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1、(10)申请公布号 CN 104260868 A (43)申请公布日 2015.01.07 C N 1 0 4 2 6 0 8 6 8 A (21)申请号 201410495212.1 (22)申请日 2014.09.24 B63H 21/17(2006.01) B63H 23/24(2006.01) (71)申请人江苏科技大学 地址 212003 江苏省镇江市梦溪路2号 (72)发明人王伟然 翟江涛 李春华 李泰 (74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 代理人柏尚春 (54) 发明名称 直轴推进式的船舶电力直驱推进装置、推进 系统及方法 (57) 摘要 本发明公。
2、开了一种直轴推进式的船舶电力直 驱推进装置、推进系统及方法，其中，所述推进装 置的驱动机构包括电机壳体，设置于电机壳体内 中空的外转子，位于外转子内部中空的定子，位于 定子内部的内转子，固定联接外转子与前螺旋桨 传动轴的外转子传动轴，以及用于固定内转子和 外转子位置的双环套装轴承；所述定子的内侧设 置用于控制内转子旋转的第一绕组，外侧设置用 于控制外转子旋转的第二绕组。本发明基于多相 电机实现双转子驱动的吊舱式对转螺旋桨推进， 在继承多相电机和双转子驱动系统所有优点的基 础上，本发明装置具有行驶稳定，效率更高，可以 自主调节螺旋桨的功率、转速和旋转方向，适应于 现有船舶推进平台，尤其是水下航行。
3、器的推进。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104260868 A CN 104260868 A 1/2页 2 1.一种直轴推进式的船舶电力直驱推进装置，其特征在于：包括电机外壳（503），外壳 内部的驱动电机，通过驱动电机的内转子（509）与外转子（505），使得与内转子（509）相连 接的后螺旋桨（511）和与外转子（505）相连接的前螺旋桨（510）异向旋转。 2.如权利要求1所述的吊舱式船舶电力直驱推进装置，其特征在于，进一步包括：用。
4、 于驱动电机进行供电的供电电缆（501），设置在电机外壳上的电缆接口（502），设置在电机 壳体中的外转子（505），通过定子固定件（504）固定于电机外壳的驱动电机定子（508），位 于电机最内层的内转子（509），以及连接在内转子（509）上的后螺旋桨（511）和连接在外转 子（505）上的前螺旋桨（510），所述电机定子在外侧和内侧分别开槽，用于固定定子绕组I （506）和定子绕组II（507），定子绕组I（506）通过使外转子（505）旋转的电枢电流，定子 绕组II（507）通过使内转子（509）旋转的电枢电流。 3.如权利要求1所述的直轴推进式的船舶电力直驱推进装置，其特征在于，所述。
5、内转 子与后螺旋桨传动轴之间的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接。 4.如权利要求1所述的直轴推进式的船舶电力直驱推进装置，其特征在于，外转子与 前螺旋桨传动轴的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联接。 5.一种直轴推进式的船舶电力直驱推进系统，其特征在于，包括：权利要求1至4任一 项所述的推进装置，以及处理器和 采样单元，包括用于采集电机相电流信号的电流采样单元，用于采集线电压信号和直 流母线信号的电压采样单元，用于采集内转子和外转子转速信号的转速采样单元，以及温 度采样单元； 多相逆变器主电路，接收处理器输出的PWM信号，并输出控制电压以驱动推进装置。 6.如权利要求5所述的直轴推进式的船。
6、舶电力直驱推进系统，其特征在于，所述处理 器为DSP处理器。 7.基于权利要求5所述的直轴推进式的船舶电力直驱推进系统的推进方法，其特征在 于， 包括如下步骤： 步骤1：初始化程序，初始化GPIO和PIE寄存器； 步骤2：定义转速采样单元、ADC转换输入和定时器； 步骤3：使能中断、定时器开始计数。 8.如权利要求7所述的推进方法，其特征在于，所述初始化程序包括： 步骤11、配置系统寄存器； 步骤12、初始化I/O管脚； 步骤13、初始化ADC设置； 步骤14、初始化事件管理器、CAP捕捉引脚、QEP正交编码器引脚和比较单元； 步骤15、采用离线化自适应遗传算法计算最佳PID参数； 步骤16、。
7、采用MRDSVM-DTC算法生成初始数域； 步骤17、配置中断。 9.如权利要求7所述的推进方法，其特征在于，所述中断程序包括： 读取各定子绕组的电流和电压采样值； 读取光电编码器采样得到的内外转子速度值； 权 利 要 求 书CN 104260868 A 2/2页 3 计算内外转子的磁链和转矩值； 进行坐标变换； 内外转子控制电流值的计算； 根据标志量，在数域中选择最佳的控制矢量； 每个基本矢量工作T/m周期，将所对应的空间电压矢量送入逆变器。 权 利 要 求 书CN 104260868 A 1/5页 4 直轴推进式的船舶电力直驱推进装置、 推进系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及船舶推。
8、进装置，尤其是一种直轴推进式的船舶电力直驱推进装置。 背景技术 0002 直轴推进是船舶动力设置最常用的一种方式，这种方式将原动机和螺旋桨通过传 动轴连接在一条直线上。在船舶设计中，这种传动方式还占有一定的比重，尤其是水下航行 器，比如潜水艇，水下无人探测器，这种推进方式尤其适合于流线型船体的主推进设置。对 转螺旋桨是指在螺旋桨的推进轴线上，前后各布置一只螺旋桨，前螺旋桨的直径大于后螺 旋桨的直径，并且这两只螺旋桨的旋转方向相反。在对转螺旋桨推进系统中，前螺旋桨产生 的涡动能量可以在后螺旋桨中得到有效利用。 0003 图1a是对转螺旋桨的涡动能量传递原理图。前螺旋桨顺时针/逆时针旋转产生 螺旋。
9、涡动，通过对前螺旋桨桨叶的设计可以使得向后的涡动能量大于向前的涡动能量，后 螺旋桨逆时针/顺时针旋转，将水流推向后方，由于前后螺旋桨异向旋转，两者之间的水流 呈螺旋状涡动，叠加到后螺旋桨的推进能量要远高于后螺旋桨单独推进的涡动能量。图1b 是对转螺旋桨平面视角的涡动能量传递原理图。其中，实线为前螺旋桨，虚线为后螺旋桨， 假设前螺旋桨顺时针旋转，后螺旋桨逆时针旋转。船体在螺旋推进的时候会受到推进力的 反作用，传统单桨推进系统中船舶受到推进旋转力的反向作用力，这是船舶船体不稳定周 期震动的原因，严重时会影响船舶航行时的稳定性。对转螺旋桨由于前后螺旋桨异向旋转， 所产生的推力与推进反作用力相互抵消，。
10、这种推进方式有助于保证船舶航行时船体的稳定 性。 0004 图2是对转螺旋桨组成的多螺旋桨推进系统。图2使用了两套对转螺旋桨组成推 进系统，为了使得船舶得到向后的推进力，需要两套对转螺旋桨产生异向旋转的涡动流向。 为了确保船舶船体稳定，推力方向正确，这就需要调整两套对转螺旋桨的旋转方向和旋转 速度。 0005 如图2所示，现有船舶直轴推进装置结构上的特点是：采用船用柴油301为动力燃 料，柴油机302作为原动机，通过传动轴303将能量传递给卫星箱304，卫星箱是304多个驱 动齿轮的组合，通过齿轮的排列组合可以调整输出的转速和扭矩，卫星箱304起到了和汽 车中变速箱一样的作用，最后卫星箱通过传。
11、动轴驱动螺旋桨305进行旋转，以驱动船舶航 行。 0006 现有的船舶推进装置一般采用柴油作为燃料，这种方式对环境的污染严重，成本 昂贵，不符合目前节能环保的要求。并且现有的船舶推进装置都有卫星箱304，卫星箱是一 组传动齿轮的组合，在日常维护中所需的维护量较大，并且传动齿轮、机械配件较易损坏， 维修成本较高。如何设计传动齿轮使其实现双桨的对转推进也是一个较难的课题。 发明内容 0007 发明目的：提供一种直轴推进式的船舶电力直驱推进装置，以解决现有技术存在 说 明 书CN 104260868 A 2/5页 5 的上述问题，提高推进效率，降低装置的故障率。 0008 技术方案：一种直轴推进式的。
12、船舶电力直驱推进装置，包括壳体，安装于壳体内部 的驱动电机，联接在外转子上的前螺旋桨，以及联接在内转子上的后螺旋桨。本发明采用的 推进驱动电机是专门设计的双转子多相电机。 0009 其中，所述驱动电机包括电机壳体，设置于电机壳体中的中空的外转子，位于外转 子内部中空的定子，位于定子内部的内转子，固定联接外转子与前螺旋桨的固定件，固定联 接内转子与后螺旋桨的固定件，以及用于固定内转子和外转子位置的双环套装轴承；所述 定子的内侧设置用于控制内转子旋转的定子绕组II，外侧设置用于控制外转子旋转的定子 绕组I；所述定子与电机壳体通过定子固定件相联接。 0010 一种直轴推进式的船舶电力直驱推进装置，包。
13、括电机外壳，外壳内部的驱动电机， 通过驱动电机的内转子与外转子，使得与内转子相连接的后螺旋桨和与外转子相连接的前 螺旋桨异向旋转。进一步包括：用于驱动电机进行供电的供电电缆，设置在电机外壳上的电 缆接口，设置在电机壳体中的外转子，通过定子固定件固定于电机外壳的驱动电机定子，位 于电机最内层的内转子，以及连接在内转子上的后螺旋桨和连接在外转子上的前螺旋桨， 所述电机定子在外侧和内侧分别开槽，用于固定定子绕组I和定子绕组II，定子绕组I通过 使外转子旋转的电枢电流，定子绕组II通过使内转子旋转的电枢电流。 0011 在进一步的实施例中，所述内转子与后螺旋桨传动轴之间的固定联接方式包括焊 接和通过紧。
14、固件联接。外转子与前螺旋桨传动轴的固定联接方式包括焊接和通过紧固件联 接。 0012 一种直轴推进式的船舶电力直驱推进系统，包括上述推进装置，以及处理器和 采样单元，包括用于采集电机相电流信号的电流采样单元，用于采集线电压信号和直 流母线信号的电压采样单元，用于采集内转子和外转子转速信号的转速采样单元，以及温 度采样单元； 多相逆变器主电路，接收处理器输出的PWM信号，并输出控制电压以驱动推进装置。 0013 在进一步的实施例中，所述处理器为DSP处理器。 0014 基于上述直轴推进式的船舶电力直驱推进系统的推进方法，包括如下步骤： 步骤1：初始化程序，初始化GPIO和PIE寄存器； 步骤2：。
15、定义转速采样单元、ADC转换输入和定时器； 步骤3：使能中断、定时器开始计数。 0015 在进一步的实施例中，所述初始化程序包括：步骤11、配置系统寄存器； 步骤12、初始化I/O管脚；步骤13、初始化ADC设置； 步骤14、初始化事件管理器、CAP捕捉引脚、QEP正交编码器引脚和比较单元；步骤15、 采用离线化自适应遗传算法计算最佳PID参数；步骤16、采用MRDSVM-DTC算法生成初始数 域；步骤17、配置中断。所述中断程序包括： 读取各定子绕组的电流和电压采样值；读取光电编码器采样得到的内外转子速度值； 计算内外转子的磁链和转矩值；进行坐标变换；内外转子控制电流值的计算； 根据标志量，。
16、在数域中选择最佳的控制矢量；每个基本矢量工作T/m周期，将所对应的 空间电压矢量送入逆变器。 0016 有益效果：与如图2所示的传统机械传动式的结构相比，本发明没有最易发生故 说 明 书CN 104260868 A 3/5页 6 障的机械传动机构，降低了故障发生率；并且本发明只需要一台电机就可以实现前后螺旋 桨的独立控制，并且同等的空间下，电机功率至少比双电机结构大一倍。原因在于：假设同 等空间下全部装设电机，本发明的驱动电机可以同时实现前后螺旋桨的正反转，而双电机 结构必须需要两台驱动电机，一台电机只能占到同等空间的一半。电机的输出功率近似等 于电机的体积，本发明一台电机装设了两套绕组，这样。
17、一来同等的体积下相比与普通电机 功率就提高了一倍。本方面所采用的驱动电机是专门设计的双转子多相电机，除了上述双 转子对转调速的特点之外，它还具有升级现有船舶系统时仍可采用原有器件，无需更换更 大电流等级的电力电子器件的优势，这样一来兼容于我国现有的船舶系统，极大的缩减了 升级成本。 附图说明 0017 图1是对转螺旋桨的涡动能量传递原理图与对转螺旋桨平面视角的涡动能量传 递原理图。 0018 图2是现有机械传动式船舶直轴推进装置的结构示意图。 0019 图3是本发明的结构示意图。 0020 图4是本发明的后视图。 0021 图5是二极管钳位式的多电平逆变器主电路。 0022 图6是双转子多相电。
18、机控制系统的硬件示意图。 0023 图7是双转子多相电机控制系统主程序的流程图。 0024 图8是程序初始化的流程图。 0025 图9是电机控制的中断程序流程图。 具体实施方式 0026 结合图3至图4描述本发明直轴推进式的船舶电力直驱推进装置，它主要包括：供 电电缆501，电缆接口502，电机外壳503，定子固定件504，外转子505，电子绕组I 506，定 子绕组II 507，定子508，内转子509，前螺旋桨509，后螺旋桨510。 0027 所述推进装置的驱动机构包括电机壳体，设置于电机壳体内中空的外转子，位于 外转子内部中空的定子，位于定子内部的内转子，固定联接外转子与前螺旋桨传动轴。
19、的外 转子传动轴，以及用于固定内转子和外转子位置的双环套装轴承；所述定子的内侧设置用 于控制内转子旋转的第一绕组，外侧设置用于控制外转子旋转的第二绕组。 0028 如图3所示，本发明是一种以电能为动力的直轴推进式船舶直驱推进装置。首先 由供电电缆501通过电缆接口502给驱动电机提供能量，这里驱动电机采用双转子多相电 机。由于电机是直轴安装，并且无需卫星箱，因此相比传统方式电机轴长较长，可以输出更 高的功率。电机是一个三层套筒式的结构，最外层是电机的外转子505，中间层是电机的定 子508，内层是电机的内转子509。电机定子508通过定子固定件504进行固定，在定子的 内外两侧都开有定子槽，定。
20、子外侧槽中镶嵌定子绕组I 506用以控制电机外转子505，定子 内侧槽中镶嵌定子绕组II 507用以控制电机内转子509。这里注意，外转子505的安装必 须与电机外壳503、电机定子508及密封盖保持一定微小的距离，以防止外转子505旋转时 对电机外壳503、电机定子508和密封盖造成不必要的摩擦损耗，外转子505与电机定子之 说 明 书CN 104260868 A 4/5页 7 间508的间隙称为气隙。同理，电机内转子509的安装必须与电机外壳503、电机定子508 及密封盖保持一定微小的距离，以防止内转子509旋转时对电机外壳503、电机定子508和 密封盖造成不必要的摩擦损耗，内转子50。
21、9与电机定子之间508的间隙也被称为气隙。前 螺旋桨510通过紧固件或者焊接连接在外转子505上，后螺旋桨511通过紧固件或者焊接 固定在电机的内转子509上。 0029 转到图4，图4是图3所述直轴推进式船舶直驱推进装置的后视图。虚线框表示 电机外壳503，双转子多相电机为推进电机，整体结构是一个同轴的套筒结构，有外至内依 次分别为电机外转子505，电机定子508，电机内转子509。前螺旋桨510通过紧固件或者 焊接连接在外转子505上，后螺旋桨511通过紧固件或者焊接固定在电机的内转子509上。 该实施例选择3叶桨作为范例，实际工程中可以采用任意叶数的定距螺旋桨或者变距螺旋 桨。 0030。
22、 接着描述图5，如图5所示，这是一个二极管箝位式的三电平多相逆变器主电路 的拓扑结构。与传统的二电平逆变器相比，三电平逆变器一相拓扑增加了两个功率开关器 件和与之相反并联的二极管，并且中间的两个功率开关器件通过并联的两只二极管可以将 零电平信号施加到输出端上，这种结构可以使得功率器件的耐压值降低到直流端电压的一 半，使其也适合于高电压的运用场合。 0031 接着描述图6，如图6所示，这是整个系统的硬件组成原理图。船舶通过发电设备 给整个直轴推进式船舶电力直驱推进装置进行供电。注意，这里每个模块所需的电压有所 不同，需要供电模块进行具体电压等级的转换与配送。DSP数字处理器是整个系统的大脑， 所。
23、有的数据处理、控制算法都是通过DSP数字处理器进行运算。DSP输出PWM信号给二极 管箝位式的三电平多相逆变器，使其输出驱动电机控制电压。双转子多相电机带动前、后螺 旋桨一起旋转，推进船舶前进。电流传感器采样电机的相电流信号，电压传感器采样电机的 线电压信号和逆变器的直流母线信号，转速传感器采样驱动电机内转子和外转子的转速信 号，再将所有的信号进行调理变换后输入到DSP进行处理控制。 0032 接着描述图7，图7是双转子多相电机控制系统主程序的流程图。程序启动后，首 先是系统初始化程序；系统初始化之后需要初始化GPIO和PIE寄存器，即通常所说的定义 IO输入输出口与功能寄存器；然后需要定义对。
24、速度传感器输入信号的采样单元；定义ADC 转换输入；定义定时器T1和T2的计数；最后使能中断使程序进行。 0033 接着描述图8，图8是程序初始化的流程。首先需要配置系统寄存器；然后需要初 始化IO设置；初始化ADC设置；初始化事件管理器、CAP捕捉引脚、QEP正交编码器引脚和 比较单元；采用离线化自适应遗传算法计算最佳PID参数；采用MRDSVM-DTC（任意层次离 散型空间电压矢量的直接转矩控制）算法，设置初始数域；配置中断。 0034 接着描述图9，图9是电机控制的中断程序流程。首先读取定子绕组1和定子绕 组2的电流和电压采样值；然后读取光电编码器采样得到的内外转子速度值；然后计算内 外。
25、转子的磁链和转矩值。然后进行坐标变换；然后内外转子控制电流值的计算；根据标志 量，在数域中选择最佳的控制矢量；每个基本矢量工作T/m周期，将所对应的空间电压矢量 送入逆变器。 0035 本发明在电机定子内外两侧分别嵌入两套不同的绕组，内侧绕组控制内转子的旋 转，外侧绕组控制外转子的旋转，两套绕组通过不同的控制电流可以对内外转子进行独立 说 明 书CN 104260868 A 5/5页 8 控制。内/外转子各自直接驱动连接在直轴双转子上的前后螺旋桨，其旋转方向相反，转速 可调。本装置省却了复杂的机械传动装置，降低了机械故障的几率。传统的直轴推进结构需 要机械驱动装置，因此需要较大的空间以安装机械。
26、装置；但是这种新型推进装置摒弃了机 械传动装置，同等体积下可以安装更大容量的电机。另外，本发明有效解决了船舶电力推进 中低压大功率的应用问题，中大功率时，逆变器还可以采用当前电流等级的电力电子器件， 船舶升级成本较低。并且采用容错控制方法后可以有效的解决一相或者多相故障的情况， 适用于运行可靠性较高的场合。因此推力/体积比较高，并且具有直轴推进装置的一切优 点，所以具有广阔的应用前景，并且这种新型推进装置采用电动机为原动机，符合国家关于 高效、绿色、节能减排的发展指导思想。 0036 本专利所设计的新型直轴推进式的船舶电力直驱推进装置摒弃了机械齿轮的传 动方式，不需要附加的传动装置，降低成本的。
27、同时也进一步降低了设备的故障率，缩减了维 修成本。同时，这种新型装置只需要一台电机就可以实现对转螺旋桨的驱动，这样一来就避 免了繁复的多电机控制，控制方法简洁可靠，工作效率极高。 0037 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中 的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这 些等同变换均属于本发明的保护范围。 0038 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛 盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可 能的组合方式不再另行说明。 说 明 书CN 104260868 A 1/5页 9 图1a 图1b 图2 说 明 书 附 图CN 104260868 A 2/5页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104260868 A 10 3/5页 11 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104260868 A 11 4/5页 12 图7 图8 说 明 书 附 图CN 104260868 A 12 5/5页 13 图9 说 明 书 附 图CN 104260868 A 13 。