电动船舶的永磁同步电动机矢量控制无齿轮箱推进装置制造方法及图纸

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。本发明专利技术通过取消齿轮箱、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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。以上两种设置导致系统复杂、 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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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M-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系统减速，同时利用系统动能发电，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。本专利技术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。本专利技术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系统相比，具有流程短、系统简化重量轻体 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，可实现系统 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、操纵本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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、频率为对-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系统减速，同时利用系统动 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...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞志森，王文忠，张大中，庞明，姜廷军，张青发，
申请(专利权)人：庞志森，王文忠，张大中，庞明，姜廷军，张青发，宜昌发中船务有限公司，
类型：发明
国别省市：42[中国|湖北]