CN102060096A - 电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置 - Google Patents

Abstract

一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，两路供电电源分别通过推进操纵台通过电缆与FOC矢量控制变频器电连接；FOC矢量控制变频器通过电缆与永磁无刷同步电动机电连接；永磁无刷同步电动机与旋转变压器和螺旋桨同轴连接；永磁无刷同步电动机与测速发电机机械连接；旋转变压器通过电缆与FOC矢量控制变频器电连接；测速发电机通过电缆与组合式推进操纵台电连接，测速发电机和蓄电池通过电缆与FOC矢量控制变频器电连接。本发明通过取消齿轮箱、制动器，采用矢量控制直接驱动永磁无刷电动机，可以优化电动船舶的控制特性和节省电能。

Description

电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置

技术领域

本发明涉及一种电动船舶的推进装置，特别是一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置。

背景技术

目前传统柴油机直接推进船舶占据统治地位，柴油机低效（30%以下）污染，存在烟尘臭味噪声工业油水，低效原因在于不能像陆地上大幅度回收烟气和冷却水所带走的能量等多种原因，从推进环节看在于动能损失较大，且不能回收动能。柴油机直接推进模式的低效原因包括轴系过长惯性过大、工作模式却是由船舶进退快慢的工作性质所决定、需要经常频繁换向和变速、且因为柴油机的能量不可逆传递而不能回收动能，因此导致好不容易经过加速积累的动能只能白白浪费、或在自然制动中消耗、或在需要快速制动时与机械制动装置的制动作用抵消，前者制动效果不佳而反应慢，后者还需要增加制动消耗。

现有蓄电池电动船舶一般采用直流电动机和传统直流控制策略，仍然存在效率不够高、没有回收制动动能、以及电刷换向器的火花安全隐患大、维护工作量大可靠性差等问题。对于柴油发电机组与电动机配套的电力推进船舶，虽然可以回收动能，但只能在高位能(类似于汽车下坡) 的情况下利用电机运行于发电状态而将动能转化为电能反馈于电网，其条件十分苛刻：要求实际转速高于电动机理想空载转速（直流电机）或同步转速（交流异步电动机）、最关键的是要求工作于发电状态的电动机发出的电压高于电网额定电压，这显然难以办到，且由于没有蓄电池的储能作用，所以需要有能量接受者，由此也增加了难度。由于船舶缺乏类似于汽车下坡的情况，以及制动过程的动能和转速都是逐渐衰减的，且电网操作控制复杂，致使电力推进电动机的动能难以回收。

在传统船舶设计中，一般为了防止水流冲击反馈到螺旋桨，所以要求设置螺旋桨制动器，即完全没有设法回收动能。此外，传统电力推进和柴油机直接推进船舶一般都采用了齿轮箱减速技术，因为电动机转速过高、螺旋桨转速较低。以上两种设置导致***复杂、传递流程较长，而必然降低传递效率、增加加速难度和动能损耗、且因为制动或者打开制动而需要增加能耗，同时因为船舶需要经常性频繁变向变速工作，而复杂的传动轴系惯性过大，所以动能损失较大。

综上所述，传统柴油机船舶和电动船舶都存在不足。在船舶电力推进总体方案上，还缺乏整体优化更加节能的电力推进方式方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，可以优化控制特性和节省电能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，两路供电电源分别通过推进操纵台通过电缆与FOC矢量控制变频器电连接；

FOC矢量控制变频器通过电缆与永磁无刷同步电动机电连接；

永磁无刷同步电动机与旋转变压器和螺旋桨同轴连接；

永磁无刷同步电动机与测速发电机机械连接；

旋转变压器通过电缆与FOC矢量控制变频器电连接；

测速发电机通过电缆与组合式推进操纵台电连接，

测速发电机和蓄电池通过电缆与FOC矢量控制变频器电连接；

所述的永磁无刷同步电动机的参数为8—12极、转速100-500转/分、频率为24-40 Hz，相数6-8。

所述的FOC矢量控制变频器利用旋转变压器提供的转子位置信号实现对于永磁无刷同步电动机的控制；

并利用测速发电机提供的转速信号和自身电流反馈信号对永磁无刷同步电动机实现转速电流双闭环控制；

采用FOC矢量控制策略实现对于永磁无刷同步电动机的无级调速控制；

所述的FOC矢量控制变频器在永磁无刷同步电动机和轴系螺旋桨减速时、控制永磁无刷同步电动机进入再生制动状态使***减速,同时利用***动能发电，并进行升压后对蓄电池充电。

所述的蓄电池为磷酸铁锂电池。

所述的旋转变压器为磁阻式无刷旋转变压器。

所述的永磁无刷同步电动机为轴向磁场永磁电动机或低惯量细长类型。

所述的推进操纵台上设有供电开关、无级调速操作装置、有档调速操作装置、推进模式转换选择装置、转速表、转速数字输入装置、操舵手轮、舵角指示器；

无级调速操作装置、有档调速操作装置、转速数字输入装置和推进选择装置与FOC矢量控制变频器电连接，转速数字输入装置为最高优先级；

转速表通过电缆与测速发电机电连接。

所述的FOC矢量控制变频器、永磁无刷同步电动机、旋转变压器和测速发电机有两组；

所述的推进操纵台上设有所述的供电开关、无级调速操作装置、有档调速操作装置、转速数字输入装置和推进选择装置各有两个，分别与一组的FOC矢量控制变频器电连接。

所述的螺旋桨采用铝合金材料、并采用短艉轴和法兰盘与电动机连接，采用轴承结构支撑，配置强力轴向限位装置，径向可自由旋转。

本发明提供的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，通过采用安全高效的磁无刷同步电动机、将交流电动机矢量控制变频调速技术、无齿轮箱技术与蓄电池集成配套，实现制动动能回收等多种高效节能和精确无级调速控制技术，以优化控制特性和节能为目标，并将控制功能齐全的操纵控制台以及变频器电动机螺旋桨机械传动装置组合成一种电动船舶的永磁无刷电动机矢量控制无齿轮箱无级调速电力推进方式。

本发明具有实质性的特点和显著的进步，具体如下：

1、采用永磁无刷同步电动机可兼顾可靠性高性能和高效率，且交流电技术成熟波形好脉动小适应性更加广泛，特别适用于大型船舶。采用多极低频低速多相形式可降低单相电缆电流、降低电动机转速，在功率不变的条件下，意味着转矩增大，能够更好地与螺旋桨特性匹配、缩短工作流程，可减少加速时间、降低频繁变向变速的动能损耗。螺旋桨一般需要100-500转/分的转速，而电动机选择数百转/分，从而可取消齿轮箱而减小惯性和机械损耗提高效率。利用回收制动动能可广开能源。由于永磁电动机无电刷和换向器，所以可靠性高且免维护，由于无励磁绕组、所以损耗小而发热问题易处理解决，具有多种优势。与传统船舶的原动机和电动机相对高速和多级减速***相比，具有流程短、***简化重量轻体积小惯性小能耗小、动能低转矩大，更加符合螺旋桨的工作特性，具有革命性和颠覆性的意义。采用特种低惯量细长类型、或者轴向磁场永磁电动机、可进一步降低惯性和加速难度及动能损耗，可比一般电动机更加适合于电力推进及螺旋桨推进特性。永磁无刷同步电动机具有免维护特性而具有较高的可靠性。与采用磁阻式无刷旋转变压器相配合，可实现***无刷化。据测算，取消齿轮箱和简化轴系可同比提高能效7-10%。

2、采用矢量控制可提高控制精度获得精确的无级调速性能和节能FOC控制，同时，采用升压技术与蓄电池配套可有效回收制动动能。

3、取消齿轮箱和制动器不仅可降低运行损耗，而且改变了传统的防止水流冲击反馈于柴油机、电动机等推进主机和轴系设计方法、而能够更加方便地实现动能回收。

4、采用可快速充放电的磷酸铁锂电池不仅可快速吸收能量，而且具有安全、高能、抗滥用的性能，因此可减少蓄电池配备数量。

5、采用磁阻式无刷旋转变压器可实现无刷化以确保安全和减少维护工作量。

6、采用铝合金材料螺旋桨、短艉轴和法兰盘连接，以及轴承结构，可降低机械环节的阻力而降低损耗。既可以提高运行效率，又有利于动能回收。

7、两路供电的电源可以是蓄电池电动船舶的直流电或者是其它类型电动船舶的交流电，因此具有多种适应性，可适用于多种电源类型的船舶。

8、操纵台具有多种功能。组合式推进操纵台具有三种转速输入方式，具有两种操纵方式：无级调速和有档调速，并通过转速数字输入装置可直接操纵电动机运转、实现船舶电力推进。具有转速显示和供电开关，可采用手动方式或者在一定短路和过载条件下的自动方式切断有故障的电路以确保供电安全连续性。考虑了操作台实际使用的情况，与操舵手轮、舵角指示器配套，具有操纵船舶推进和转向的实用性，且结构紧凑操纵方便。

9、本发明特别适用于蓄电池电动船舶和与发电机组带电动机的电力推进船舶。对于前者，因为已经具备蓄电池，所以可省去此项。对于后者，因为蓄电池的用途仅仅是回收动能，所以可配备数量较少容量较小的蓄电池组。然而可获得事半功倍的效果。据楚天都市报2006、11、2报道奇蕾VRM电动自行车采用再生制动自发电、升压、反充电技术回收动能，与传统产品相比力量增大30%，续驶里程提高50%，提高蓄电池使用寿命二、三年，由现在的1年到4年。据人民邮电出版社《电动自行车实用技术》（天津自行车生产力促进中心专家库成员编著2008）指出，对于地面坡度较大的城市或交通拥挤、需要频繁制动的大中城市，反充电——电制动的效果通常可增加电动车一次续驶里程10%-20%。

10、本发明具有集成优势和效应。立足于安全精确高性能高效率指标，从多方面追求开源节流的集成效果。采用高效低惯性低转速大转矩的电动机可缩短流程贴近螺旋桨特性、是从电动机元器件环节进行节流；采用矢量控制是从控制策略方面节流；取消齿轮箱和制动器、以及简化轻化轴系螺旋桨等是从机械传动环节节流。在开源方面，以蓄电池和电机、变频器以及升压技术配套，可实现制动动能回收。一般船舶在顺流中，都会受到水流推动而自动航行，螺旋桨也会受力，而传统设计是对螺旋桨加以制动。现在将此能量用于发电、且提升电压，并与蓄电池配套、即可顺利将能量反馈而使用，且回收效率较高。这一能量回收利用***由于采用了蓄电池，所以是完善的，具有集成效应和普遍使用前景，在一般电动船舶上都可以使用。由于充分利用了电动船能量可逆原理，因此本发明可更好地适应频繁变向变速的船舶推进工作特性和节能要求，可极大降低运行过程的损耗而提高能效。此外，本发明不仅具有基本的电力推进主***，而且具有基本的操作控制***和装置，其操纵装置集成了推进供电、推进电动机控制器——无级调速和有档调速操作装置、转速显示、舵机操纵手轮、舵角指示器等装置，具有配电、操纵、指示显示、保护的多种功能和实际使用价值。作为推进控制***一般是不考虑改变运动方向的船舶舵机***的，然而作为船舶集中控制台，两者是必然相连的，所以在本发明的操作台上，将操舵装置与主机操作装置进行了集成。本发明的总体方案特别适用于平稳性要求较高的蓄电池电动船舶，而回收动能方案特别适合于发电机组带电动机的电动船舶、或者是采用其它类型的推进电动机的电力推进方案，只需要配备少量蓄电池即可，因而造价低，但效果显著。相比之下，传统柴油机船舶不能回收动能，即不能实现能量反馈，因为能量不可逆，而一般柴油发电机组带电动机的电力推进，也难以回收利用动能，因为缺乏蓄电池和能量回馈的畅通的通道。对于柴油机船舶而言，不仅不能回收动能，而且制动效果较差，动能只能够消耗在水中和摩擦之中。如果需要快速制动，则需要采用机械刹车方式制动，即还需要增加能耗。对于蓄电池电动船舶，则可省去专门回收动能的蓄电池，而直接与船舶动力蓄电池配套。对于发电机组带电动机的电动船舶，只需要配备少量的蓄电池，且简单易行。对于这种模式，柴油机做定向恒速运转，也提高了能量转换效率，动能损耗低，驱动螺旋桨时加速时间短、能量损耗低，概括为没有空载怠速损耗和以辅机的定向定速工作模式取代推进主机的频繁变向变速的工作模式而降低加速和动能损耗。所以本发明提供了一种高效动能回收方案，可适用于所有电动船舶和柴油机船舶，对于后者只需要在螺旋桨和轴系减速时，利用电磁离合器将发电机接入艉轴***，即可以将动能回收，并利用蓄电池储存起来，在需要使用时，同理可将电机接入***，则发电机将作为电动机运行，可带动螺旋桨旋转。

11、分析电动机能量可逆、回收的条件是：

1）电动机在能量方面可逆运行，即可作为发电机运行。

2）控制策略可实现四象限运行，即运行方向可逆、且能量可逆。

3）电压高于供电电源，且能量有接受者。对于发电机带电动机的电力推进模式，即要求电压高于发电机或者电网，显然对于蓄电池而言，可轻易满足第三个条件，因为它本身就是接受者，且能够储存电能，还能够轻易使电压高于蓄电池，而没有交流电电网的频率电压幅值和相位的问题。同时对于第二个条件，因为蓄电池的存在，所以对于控制策略的要求可降低而能够轻易实现，一般而言，只有矩阵控制方式可以实现，对于其它的控制策略、则都难以实现，然而由于蓄电池的存在，不管什么控制策略都容易实现，因为可以脱离控制策略、而与蓄电池直接联系，就可以回收再生制动的发电动能。此外，对于第三个条件而言，由于电动机再生制动动能是逐渐衰减的，显然是难以达到的，而对于有蓄电池的情况，则显然容易实现。概括起来，第一个条件是自然成立的，第二、三条件对于控制策略的要求和高于电源电压都是难以达到的，然而在有蓄电池存在的条件下，都容易实现。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明中组合式推进操纵台的主视图。

图3是本发明中组合式推进操纵台的俯视图。

具体实施方式

如图1中，一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，主***包括组合式推进操纵台1、FOC矢量控制变频器2、永磁无刷同步电动机3、旋转变压器4、螺旋桨5、测速发电机6、蓄电池7，推进操纵台1和FOC矢量控制变频器2设置在驾驶室，两路供电电源分别通过推进操纵台1通过电缆与FOC矢量控制变频器2电连接；

FOC矢量控制变频器2通过电缆与永磁无刷同步电动机3电连接；

永磁无刷同步电动机3设置在推进电动机舱内，永磁无刷同步电动机3与旋转变压器4和螺旋桨5同轴连接；螺旋桨5采用铝合金材料、并采用短艉轴和法兰盘与永磁无刷同步电动机3连接，采用轴承结构支撑，配置强力轴向限位装置，径向可自由旋转。

永磁无刷同步电动机3与测速发电机6机械连接；

旋转变压器4通过电缆与FOC矢量控制变频器2电连接；

测速发电机6通过电缆与组合式推进操纵台1电连接，

测速发电机6和蓄电池7通过电缆与FOC矢量控制变频器2电连接。

所述的FOC矢量控制变频器2利用旋转变压器4提供的转子位置信号实现对于永磁无刷同步电动机3的控制；

并利用测速发电机6提供的转速信号和自身电流反馈信号对永磁无刷同步电动机3实现转速电流双闭环控制；

采用FOC矢量控制策略实现对于永磁无刷同步电动机3的无级调速控制；

所述的FOC矢量控制变频器2在永磁无刷同步电动机3和轴系螺旋桨5减速时、控制永磁无刷同步电动机3进入再生制动状态使***减速,同时利用***动能发电，并进行升压后对蓄电池7充电。从而将动能转变为电能反馈于电源而储存，实现能量可逆传递；此外，还能够将储存电能反馈于FOC矢量控制变频器2的直流母线上而供永磁无刷同步电动机3使用。

所述的蓄电池7为磷酸铁锂电池。

所述的旋转变压器4为磁阻式无刷旋转变压器。

所述的永磁无刷同步电动机3具体参数为8—12极、转速为100-500转/分、低频例如24Hz~40 Hz，多相6-8，采用轴向磁场永磁电动机或低惯量细长类型，且采用无齿轮箱无机械制动器方案、由永磁无刷同步电动机3直接带动螺旋桨5旋转，永磁无刷同步电动机3可以在一定流速中作为发电机运行，其发电可对蓄电池7充电并储存。

如图2、图3中，所述的推进操纵台1上设有供电开关8、无级调速操作装置9、有档调速操作装置10、推进模式转换选择装置11、转速表12、转速数字输入装置13、操舵手轮14、舵角指示器15；

无级调速操作装置9、有档调速操作装置10、转速数字输入装置13和推进选择装置11与FOC矢量控制变频器2电连接，转速数字输入装置13为最高优先级；

转速表12通过电缆与测速发电机6电连接。

所述的FOC矢量控制变频器2、永磁无刷同步电动机3、旋转变压器4和测速发电机6有两组；

所述的推进操纵台1上设有所述的供电开关8、无级调速操作装置9、有档调速操作装置10、转速数字输入装置13和推进选择装置11各有两个，分别与一组的FOC矢量控制变频器2电连接。

如图1所示，推进操纵台1通过电缆与FOC矢量控制变频器2和永磁无刷同步电动机3相连，永磁无刷同步电动机3与旋转变压器4、螺旋桨5和测速发电机6机械相连，旋转变压器4和测速发电机6为永磁无刷同步电动机3提供电子换向的位置信号和双闭环控制的转速信号，实现FOC矢量控制变频器2对于永磁无刷同步电动机3的矢量控制精确无级调速。利用无级调速和有档调装置可实现直接控制永磁无刷同步电动机3和船舶运行，利用操舵手轮14、舵角指示器15可进行舵机操纵。工作程序是：打开推进操纵台1的两个电源开关，接通两路电源，操纵推进模式转换选择装置11、选择一种操纵模式，利用无无级调速操作装置9或者有档调速操作装置10进行无级或者有档调速，采用转速数字输入装置13可输入优先级的数字转速，计算机不存储这种临时输入的转速数字。在减速时，本发明的装置可自动回收再生制动的动能，随着螺旋桨旋转，可自发电输入到蓄电池7中，在需要使用能量时，蓄电池7即可向FOC矢量控制变频器2直流母线上供电。利用操舵手轮14、舵角指示器15可操纵舵机，从而实现整体船舶的操纵控制。

Claims (9)

1.一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：两路供电电源分别通过推进操纵台（1）通过电缆与FOC矢量控制变频器（2）电连接；

FOC矢量控制变频器（2）通过电缆与永磁无刷同步电动机（3）电连接；

永磁无刷同步电动机（3）与旋转变压器（4）和螺旋桨（5）同轴连接；

永磁无刷同步电动机（3）与测速发电机（6）机械连接；

旋转变压器（4）通过电缆与FOC矢量控制变频器（2）电连接；

测速发电机（6）通过电缆与组合式推进操纵台（1）电连接，

测速发电机（6）和蓄电池（7）通过电缆与FOC矢量控制变频器（2）电连接；

所述的永磁无刷同步电动机（3）的参数为8—12极、转速100-500转/分、频率为24-40 Hz，相数6-8。

2.根据权利要求1所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的FOC矢量控制变频器（2）利用旋转变压器（4）提供的转子位置信号实现对于永磁无刷同步电动机（3）的控制；

并利用测速发电机（6）提供的转速信号和自身电流反馈信号对永磁无刷同步电动机（3）实现转速电流双闭环控制；

采用FOC矢量控制策略实现对于永磁无刷同步电动机（3）的无级调速控制。

3.根据权利要求1所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的FOC矢量控制变频器（2）在永磁无刷同步电动机（3）和轴系螺旋桨（5）减速时、控制永磁无刷同步电动机（3）进入再生制动状态使***减速,同时利用***动能发电，并进行升压后对蓄电池（7）充电。

4.根据权利要求1或3所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的蓄电池（7）为磷酸铁锂电池。

5.根据权利要求1或4所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的旋转变压器（4）为磁阻式无刷旋转变压器。

6.根据权利要求1所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的永磁无刷同步电动机（3）为轴向磁场永磁电动机或低惯量细长类型。

7.根据权利要求1所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的推进操纵台（1）上设有供电开关（8）、无级调速操作装置（9）、有档调速操作装置（10）、推进模式转换选择装置（11）、转速表（12）、转速数字输入装置（13）、操舵手轮（14）、舵角指示器（15）；

无级调速操作装置（9）、有档调速操作装置（10）、转速数字输入装置（13）和推进选择装置（11）与FOC矢量控制变频器（2）电连接，转速数字输入装置（13）为最高优先级；

转速表（12）通过电缆与测速发电机（6）电连接。

8.根据权利要求1所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的FOC矢量控制变频器（2）、永磁无刷同步电动机（3）、旋转变压器（4）和测速发电机（6）有两组；

所述的推进操纵台（1）上设有所述的供电开关（8）、无级调速操作装置（9）、有档调速操作装置（10）、转速数字输入装置（13）和推进选择装置（11）各有两个，分别与一组的FOC矢量控制变频器（2）电连接。

9.根据权利要求1所述的一种电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置，其特征在于：所述的螺旋桨(5)采用铝合金材料、并采用短艉轴和法兰盘与电动机（3）连接，采用轴承结构支撑，配置强力轴向限位装置，径向可自由旋转。

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