

本发明还提供一种双体船，包括：两个相互平行设置的船体和连接两个船体的连接部，四个吊舱式推进器分别位于两个船体的前后两侧。

进一步地，吊舱式推进器包括：回转机构、支架、吊舱和螺旋桨，回转机构可转动地设置在船体上，吊舱通过支架与回转机构固定连接。

进一步地，吊舱内具有：转子、定子、螺旋桨中心轴、支撑轴承和推力轴承，螺旋桨中心轴沿吊舱长度方向设置，转子位于螺旋桨中心轴外侧，并与螺旋桨中心轴固定，转子外侧设置定子，定子与吊舱内壁固定，推力轴承设置在吊舱的一端，并且推力轴承的内圈与螺旋桨中心轴固定，推力轴承的外圈与吊舱内壁固定，支撑轴承设置在吊舱的另一端，并且其内圈与螺旋桨中心轴固定，支撑轴承的外圈与吊舱内壁固定。

本发明具有如下有益效果：

1.采用纯电动动力系统，减少了船舶的排放，进而更加环保。

2.采用吊舱式推进器用于船舶推进，减小了动力系统在舱内的布置空间，提高了舱内空间。同时，吊舱式推进器，可进行360°旋转，帮助船舶转弯、停泊及倒船，提高船舶的灵活性，提高航行效率。

3.采用分布式动力系统，通过前、后吊舱式推进器转动不同的角度，达到更好的转弯效果，可以极大地减小船舶的转弯半径，提高船舶的灵活性，提高航行效率。

4.通过分布式动力系统及吊舱式推进器的使用，在船舶停泊时，可以通过吊舱式推进器的转动，使船舶横向行驶，使船舶的停泊靠岸更加方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。在附图中：

图1示出了本发明的一种双体船的分布式动力系统的结构示意图。

图2示出了一种双体船的吊舱式推进器的结构示意图。

图3示出了本发明的双体船处于左转模式时的吊舱式推进器的转动方向示意图。

图4示出了本发明的双体船处于右转模式时的吊舱式推进器的转动方向示意图。

图5示出了本发明的双体船处于停靠模式时的吊舱式推进器的转动方向示意图。

图6示出了本发明的一种双体船的分布式动力系统的PID控制原理示意图。

图7示出了本发明的双体船的吊舱内结构示意图。

其中，上述附图中的附图标记为：1、船体；2、连接部；10、电池；20、推进器控制器；30、吊舱式推进器；31、回转机构；32、支架；33、吊舱；331、螺旋桨中心轴；332、定子；333、转子；334、支撑轴承；335、推力轴承；34、螺旋桨；40、整船控制器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的一种双体船的分布式动力系统，包括：四个推进装置，其中两个推进装置分别位于船舶的两个前侧，另外两个推进装置分别位于船舶的两个后侧，推进装置包括依次连接的电池10、推进器控制器20和吊舱式推进器30，四个推进器控制器20分别与整船控制器40相连；整船控制器40用于计算吊舱式推进器30的转速、转矩和转动角度；如图3所示，分布式动力系统具有左转模式，处于左转模式时，整船控制器40控制位于船舶前方的两个吊舱式推进器30向左转动a°（用- a°表示），并控制位于船舶后方的两个吊舱式推进器30向右转动a°；如图4所示，分布式动力系统具有右转模式，处于右转模式时，整船控制器40控制位于船舶前方的两个吊舱式推进器30向右转动a°，并控制位于船舶后方的两个吊舱式推进器30向左转动a°。位于前后两侧的吊舱式推进器控制转动角度相同，但转动方向不同，通过该方法可以大大减小船舶的转弯半径，提高船舶的行驶灵活性。

双体船还具有转向控制系统，转向控制系统由PID控制，具体为： ；

其中，e(t)=r(t)-y(t)，r(t)为吊舱式推进器实际转向角度，y(t)为驾驶员期望转 向角度，为比例增益，它的作用是加快转向控制系统的响应速度，提高转向 控制系统的调节精度；为积分增益，它的作用是消除转向控制系统的稳 态误差；为微分增益，它的作用是改善转向控制系统的动态性能，预测误 差并修正误差。

如图6所示，船舶转向时，PID控制根据驾驶员方向盘的转角和吊舱式推进器实际转角的偏差，将其按照比例、积分和微分通过线性组合构成对吊舱式推进器的控制量，对吊舱式推进器进行控制，从而达到更好的转向效果。

船舶转向采用PID控制，其算法简单，鲁棒性好且更加可靠，适用于本发明船舶的转向控制，使得船舶转向更加灵活和稳定。

其中双体船前侧两个吊舱式推进器的转向角度过该转向控制系统进行直接计算及控制，后侧两个吊舱式推进器的转向角度则直接取前侧吊舱式推进器的相反数，即-u(t)，这样可以减小控制系统的复杂度，减小整车推进器控制器的运算压力。

本发明提出的船舶的分布式动力系统及船舶，动力系统采用吊舱式推进器30，分别安放于船舶两船体1的前后两个位置，共四套推进装置，四套推进装置均由单独的电池10提供动力，并且由单独的推进器控制器20控制。吊舱式推进器30可以进行360°旋转，整船控制器40可根据驾驶员给出的信号，计算出吊舱式推进器30相应的转速、转矩和转动角度，将控制信号输入到四个推进器控制器20中，实现对每个吊舱式推进器30的控制，从而对船舶船头和船尾同时施加不同大小和方向的推进力，以此对船舶的航行姿态进行调整，减小船舶的转弯半径，提高船舶航行的灵活性。其中电池10、推进器控制器20和吊舱式推进器30之间由电力连接，用来为吊舱式推进器30提供电能。各个推进器控制器20和整船控制器40之间为CAN线（即双绞线）连接，用于控制各个吊舱式推进器30的状态。

具体地，当船速大于10节时，分布式动力系统若处于左转模式或右转模式时，吊舱式推进器的转动角度限制在-45°到45°之间，其中右转为正，左转为负；吊舱式推进器转动角速度限制在-6°/s到6°/s之间。

当船舶向左转向时，推进器控制器20将分别对位于船舶前后两侧的吊舱式推进器30进行转向控制，位于船舶后侧的两个吊舱式推进器30将向右转动，位于船舶前侧的两个吊舱式推进器30则向左转动同样的角度，船舶向右转向时则相反，通过该方法可以减小传播的转弯半径，提高船舶的行驶灵活性。同时，考虑到船舶航行的安全性，当船速达到10节以上时，吊舱式推进器30的转动角度将被限制在-45°到45°之间，船舶向右转动为正，向左转动为负，吊舱式推进器30转动角速度被限制在-6°/s到6°/s之间，以此来保证船舶航行的稳定性和安全性。

具体地，当船速小于10节时，分布式动力系统若处于左转模式或右转模式时，吊舱式推进器的转动角度和转动角速度将不被限制，整船控制器将根据驾驶员转动方向盘的角度和角速度，计算出吊舱式推进器转动的角度和角速度，并将控制信号发送到推进器控制器。实现对吊舱式推进器转动角度和转动角速度的控制。

具体地，分布式动力系统具有前进模式，处于前进模式时，整船控制器40控制四个吊舱式推进器30的转动角度为0°，其中前进模式包括转弯；推进器控制器20接收来自整船控制器40的控制信号后，将不会转动吊舱式推进器30的方向，只调整吊舱式推进器30的转速或转矩，达到需求的航行速度。

分布式动力系统具有前进模式，处于前进模式时，整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为0°；分布式动力系统具有停靠模式，处于停靠模式时，整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为90°或-90°；分布式动力系统具有后退模式，处于后退模式时，整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为180°。

推进器控制器20接收来自整船控制器40的信号，将吊舱式推进器30转动至垂直于船舶纵轴的方向，使得吊舱式推进器30推动船舶横向行驶，使得船舶停泊靠岸更加方便。

具体地，如图5所示，当船舶处于停靠模式及后退模式时，航行速度被限制在5节以下。考虑到船舶的安全性，船舶航行速度将被限制在5节以下。

具体地，四个推进器控制器分别通过CAN线与整船控制器相连，进行控制信号的传输及状态信息的反馈。

如图2的一种双体船，包括：两个相互平行设置的船体1和连接两个船体1的连接部2，四个吊舱式推进器30分别位于两个船体1的前后两侧。

具体地，吊舱式推进器30包括：回转机构31、支架32、吊舱33和螺旋桨34，回转机构31可转动地设置在船体1上，吊舱33通过支架32与回转机构31固定连接。

具体地，如图7所示，吊舱33内具有：转子333、定子332、螺旋桨中心轴331、支撑轴承334和推力轴承335，螺旋桨中心轴331沿吊舱33长度方向设置，转子333位于螺旋桨中心轴331外侧，并与螺旋桨中心轴331固定，转子333外侧设置定子332，定子332与吊舱33内壁固定，推力轴承335设置在吊舱33的一端，并且推力轴承335的内圈与螺旋桨中心轴331固定，推力轴承335的外圈与吊舱33内壁固定，支撑轴承334设置在吊舱33的另一端，并且其内圈与螺旋桨中心轴331固定，支撑轴承334的外圈与吊舱33内壁固定。

驱动电机，由定子和转子构成，为永磁同步电机，集成于吊舱内，定子由扁铜漆包线绕制而成的三相绕组；转子为镶入硅钢片的钕铁硼永磁体，在定子内侧，通过与螺旋桨中心轴固定，驱动螺旋桨34旋转，为双体船提供推力。

在吊舱33内部前后两侧分别设置有一推力轴承335和一支撑轴承334，外用于支撑螺旋桨中心轴331的旋转，减少螺旋桨中心轴331旋转的摩擦力，减小能量损失。

整船控制器接收来自驾驶员的油门、刹车及转向指令，通过控制算法计算出各个推进器控制器相应的转速、转矩和转动角度，并输出相应的控制信号。推进器控制器接收来自整船控制器的控制信号，对各个吊舱式推进器的转速、转矩和转动角度进行控制和调整；吊舱式推进器接收来自推进器控制器的控制信号，通过回转机构31内的回转电机转动和齿轮机构调整转动角度，并通过螺旋桨的转动为船舶提供推力。电池与推进器控制器相连，通过推进器控制器调整吊舱式推进器所需的电压，并输出给吊舱式推进器，为吊舱式推进器提供电能。

整船配备四套推进装置，分别布置于船舶的前后两侧，推进器控制器20、电池10和整船控制器40安装在船体内部的船舱内，吊舱式推进器30则安置在船体外部的下侧，大大减少了动力系统在船舱内的安置空间，提高了船舱内的使用空间。

每套推进装置由单独的电池提供动力，由单独的推进器控制器对吊舱式推进器的转速和转动方向进行控制。这样的动力系统结构使得在某个推进装置因故障或其他原因失去动力时，其他推进装置不会受到影响，仍然可以继续为船舶提供动力，防止船舶在航行时失去动力，发生危险。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双体船的分布式动力系统，其特征在于，包括：四个推进装置，其中两个所述推进装置分别位于船舶的两个前侧，另外两个所述推进装置分别位于船舶的两个后侧，所述推进装置包括依次连接的电池、推进器控制器和吊舱式推进器，四个所述推进器控制器分别与整船控制器相连；

所述整船控制器用于计算吊舱式推进器的转速、转矩和转动角度；

所述分布式动力系统具有左转模式，处于所述左转模式时，所述整船控制器控制位于船舶前方的两个吊舱式推进器向左转动a°，并控制位于船舶后方的两个吊舱式推进器向右转动a°；

所述分布式动力系统具有右转模式，处于所述右转模式时，所述整船控制器控制位于船舶前方的两个吊舱式推进器向右转动a°，并控制位于船舶后方的两个吊舱式推进器向左转动a°；

所述双体船还具有转向控制系统，所述转向控制系统由PID控制，具体为：；

其中，为转向控制系统最终输出的转向控制指令，e(t)=r(t)-y(t)，r(t)为吊舱式推进器实际转向角度，y(t)为驾驶员期望转向角度，/>为比例增益；为积分增益；/>为微分增益；

当船速大于10节时，所述分布式动力系统若处于所述左转模式或所述右转模式时，所述吊舱式推进器的转动角度限制在-45°到45°之间，其中右转为正，左转为负；吊舱式推进器转动角速度限制在-6°/s到6°/s之间；

当船速小于10节时，所述分布式动力系统若处于所述左转模式或所述右转模式时，所述吊舱式推进器的转动角度和转动角速度将不被限制，所述整船控制器将根据驾驶员转动方向盘的角度和角速度，计算出所述吊舱式推进器转动的角度和角速度，并将控制信号发送到所述推进器控制器；所述分布式动力系统具有前进模式，处于所述前进模式时，所述整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为0°；

所述分布式动力系统具有停靠模式，处于所述停靠模式时，所述整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为90°或-90°；

所述分布式动力系统具有后退模式，处于后退模式时，整船控制器控制四个吊舱式推进器的转动角度为180°。

2.根据权利要求1所述的一种双体船的分布式动力系统，其特征在于，当船舶处于所述停靠模式及后退模式时，航行速度被限制在5节以下。

3.根据权利要求1所述的一种双体船的分布式动力系统，其特征在于，四个所述推进器控制器分别通过CAN线与整船控制器相连。

4.一种双体船，具有权利要求1-3中任意一项所述的分布式动力系统，其特征在于，包括：两个相互平行设置的船体和连接两个船体的连接部，四个所述吊舱式推进器分别位于两个所述船体的前后两侧。

5.根据权利要求4所述的一种双体船，其特征在于，所述吊舱式推进器包括：回转机构、支架、吊舱和螺旋桨，所述回转机构可转动地设置在所述船体上，所述吊舱通过所述支架与所述回转机构固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种双体船，其特征在于，所述吊舱内具有：转子、定子、螺旋桨中心轴、支撑轴承和推力轴承，所述螺旋桨中心轴沿吊舱长度方向设置，所述转子位于所述螺旋桨中心轴外侧，并与所述螺旋桨中心轴固定，所述转子外侧设置所述定子，所述定子与所述吊舱内壁固定，所述推力轴承设置在所述吊舱的一端，并且所述推力轴承的内圈与所述螺旋桨中心轴固定，所述推力轴承的外圈与所述吊舱内壁固定，所述支撑轴承设置在所述吊舱的另一端，并且其内圈与所述螺旋桨中心轴固定，所述支撑轴承的外圈与所述吊舱内壁固定。