CN114248898A - 一种双余度推进装置和水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双余度推进装置和水下航行器。双余度推进装置包括：双余度功率单元，包括第一功率组和第二功率组；输出单元，包括第一开关组件和第二开关组件；推进电机，设有第一绕组和第二绕组，第一绕组通过第一开关组件和第一功率组连接，第二绕组通过第二开关组件与第二功率组连接；推进电机还包括位置传感器；控制单元，与位置传感器、双余度功率单元分别连接，控制单元用于根据位置传感器的信号，控制双余度推进装置的运行。本发明提供的双余度推进装置和水下航行器，能够解决长航时无人潜航器推进电机高低速高效运行的问题，有效提升水下航行器推进电机及控制器运行效率，提高水下航行器动力***整体可靠性。

Description

一种双余度推进装置和水下航行器

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及一种双余度推进装置和一种水下航行器。

背景技术

长航时无人潜航器水下工作时间长，可靠性要求高，需要各***组件稳定可靠工作。推进电机及控制器作为动力***的核心组成单元，其作用是为航行器提供动力来源，输出需求转速及扭矩至推进器，是航行器可靠工作的关键机构。此外，推进电机及控制器的效率直接关系到航行器所携带能源的多少，尤其对长航时无人航行器而言，在能源有限的情况下，较高的推进电机及控制器的效率，意味着更远的航程，更多的任务规划。因此，提高推进电机及控制器的可靠性及效率，具有十分重要的应用价值。

永磁推进电机常见的失效模式包括退磁、过热导致绝缘降低等，在保证良好散热的条件下，电机本体故障的几率极低，相对而言，控制器故障的概率更大。因此，提高推进电机及控制器的可靠性主要是从控制器侧进行考虑。

对同时具备低速巡航和高速奔袭击能力的长航时无人潜航器而言，推进电机功率范围跨度大，采用传统的“单绕组+单控制器”的方案存在如下缺点：

(1)工作效率很难在全功率范围内都保持较高水平，这一缺陷无疑将导致航行器航程缩短；

(2)单控制器若出现器件损坏等问题时，航行器将失去动力。

发明内容

本发明提供了一种双余度推进装置和水下航行器，以解决水下航行器工作效率难以在全功率范围保持高水平、以及水下航行器可能失去动力的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

第一方面，一种双余度推进装置，包括：电池组；双余度功率单元，与电池组连接，双余度功率单元包括第一功率组和第二功率组；输出单元，与双余度功率单元连接，输出单元包括第一开关组件和第二开关组件；推进电机，推进电机包括电机本体，电机本体上设有第一绕组和第二绕组，第一绕组通过第一开关组件和第一功率组连接，第二绕组通过第二开关组件与第二功率组连接，且第一绕组的功率大于第二绕组的功率；推进电机还包括位置传感器，位置传感器与电机本体连接；控制单元，与位置传感器、双余度功率单元分别连接，控制单元用于根据位置传感器的信号，控制双余度推进装置的运行。

第二方面，一种水下航行器，包括：如上述第一方面中任一项实施例的双余度推进装置。

相对于现有技术，本发明实施例提供的双余度推进装置和水下航行器，具有以下显著的优越效果：

克服了采用传统的“单绕组+单控制器”方案的弊端，能够解决长航时无人潜航器推进电机高低速高效运行的问题，有效提升水下航行器推进电机及控制器运行效率，提高水下航行器动力***整体可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的一个实施例的双余度推进装置的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种双余度推进装置，包括：电池组；双余度功率单元，与电池组连接，双余度功率单元包括第一功率组和第二功率组；输出单元，与双余度功率单元连接，输出单元包括第一开关组件和第二开关组件；推进电机，推进电机包括电机本体，电机本体上设有第一绕组和第二绕组，第一绕组通过第一开关组件和第一功率组连接，第二绕组通过第二开关组件与第二功率组连接，且第一绕组的功率大于第二绕组的功率；推进电机还包括位置传感器，位置传感器与电机本体连接；控制单元，与位置传感器、双余度功率单元分别连接，控制单元用于根据位置传感器的信号，控制双余度推进装置的运行。

根据本发明的实施例提供的双余度推进装置，通过设置双余度功率单元和双绕组，且第一绕组的功率大于第二绕组的功率，即第一绕组和第二绕组的功率不同。在推进装置需要进行高功率输出时，可以采用第一绕组输出功率，或者第一绕组和第二绕组同时输出功率的方式，确保双余度推进装置能在高功率运行下实现最大效率。在推进装置需要进行低功率输出时，则可以仅采用输出功率较低的第二绕组工作，从而确保双余度推进装置在低功率运行时，仍然实现最大效率，从而既能够节省能源，降低能耗，又可以延长双余度推进装置的使用寿命和推进航程，实现更多的任务规划。另外，采用高低不同的两个绕组分别运行或者同时运行，以适应不同的工作场景，这样还有利于减小推进电机的故障率，提升双余度推进装置工作的可靠性。另外，两个绕组、两个功率组的设置，还有利于避免一个功率组或一个绕组损坏时，双余度推进装置还能通过另一个功率组和绕组继续实现推进和水下航行器的航行。

在上述实施例中，第一功率组包括：第一接触器，第一接触器的一端与电池组的正极连接；第一电容，第一电容的一端与第一接触器的另一端连接，第一电容的另一端与电池组的负极连接；多个第一功率器件，每两个第一功率器件相互串联为一组，每组第一功率器件的两端分别与第一电容并联连接。

在该实施例中，每组第一功率器件的两端分别与第一电容并联连接，也就是每组第一功率器件的一端与第一接触器另一端连接，每组第一功率器件的另一端与电池组的负极连接。同时，第一接触器连接在电池的正极上，这样，通过第一接触器的启闭，可以实现第一功率组和电池组的连接或断开，从而第一功率组可以实现与电池组的连接或断开，进而实现第一功率组工作或不工作的目的。

在上述实施例中，第一开关组件包括：多个第二接触器，每个第二接触器的一端连接在同一组串联的两个第一功率器件之间；第一绕组包括3个第一电枢绕组，每个第二接触器的另一端与一个第一电枢绕组连接。

在该实施例中，通过设置第二接触器，且每个第二接触器与一个第一电枢绕组连接，而且每个第二接触器的一端连接在同一组串联的两个第一功率器件之间，使得每组第一功率器件能够和一个第一电枢绕组连接，从而可以驱动推进电机实现驱动功能。在第二接触器断开时，则第一功率组无法驱动推进电机。

在上述任一项实施例中，第二功率组包括：第三接触器，第三接触器的一端与电池组的正极连接；第二电容，第二电容的一端与第三接触器的另一端连接，第二电容的另一端与电池组的负极连接；多个第二功率器件，每两个第二功率器件相互串联为一组，每组第二功率器件的两端分别与第二电容并联连接。

在该实施例中，每组第二功率器件的两端分别与第二电容并联连接，也就是每组第二功率器件的一端与第三接触器另一端连接，每组第二功率器件的另一端与电池组的负极连接。同时，第三接触器连接在电池的正极上，这样，通过第三接触器的启闭，可以实现第二功率组和电池组的连接或断开，从而第二功率组可以实现与电池组的连接或断开，进而实现第二功率组工作或不工作的目的。

在上述任一项实施例中，第二开关组件包括：多个第四接触器，每个第四接触器的一端连接在同一组串联的两个第二功率器件之间；第二绕组包括3个第二电枢绕组，每个第四接触器的另一端与一个第二电枢绕组连接。

在该实施例中，通过设置第四接触器，且每个第四接触器与一个第二电枢绕组连接，而且每个第四接触器的一端连接在同一组串联的两个第二功率器件之间，使得每组第二功率器件能够和一个第二电枢绕组连接，从而可以驱动推进电机实现驱动功能。在第四接触器断开时，则第二功率组无法驱动推进电机。

在上述实施例中，通过第一接触器、第二接触器、第三接触器和第四接触器的设置，并通过各个接触器的启闭，使得第一功率组、第二功率组可以各自独立地工作，也可以同时工作，从而为双余度推进装置提供了更多的灵活性和更高的可靠性。

根据本发明第二方面的实施例提供了一种水下航行器，包括：如上述第一方面中任一项实施例的双余度推进装置。

通过采用上述任一项实施例的双余度推进装置，从而具有了上述实施例的全部有益技术效果，在此不再赘述。

根据本发明一个具体实施例的水下航行器的双余度推进装置，具有长航时和高可靠性。

本具体实施例的双余度推进装置，采用双余度推进电机及控制单元，不仅能提升***效率，还可以增加电气硬件余度，当出现故障后，能自主进行切换，保证航行器依然具备航行能力，提升动力推进***的可靠性及工作效率。

(1)电机方案。在传统的三相绕组基础上，本具体实施例再增加了一套三相绕组，两套绕组，即第一绕组和第二绕组，分别根据高低功率需求进行电磁设计，第一绕组按照高功率点设计，满足高功率运行最大效率。第二绕组按照低功率点设计，满足低功率运行最大效率。

(2)控制器方案。硬件拓扑设计为“一套控制单元+两套功率单元”的结构，两套功率单元分别接入两套绕组，可独立工作，也可同时工作。当某一套功率单元出现故障时，控制单元可自主切换。

本具体实施例提出的一种水下航行器的双余度推进装置，较好地克服了采用传统的“单绕组+单控制器”方案的弊端，能够解决长航时无人潜航器推进电机高低速高效运行的问题，有效提升水下航行器推进电机及控制器运行效率，提高水下航行器动力***整体可靠性。

如图1所示，电池组10与双余度功率单元20连接，双余度功率单元20与输出单元30连接，输出单元30与推进电机40连接，双余度功率单元20与控制单元50连接。

电池组10中，电池组10的正极分别连接双余度功率单元20中，第一接触器K1的一端、第三接触器K2的一端；第一接触器K1、第三接触器K2的另一端连接功率组的正极母排，电池组10的负极连接双余度功率单元20中功率组的负极母排。

双余度功率单元20中，第一功率组的输出节点A、B、C分别连接输出单元30中的第三接触器K11的一端、第三接触器K12的一端、第三接触器K13的一端；第三接触器K11的另一端、第三接触器K12的另一端、第三接触器K13的另一端分别连接推进电机40中的A1、B1、C1绕组，也就是3个第一电枢绕组。3个第一电枢绕组A1、B1、C1共同组成了第一绕组。另一套功率单元，即第二功率组，其输出节点A*、B*、C*分别连接输出单元30中的第四接触器K21的一端、第四接触器K22的一端、第四接触器K23的一端；第四接触器K21的另一端、第四接触器K22的另一端、第四接触器K23的另一端分别连接推进电机40中的A2、B2、C2绕组，也就是3个第二电枢绕组。3个第二电枢绕组A2、B2、C2共同组成了第二绕组。

推进电机40中的位置传感器402连接至控制单元50，位置传感器402的输出信号发送给控制单元50。

当双余度功率单元20中的第一接触器K1和输出单元30中的第二接触器K11、第二接触器K12、第二接触器K13全部闭合，电机本体401中的A1、B1、C1绕组接入回路，控制单元50接收来自位置传感器402的输出信号即可控制推进电机40运行；当双余度功率单元20中的第三接触器K2和输出单元30中的第四接触器K21、第四接触器K22、第四接触器K23全部闭合，电机本体401中的A2、B2、C2绕组接入回路，控制单元50接收来自位置传感器402的输出信号即可控制推进电机运行。

如图1所示，双余度功率单元20中，第一接触器K1、第一电容C1、第一功率器件T11、第一功率器件T12、第一功率器件T13、第一功率器件T14、第一功率器件T15、第一功率器件T16组成第一功率组。A、B、C为该第一功率组的输出节点。其中，第一功率器件T11、第一功率器件T12相互串联为一组，且第一功率器件T11远离第一功率器件T12的一端与第一接触器K1连接，第一功率器件T12远离第一功率器件T11的一端与电池组负极连接，A节点设置在第一功率器件T11、第一功率器件T12这两者之间。第一功率器件T13、第一功率器件T14相互串联为一组，且第一功率器件T13远离第一功率器件T14的一端与第一接触器K1连接，第一功率器件T14远离第一功率器件T13的一端与电池组10的负极连接，B节点设置在第一功率器件T13、第一功率器件T14这两者之间。第一功率器件T15、第一功率器件T16相互串联为一组，且第一功率器件T15远离第一功率器件T16的一端与第一接触器K1连接，第一功率器件T16远离第一功率器件T15的一端与电池组10的负极连接，C节点设置在第一功率器件T15、第一功率器件T16这两者之间。

第三接触器K2、第二电容C2、第二功率器件T21、第二功率器件T22、第二功率器件T23、第二功率器件T24、第二功率器件T25、第二功率器件T26组成第二功率组。A*、B*、C*为第二功率组的输出节点。其中，第二功率器件T21、第二功率器件T22相互串联为一组，且第二功率器件T21远离第二功率器件T22的一端与第三接触器K2连接，第二功率器件T22远离第二功率器件T21的一端与电池组负极连接，A*节点设置在第二功率器件T21、第二功率器件T22这两者之间。第二功率器件T23、第二功率器件T24相互串联为一组，且第二功率器件T23远离第二功率器件T24的一端与第三接触器K2连接，第二功率器件T24远离第二功率器件T23的一端与电池组10的负极连接，B*节点设置在第二功率器件T23、第二功率器件T24这两者之间。第二功率器件T25、第二功率器件T26相互串联为一组，且第二功率器件T25远离第二功率器件T26的一端与第三接触器K2连接，第二功率器件T26远离第二功率器件T25的一端与电池组10的负极连接，C*节点设置在第二功率器件T25、第二功率器件T26这两者之间。

输出单元30中，包括第一开关组件和第二开关组件。第一开关组件包括第二接触器K11、第二接触器K12、第二接触器K13。第二开关组件包括第四接触器K21、第四接触器K22、第四接触器K23。

推进电机40中，包括电机本体401和位置传感器402。电机本体401中，A1、B1、C1构成一套第一绕组，A2、B2、C2构成第二绕组。

控制单元50中，控制单元产生12路脉宽调制(PWM)信号，经放大后驱动双余度功率单元20中的多个第一功率器件、多个第二功率器件。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种双余度推进装置，其特征在于，包括：

电池组；

双余度功率单元，与所述电池组连接，所述双余度功率单元包括第一功率组和第二功率组；

输出单元，与所述双余度功率单元连接，所述输出单元包括第一开关组件和第二开关组件；

推进电机，所述推进电机包括电机本体，所述电机本体上设有第一绕组和第二绕组，所述第一绕组通过所述第一开关组件和所述第一功率组连接，所述第二绕组通过所述第二开关组件与所述第二功率组连接，且所述第一绕组的功率大于所述第二绕组的功率；

所述推进电机还包括位置传感器，所述位置传感器与所述电机本体连接；

控制单元，与所述位置传感器、所述双余度功率单元分别连接，所述控制单元用于根据所述位置传感器的信号，控制所述双余度推进装置的运行。

2.根据权利要求1所述的双余度推进装置，其特征在于，所述第一功率组包括：

第一接触器，所述第一接触器的一端与所述电池组的正极连接；

第一电容，所述第一电容的一端与所述第一接触器的另一端连接，所述第一电容的另一端与所述电池组的负极连接；

多个第一功率器件，每两个所述第一功率器件相互串联为一组，每组所述第一功率器件的两端分别与所述第一电容并联连接。

3.根据权利要求2所述的双余度推进装置，其特征在于，所述第一开关组件包括：

多个第二接触器，每个所述第二接触器的一端连接在同一组串联的两个第一功率器件之间；

所述第一绕组包括3个第一电枢绕组，每个所述第二接触器的另一端与一个所述第一电枢绕组连接。

4.根据权利要求1所述的双余度推进装置，其特征在于，所述第二功率组包括：

第三接触器，所述第三接触器的一端与所述电池组的正极连接；

第二电容，所述第二电容的一端与所述第三接触器的另一端连接，所述第二电容的另一端与所述电池组的负极连接；

多个第二功率器件，每两个所述第二功率器件相互串联为一组，每组所述第二功率器件的两端分别与所述第二电容并联连接。

5.根据权利要求4所述的双余度推进装置，其特征在于，所述第二开关组件包括：

多个第四接触器，每个所述第四接触器的一端连接在同一组串联的两个第二功率器件之间；

所述第二绕组包括3个第二电枢绕组，每个所述第四接触器的另一端与一个所述第二电枢绕组连接。

6.一种水下航行器，其特征在于，包括：

如权利要求1至5中任一项所述的双余度推进装置。

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