CN203372386U - 柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统 - Google Patents
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Abstract
柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统
。目前常见柴电混合动力系统是并联式系统，不能解决船舶高能耗问题。
本实用新型的组成包括
:
主
柴油发动机（
1
）
，主
柴油发动机
与永磁发电机
A
（
23
）
通过磁力耦合传动机构
A
（
8
）
同轴连接，永磁发电机
A
与齿轮箱
（
6
）
通过磁力耦合传动机构
B
（
9
）
连接，齿轮箱与永磁发电机
B
（
24
）通过磁力耦合传动机构
D
（
25
）
连接，永磁发电机
B
与
辅助柴油发动机
（
3
）
通过磁力耦合传动机构
C
（
10
）
同轴连接，辅助柴油发动机与
涡轮发电装置
B
（
4
）
连接，
涡轮发电装置
B
与
蓄电池（
7
）
连接，
蓄电池
与
涡轮发电装置
A
（
2
）
连接，
涡轮发电装置
A
与主
柴油发动机
连接。本实用新型用于船舶动力提供。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统。
背景技术：
随着国际油价的快速上涨，船舶燃油费用日益增加,船舶节能技术已成为航运业研究的热点之一。我国能源形式严峻，节能已经成为国民经济发展中的重要任务。船舶是高能耗的运输工具，研究和应用节能技术,降低船舶能耗，不仅可以为航运企业节省燃油费用,还可以减少船舶造成的环境污染,获得经济和环保双重效益。
采用柴电混合动力系统具有：动力系统运行模式多样，提高了动力系统的可靠性；降低耗油量、减少污染物排放、提高续航力、降低运营成本；同时还可降低柴油机的安装功率，进一步优化船舶总体结构设计。
当前，西方及日本等发达国家在船舶混合动力领域仍处于领先地位，柴电混合动力系统已经应用于军用船舶、渡船、豪华游船、海洋工程船舶等领域。就目前来讲，混合动力系统多应用于小型船舶。
国内在混合动力船舶领域方面起步较晚，技术水平有限。在2010 年上海世博会上亮相了中国第一艘混合动力船——“尚德国盛”号游船，该船采用太阳能和柴油机组作为混合动力，时速约15km，节省电力和减排达30%以上。2012年7月，江苏镇江船厂下水了国内第一艘大功率柴电混合动力多功能海洋工程船，标志着国内在此技术领域取得了阶段性成果。
常用混合动力推进是由电机组及主柴油机同时作用于齿轮减速箱的输入轴来实现联合动作。此时，轴带电机的工作模式为电动机，为船舶提供辅助推力。因此，在对主柴油机进行选型时要优先选用小功率型号的柴油机，以降低燃油的消耗量，节省机舱内的空间，从而提高其经济效益及使用性。
目前以柴油发动机为动力的船舶占世界商船队的95%以上，其中，柴油发动机直接驱动占55%，柴油发动机齿轮传动占39%。但目前无论是柴油发动机直接驱动螺旋桨还是柴油发动机齿轮传动驱动螺旋桨都存在油耗量大及污染排放多等不足，从而加大了船舶的运营成本。
目前，常见的柴电混合动力系统一般是并联式系统，即柴油发动机和发电机-电动机组分别提供驱动功率，再通过变速箱并联后驱动螺旋桨。其特点是低工况下可采用小功率发电机组发电带动轴带电机、齿轮箱以驱动螺旋桨。较高工况下可采用较大功率柴油发动机驱动齿轮箱、螺旋桨。但其存在如下缺点：
（1）此种混合动力仅是将小功率柴油发动机的功率转化为电机功率以驱动齿轮箱、螺旋桨。虽使得传动部件简单，但其功率转化过程中有部分功率损失。
（2）此种混合动力的电动机由于没有采用变频器，电机转速与较大功率柴油发动机转速不一致，不能实现功率点的最佳匹配并车。
（3）此种混合动力运行时，必须投入一台柴油发动机做为动力输出，不能满足某些港口要求的“零排放”。
（4）此种混合动力未能将柴油发动机的烟气余热有效利用，能耗和废气排放较高。
因此，发展新形式的柴电混合动力系统，更为科学有效的将主机-电机等功能设备集成起来，克服柴电混合动力系统的功能缺陷，并提高效率降低功耗，是未来船舶混合动力系统需要解决的问题。
实用新型内容：
本实用新型的目的是提供一种柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，其组成包括: 主柴油发动机，所述的主柴油发动机与永磁发电机A通过磁力耦合传动机构A同轴连接，所述的永磁发电机A与齿轮箱通过磁力耦合传动机构B连接，所述的齿轮箱与永磁发电机B通过磁力耦合传动机构D连接，所述的永磁发电机B与辅助柴油发动机通过磁力耦合传动机构C同轴连接，所述的辅助柴油发动机与涡轮发电装置B连接，所述的涡轮发电装置B与蓄电池连接，所述的蓄电池与涡轮发电装置A连接，所述的涡轮发电装置A与所述的主柴油发动机连接。
所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的齿轮箱与同步自动离合器连接，所述的同步自动离合器与电动机连接，所述的电动机与螺旋桨连接，所述的电动机分别与所述的永磁发电机A、所述的永磁发电机B、所述的蓄电池连接，所述的蓄电池分别与所述的永磁发电机A、所述的永磁发电机B连接。
所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的齿轮箱包括齿轮轮系A、齿轮轮系B、齿轮轮系C，所述的齿轮轮系A与所述的齿轮轮系B连接，所述的齿轮轮系B与所述的齿轮轮系C连接，所述的齿轮轮系A与所述的磁力耦合传动机构B连接，所述的齿轮轮系B与所述的同步自动离合器连接，所述的齿轮轮系C与所述的磁力耦合传动机构D连接。
所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的涡轮发电装置包括涡轮增压器、压气机、高速永磁电机，所述的涡轮增压器与所述的高速永磁电机连接，所述的高速永磁电机与所述的压气机连接，所述的高速永磁电机与所述的蓄电池连接，所述的主柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置A的压气机、涡轮增压器连接，所述的辅助柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置B的压气机、涡轮增压器连接。
所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的磁力耦合传动机构包括导体转子、永磁体转子，所述的导体转子与驱动轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的磁力耦合传动机构通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现驱动的智能调节。
有益效果：
1.本实用新型通过磁力耦合的非机械传动形式，消除了复杂工况对发动机工作状态的影响，使得发动机能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运行，从而达到节能减排的目的。
2.本实用新型以磁力耦合传动机构为关键部件，在功能性能上突破了传统传动结构的限制，通过发挥其非接触传动和扭矩转速智能调节的强大功能，有效克服了传统传动形式下结构复杂、能耗高、振动大、可靠性低等问题，结构简单可靠、控制便捷精准，显著提升了混合动力系统的传动性能，有效降低了传动过程的功耗损失。
3.本实用新型基于高速涡轮增压发电装置，实现了柴油发动机废气能量的回收和利用，进一步降低了柴油发动机排放，并有效降低了油耗。
4.本实用新型的永磁电机配备有磁能密度极高的永久磁铁作为电极，具有功率密度和转矩密度高、效率高、功率因数高、可靠性高和便于维护的优点，采用矢量控制的驱动控制系统可使永磁电机具有宽广的调速范围，将使得电机综合效率将达到甚至超过传统技术的水平。
5.本实用新型工作时：
（1）柴油发动机-发电机-电动机驱动模式：此时，可选择主柴油发动机和辅助柴油发动机同时工作或其中之一工作，磁力耦合传动机构A、磁力耦合传动机构B、磁力耦合传动机构C、磁力耦合传动机构D接通，同步自动离合器断开；当柴油发动机工作时，通过发电机-电动机驱动螺旋桨；同时，工作柴油发动机的涡轮增压器启动，进行能量的回收利用，向蓄电池充电，此种工作模式适用于静音巡航工作状态；
（2）柴油发动机-齿轮箱直接驱动模式：此时，可选择主柴油发动机和辅助柴油发动机同时工作或其中之一工作，磁力耦合传动机构A、磁力耦合传动机构B、磁力耦合传动机构C、磁力耦合传动机构D和同步自动离合器均接通；当柴油发动机工作时，通过齿轮箱直接驱动螺旋桨；同时，工作柴油发动机的涡轮增压器启动，进行能量的回收利用，向蓄电池充电，此种工作模式适用于一般巡航工作状态；
（3）蓄电池+电动机驱动模式：蓄电池-电机驱动模式：此时，主柴油发动机和辅助柴油发动机均不工作，磁力耦合传动机构A、磁力耦合传动机构B、磁力耦合传动机构C、磁力耦合传动机构D和同步自动离合器断开；由蓄电池向电动机供电，电动机驱动螺旋桨；此种工作模式适用于进出港口和沿岸低速航行工作状态。
所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统工作方法，通过将高速永磁电机与涡轮增压器的紧凑式结构集成，使得涡轮增压器在满足传统的吸收发动机废气进行增压的基础功能上，又可实现将废气中可供回收利用的废气热能，通过涡轮带动高速永磁电机发电，向蓄电池充电，实现能量的回收利用；高速永磁电机兼具发电-电动功能，当柴油发动机启动时，涡轮增压器可通过蓄电池电能驱动工作，完成增压功能；涡轮增压器启动之后，高速永磁电机可作为发电机工作，向蓄电池蓄能。
附图说明：
附图1是本实用新型的结构示意图。图中，1为主柴油发动机，2为涡轮发电装置A，3为辅助柴油发动机，4为涡轮发电装置B，5为电动机，6为齿轮箱，7为蓄电池，8为磁力耦合传动机构A, 9为磁力耦合传动机构B，10为磁力耦合传动机构C，11为齿轮轮系A，12为齿轮轮系B，13为齿轮轮系C，21为螺旋桨，22为同步自动离合器，23为永磁发电机A，24为永磁发电机B，25为磁力耦合传动机构D。
附图2是本实用新型的涡轮增压器能量回收利用的结构原理图。图中，18为涡轮增压器，19为高速永磁电机，20为压气机。
附图3是本实用新型的磁力耦合传动机构的原理图。图中，14为驱动轴，15为导体转子，16为永磁体转子，17为负载轴。
具体实施方式：
实施例1：
一种柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，其组成包括: 主柴油发动机，所述的主柴油发动机与永磁发电机A通过磁力耦合传动机构A同轴连接，所述的永磁发电机A与齿轮箱通过磁力耦合传动机构B连接，所述的齿轮箱与永磁发电机B通过磁力耦合传动机构D连接，所述的永磁发电机B与辅助柴油发动机通过磁力耦合传动机构C同轴连接，所述的辅助柴油发动机与涡轮发电装置B连接，所述的涡轮发电装置B与蓄电池连接，所述的蓄电池与涡轮发电装置A连接，所述的涡轮发电装置A与所述的主柴油发动机连接。
实施例2：
根据实施例1所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的齿轮箱与同步自动离合器连接，所述的同步自动离合器与电动机连接，所述的电动机与螺旋桨连接，所述的电动机分别与所述的永磁发电机A、所述的永磁发电机B、所述的蓄电池连接，所述的蓄电池分别与所述的永磁发电机A、所述的永磁发电机B连接。
实施例3：
根据实施例1或2所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的齿轮箱包括齿轮轮系A、齿轮轮系B、齿轮轮系C，所述的齿轮轮系A与所述的齿轮轮系B连接，所述的齿轮轮系B与所述的齿轮轮系C连接，所述的齿轮轮系A与所述的磁力耦合传动机构B连接，所述的齿轮轮系B与所述的同步自动离合器连接，所述的齿轮轮系C与所述的磁力耦合传动机构D连接。
实施例4：
根据实施例1或2所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的涡轮发电装置包括涡轮增压器、压气机、高速永磁电机，所述的涡轮增压器与所述的高速永磁电机连接，所述的高速永磁电机与所述的压气机连接，所述的高速永磁电机与所述的蓄电池连接，所述的主柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置A的压气机、涡轮增压器连接，所述的辅助柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置B的压气机、涡轮增压器连接。
实施例5：
根据实施例1或2所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，所述的磁力耦合传动机构包括导体转子、永磁体转子，所述的导体转子与驱动轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的磁力耦合传动机构通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现驱动的智能调节。
Claims (5)
1.一种柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，其组成包括: 主柴油发动机，其特征是: 所述的主柴油发动机与永磁发电机A通过磁力耦合传动机构A同轴连接，所述的永磁发电机A与齿轮箱通过磁力耦合传动机构B连接，所述的齿轮箱与永磁发电机B通过磁力耦合传动机构D连接，所述的永磁发电机B与辅助柴油发动机通过磁力耦合传动机构C同轴连接，所述的辅助柴油发动机与涡轮发电装置B连接，所述的涡轮发电装置B与蓄电池连接，所述的蓄电池与涡轮发电装置A连接，所述的涡轮发电装置A与所述的主柴油发动机连接。
2.根据权利要求1 所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，其特征是：所述的齿轮箱与同步自动离合器连接，所述的同步自动离合器与电动机连接，所述的电动机与螺旋桨连接，所述的电动机分别与所述的永磁发电机A、所述的永磁发电机B、所述的蓄电池连接，所述的蓄电池分别与所述的永磁发电机A、所述的永磁发电机B连接。
3.根据权利要求2所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，其特征是：所述的齿轮箱包括齿轮轮系A、齿轮轮系B、齿轮轮系C，所述的齿轮轮系A与所述的齿轮轮系B连接，所述的齿轮轮系B与所述的齿轮轮系C连接，所述的齿轮轮系A与所述的磁力耦合传动机构B连接，所述的齿轮轮系B与所述的同步自动离合器连接，所述的齿轮轮系C与所述的磁力耦合传动机构D连接。
4.根据权利要求1或2所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，其特征是：所述的涡轮发电装置包括涡轮增压器、压气机、高速永磁电机，所述的涡轮增压器与所述的高速永磁电机连接，所述的高速永磁电机与所述的压气机连接，所述的高速永磁电机与所述的蓄电池连接，所述的主柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置A的压气机、涡轮增压器连接，所述的辅助柴油发动机分别与所述的涡轮发电装置B的压气机、涡轮增压器连接。
5.根据权利要求1所述的柴油机发电机电动机集成的船舶混合动力系统，其特征是：所述的磁力耦合传动机构包括导体转子、永磁体转子，所述的导体转子与驱动轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的磁力耦合传动机构通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现驱动的智能调节。
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| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20200320 Address after: Room e604, No.99, Keji 1st Street, building 18, innovation and entrepreneurship square, science and technology innovation city, Harbin hi tech Zone, Harbin, Heilongjiang Province Co-patentee after: Anshan Qinyuan Energy-Saving Equipment Manufacturing Co.,Ltd. Patentee after: Harbin Coupled Power Engineering Technology Centre Co.,Ltd. Co-patentee after: The 703nd Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation Address before: 150028 E, No. 99 st one, science and technology, Harbin, Heilongjiang, Songbei Co-patentee before: LIAONING ZHONGCHUAN TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee before: HARBIN COUPLED POWER ENGINEERING TECHNOLOGY CENTRE Co.,Ltd. Co-patentee before: The 703nd Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140101 |
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| CX01 | Expiry of patent term |