磁耦合推进系统及其在船舶推进上的应用

摘要

本发明提供一种磁耦合推进系统及其在船舶推进上的应用，该磁耦合推进系统包括原动机、磁耦合调速器、推进电机、控制装置和推进机构，所述磁耦合调速器的输出轴与所述推进电机的输入轴相连接，所述磁耦合调速器的绕组转子的绕组和所述推进电机的绕组分别与所述控制装置相连接。该方案中，原动机可以运行在最优的速度定速运行，由于磁耦合调速器可以调节输出的电能和扭矩，因此可以使原动机定速运行，保持在最优的运行状态，提高原动机的效率。其中的磁耦合调速器在传递转矩的同时产生电能，该电能给推进电机提供电源，整体上提高了能源的利用率。由于推进电机所需的电能是磁耦合调速器自身产生的，因此与船网没有任何联系，不存在电磁干扰的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力系统，具体地说是一种磁耦合推进系统。

背景技术

目前的船舶推进系统，主要有两种方式：机械式推进和电力推进。机械 式推进是传统的推进方式，从1807年富尔顿设计“克莱蒙特”号蒸汽机轮 船试航成功到现在，机械推进已经发展成为非常成熟的技术，主要包括柴油 机推进、汽轮机推进以及燃气轮机推进。由于机械推进系统中的轴系建造复 杂，对中要求高，因此不仅对生产和加工的要求较高，而且系统的维修复杂， 维护量大。此外，机械式推进方式的噪声振动大，低速运行时效率低，在驶 出和靠近码头时操作不方便。

电力推进是新型的推进方式，有船舶电站发电，通过变频器给推进电机 供电，直接带动螺旋桨产生动力，该推进系统船舱布置灵活，建造方便，可 以方便地隔离振动和噪声，此外，电力推进系统在加减速、倒车时操作方便。 对于工程船舶、作业船、轮渡等特种船舶来说，电力推进运行效率远比机械 推进的效率高。如中国专利文献CN1845847A中公开了一种用于船只或者其 他移动式海上航行结构的推进系统，如图1所示，具有一个用来使发电机 14运行的驱动机构17，该发电机连接到与推进器12或者类似的推进装置相 连的电力推进电动机11。此外，还包括一个变频器16，以稳定的频率从发 电机向消耗网络供电。但是，该电力推进的方式目前仍面临如下问题：首先， 需要增加发电机、变频器和推进电机，不仅初始投资大、效率低，而且推进 系统的体积和重量也要大幅增加。此外，变频器工作时会产生谐波，对船网 存在干扰。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的电力推进方式需 要增加发电机、变频器和大功率推进电机，不仅投资大、重量和体积增加， 而且存在干扰，从而提出一种成本低、重量和体积小、无干扰的磁耦合推进 系统。

为解决上述技术问题，本发明的提供一种船舶磁耦合推进系统，包括原 动机、磁耦合调速器、推进电机、控制装置和推进机构，所述磁耦合调速器 包括磁转子和绕组转子，所述磁耦合调速器的输入轴和输出轴分别连接所述 磁转子和所述绕组转子；其中，

所述原动机的输出轴与所述磁耦合调速器的输入轴相连接，使得所述原 动机能够带动所述磁转子旋转；

所述磁耦合调速器的输出轴与所述推进电机的输入轴相连接，使得所述 绕组转子能够带动所述推进电机旋转；

所述磁耦合调速器的绕组转子的绕组和所述推进电机的绕组分别与所述 控制装置相连接，使得所述绕组转子的绕组中产生的电流通过控制装置为推 进电机供电；

所述推进电机的输出轴与所述推进机构连接。

此外，本发明还提供一种磁耦合推进系统，包括原动机、磁耦合调速器、 推进电机、控制装置和推进机构，所述磁耦合调速器包括磁转子和绕组转子， 所述磁耦合调速器的输入轴和输出轴分别连接所述磁转子和所述绕组转子， 所述推进机构包括第一推进机构和第二推进机构，其中

所述原动机的输出轴与所述磁耦合调速器的输入轴相连接，使得所述原 动机能够带动所述磁转子旋转；

所述磁耦合调速器的输出轴与所述第一推进机构)相连接，使得所述绕 组转子能够带动所述第一推进机构；

所述磁耦合调速器的绕组转子的绕组和所述推进电机的绕组分别与所述 控制装置相连接，使得所述绕组转子的绕组中产生的电流通过控制装置为所 述推进电机供电；

所述推进电机的输出轴与所述第二推进机构连接。

优选地，所述第一推进机构和所述第二推进机构均为主推进机构，互为 备用。

优选地，所述第一推进机构包括主推进机构，所述第二推进机构包括侧 推进机构。

优选地，所述原动机的输出轴还与一个发电机的转轴连接，所述发电机 还与所述控制装置连接。

优选地，所述原动机的输出轴与所述发电机的转轴通过皮带连接。

优选地，所述原动机的输出轴与所述发电机的转轴在同一轴线上连接。

优选地，所述控制装置通过控制磁耦合调速器中绕组转子的绕组电流的 大小来调节磁耦合调速器输出的转矩和转速。

此外，本发明还提供一种项所述的磁耦合推进系统在船舶推进上的应用。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，

(1)本发明所述的磁耦合推进系统，包括原动机、磁耦合调速器、推 进电机、控制装置和推进机构，磁耦合调速器包括磁转子和绕组转子，原动 机可以运行在最优的速度定速运行，其中的磁耦合调速器在传递转矩的同时 产生电能，该电能给推进电机提供电源，因此该船舶磁耦合推进系统的推进 转矩是由磁耦合调速器和推进电机联合产生的，整体上提高了能源的利用 率。由于磁耦合调速器可以调节输出的电能和扭矩，因此可以使原动机定速 运行，保持在最优的运行状态，提高原动机的效率。此外，推进电机所需的 电能是磁耦合调速器自身产生的，因此与船网没有任何联系，不存在电磁干 扰的问题。在优化的方案中，当推进电机的功率需求小的时候，则可以使用 体积小的电机，还可以将推进电机与磁耦合调速器设计为一个整体，节约空 间。磁耦合推进以远远低于电力推进的成本，获得与电力推进相似的操纵 性。该船舶磁耦合推进系统的传动方式为隔离传动，使得振动和噪声大大 降低，并且不需要精确对中，其运行效率、电磁兼容性等远远优于采用电力 推进的系统，是一种低成本、高性能的船舶推进解决方案。

此外，本发明中的推进系统，其发电功率的计算方式如下：忽略各种损 耗，以标幺值来计算整个推进系统的功率分配。假设螺旋桨转速为n，则推 进功率为n³，磁耦合调速器的输入端功率也是n³。推进的转矩为n²，而磁耦 合调速器2输入端转矩为n³。磁耦合调速器2提供的转矩与输入端转矩相 等，为n³。则电力推进的转矩为(n²-n³)，电力推进功率为(n³-n⁴)。当 n等于3/4时，这个函数得到最大值27/256，即约11％的额定功率。由于省 去了至少89％额定功率的发电、变频和电动三个环节，整体效率远远高于电 力推进。假设发电效率为96％，变频效率98％，电动机效率96％，则总效率 为90.3％。损耗为(1-90.3％)*89％＝8.63％，如果采用本发明中的磁耦合推 进，这些损耗都是可以避免的，节能的意义不言而喻。可见，本发明所述的 磁耦合推进系统，推进力中最多11％来自电力推进，其余都来自永磁调速耦 合器，避免了发电过程中发电机、变频器等造成的能量损耗，大大节约了能 源。由于省去了至少89％额定功率的发电、变频和电动三个环节，整体效率 要远远高于电力推进。本方案中无需使用发电机和变频器，而本方案中的控 制装置和辅助电动机损耗低，易制造，成本也远远低于电力推进，其调速能 力则完全可以与电力推进方式相媲美。

(2)本发明所述的磁耦合推进系统，所述原动机的输出轴还与一个发 电机的转轴连接，所述发电机还与所述控制装置连接，原动机的输出轴与所 述发电机的转轴通过皮带连接，或者所述原动机的输出轴与所述发电机的转 轴在同一轴线上直接连接。由于绕组转子的转动方向唯一，只能向磁转子相 反的方向运动，因此，磁耦合调速器的输出方向是单向的，推进机构只能向 一个方向运转，虽然可以通过调整推进机构的使其转动反向换向，但结构比 较复杂，在本方案中，在原动机的输出轴端加了一个发电机，当需要换向时， 控制磁耦合调速器的绕组转子断开，通过发电机带动推进电机运动，实现了 推进电机输出轴的换向，使得推进机构可以正向或反向转动。

(3)本发明所述的磁耦合推进系统，其中的磁耦合调速器可以直接连 接一个推进机构，推进电机连接另一个推进机构。这两个推进机构可以是两 个主推进螺旋桨，其中一个由耦合调速变速器提供动力，另一个由推进电机 提供动力，互为备用或者共同作用，互为备用时可以在其中一个推进机构发 生故障时，另外一个仍能工作，提高安全性能；共同作用时使得动力更加均 匀，大大提高了系统的稳定性能和安全性能。

(4)本发明所述的船舶磁耦合推进系统，其中的两个推进机构还可以 是一个作为主推进机构，另一个作为辅助推进机构，如在船舶推进系统中， 分别设置主推进螺旋桨和侧推进螺旋桨，主推进螺旋桨由磁耦合调速器提供 动力，侧推进螺旋桨采用电力推进，此时无需设置专门的侧推供电发电机组， 主动力系统可以按照最优运行效率曲线运行，从而大大提高系统的运行效 率。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实 施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是现有技术中的船舶推进系统的机构框图

图2是本发明实施例1中的一个磁耦合推进系统的结构框图；

图3是本发明实施例1中的另一磁耦合推进系统的结构框图；

图4是本发明实施例1中的另一磁耦合推进系统的结构框图；

图5是本发明实施例2中的一个磁耦合推进系统的结构框图；

图6是本发明实施例2中的另一磁耦合推进系统的结构框图。

图中附图标记表示为：1-原动机，2-磁耦合调速器，3-推进电机，4- 控制装置，5-推进机构，51-第一推进机构，52-第二推进机构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的内容，下面结合附图和 实施例对本发明所提供的技术方案作进一步的详细描述。

实施例1：

本实施例中提供一种磁耦合推进系统，用于船舶推进，结构如图2所示， 包括原动机1、磁耦合调速器2、推进电机3、控制装置4和推进机构5。原 动机1为发动机可以是燃油发动机、汽轮机甚至是电动机，使用原有的动力 系统即可，此处的原动机可以定速运行，使其工作在最优的工况下，燃烧效 率最高，能源利用率最高。磁耦合调速器2包括能够相互感应的磁转子和绕 组转子，磁转子和绕组转子无接触的相对设置，可以相互感应，磁耦合调速 器2的输入轴连接磁转子，输出轴连接绕组转子。原动机1的输出轴与所述 磁耦合调速器2的输入轴通过联轴器相连接，使得所述原动机1能够带动所 述磁转子旋转。当磁转子转动时，产生变化的磁场，绕组转子中产生电流， 根据电磁感应原理，绕组转子中产生的变化的电流又产生磁场，由于磁转子 和绕组转子之间的磁力，产生转矩，使得所述绕组转子转动并传递转矩。该 磁耦合调速器2的输出轴与所述推进电机3的输入轴相连接，绕组转子转动 时，使得所述绕组转子能够带动推进电机3的转轴旋转并输出转矩。磁耦合 调速器2的绕组转子的绕组、所述推进电机3的绕组与所述控制装置4相连 接，控制装置4通过控制磁耦合调速器2中绕组转子中绕组电流的大小来调 节磁耦合调速器2输出的转矩和转速。此外，磁耦合调速器2的绕组转子的 绕组中产生的电流通过控制装置4为推进电机3供电，进而推进电机输出转 矩。因此推进电机3的转矩一部分是由磁耦合调速器2产生的并传递至推进 电机，一部分是由绕组转子中的电流为推进电机提供的并由推进电机本身产 生，这两部分能量叠加便是推进电机输出的转矩，推进电机3的输出轴与推 进机构5连接。在船舶推进系统中，推进机构为螺旋桨，推进电机的输出轴 与螺旋桨5的旋转轴连接。

本发明中的磁转子可以是永磁转子，也可以是励磁转子。由于励磁转子 使用时需要外接电源，因此此处优选为永磁转子。当然本领域人员也可以根 据需要来进行选择。

在其他的实施方案中，根据需要发动机还可以先连接一个减速器，用于 降低发动机输出轴的转速，如果原动机1中不连接减速器，此处的推进机构 5中可以还包括一个减速器或变速箱，该减速器或变速箱与螺旋桨连接，可 实现方向、速度变换，为螺旋桨提供动力。由于推进电机所需的电源是磁耦 合调速器自身产生的，与船网没有任何联系，故不存在电磁干扰。

本实施例中提供的磁耦合推进系统，可以用于船舶的推进系统，包括原 动机、磁耦合调速器、推进电机、控制装置和推进机构，磁耦合调速器包括 磁转子和绕组转子，原动机可以运行在最优的速度定速运行，其中的磁耦合 调速器在传递转矩的同时产生电能，该电能给推进电机提供电源，因此该船 舶磁耦合推进系统的推进转矩是由磁耦合调速器和推进电机联合产生的，整 体上提高了能源的利用率。由于磁耦合调速器可以调节输出的电能和扭矩， 因此可以使原动机定速运行，保持在最优的运行状态，提高原动机的能量转 化效率，节约能源，更加环保。此外，推进电机所需的电能是磁耦合调速器 自身产生的，因此与船网没有任何联系，不存在电磁干扰的问题。在优化的 方案中，当推进电机的功率需求小的时候，则可以使用体积小的电机，还可 以将推进电机与磁耦合调速器设计为一个整体，节约空间。磁耦合推进以远 远低于电力推进的成本，获得与电力推进相似的操纵性。该船舶磁耦合推 进系统的传动方式为隔离传动，使得振动和噪声大大降低，并且不需要精确 对中，其运行效率、电磁兼容性等远远优于采用电力推进的系统，是一种低 成本、高性能的船舶推进解决方案。

此外，本实施例中的推进系统，其发电功率的计算方式如下：忽略各种 损耗，以标幺值来计算整个推进系统的功率分配。假设螺旋桨转速为n，则 推进功率为n³，磁耦合调速器的输入端功率也是n³。推进的转矩为n²，而磁 耦合调速器2输入端转矩为n³。磁耦合调速器2提供的转矩与输入端转矩相 等，为n³。则电力推进的转矩为(n²-n³)，电力推进功率为(n³-n⁴)。当 n等于3/4时，这个函数得到最大值27/256，即约11％的额定功率。由于省 去了至少89％额定功率的发电、变频和电动三个环节，整体效率远远高于电 力推进。假设发电效率为96％，变频效率98％，电动机效率96％，则总效率 为90.3％。损耗为(1-90.3％)*89％＝8.63％，如果采用本实施方案中的磁耦 合推进，这些损耗都是可以避免的，节能的意义不言而喻。从以上叙述可以 看出，船舶磁耦合推进系统可以称为“迷你型电力推进”。推进力中最多 11％来自电力推进，其余都来自磁耦合调速器。这么小的变频器和辅助电动 机很容易制造，成本也远远低于电力推进，其调速能力则完全可以与电力 推进相媲美。

磁耦合推进以远远低于电力推进的成本，获得与电力推进相似的操纵 性。此外，该船舶磁耦合推进系统的传动方式为隔离传动，使得振动和噪声 大大降低，并且转轴不需要精确对中，其运行效率、电磁兼容性等远远优于 采用电力推进的系统，是一种低成本、高性能的船舶推进解决方案。操纵 性、经济性、安静性是其突出的优点。磁耦合推进适应各种海洋工程船舶、 作业船、轮渡以及豪华游轮，应用范围极其广泛，具有广阔的发展前景。

但是，在本方案中，由于绕组转子只能在磁感应产生的斥力的作用下运 转，因此其只能向一个方向转动，因此推进电机的转动方向唯一，推进机构 的转动方向也唯一。为了使得推进机构如螺旋桨可以前进或后退，能够实现 两个反向的转动，因此在进一步优化的实施方案中，在上述实施例的基础上， 还可以进一步在所述原动机的输出轴端连接一个发电机，由于原动机定速运 行，此处的发电机也定速运行，所述发电机还与所述控制装置连接。这样， 当需要输出反方向的力矩时，磁耦合调速器的绕组转子断开，由定速发电机 发电，经过控制装置进行调理后，为推进电机供电，推进电机可以反转，实 现反向动力的输出，使得螺旋桨反转。作为发电机的具体安装方式，原动机 的输出轴可以与所述发电机的转轴通过皮带连接，如图3所示，或者原动机 的输出轴与所述发电机的转轴在同一轴线上直接连接，如图4所示。这样就 很好的解决了推进电机无法反转、无法输出反向驱动力的问题，虽然该方案 中需要增加定速发电机，但是由于原动机可以定速运行，依然可以大大提高 能源的利用率，此外，定速发电机发出的电还输送到与船网内的电网上，用 于其他电器设备的供电。当连接发电机时，其节能作用任然存在，所述磁耦 合调速器的输入轴至所述推进电机的输出轴的能源仍然与上述分析保持一 致，可以节约11％左右。

实施例2：

本实施例中提供另外一种实施方案，当辅助推进电机的容量扩大时，可 以设计两个推进机构，互为备用或者分为主辅推进机构，共同作用。此时， 该船舶磁耦合推进系统的结构如下：

本实施方式中的船舶磁耦合推进系统，如图3所示，包括原动机1、磁耦 合调速器2、推进电机3、控制装置4和推进机构5。原动机1包括发动机和 减速器。所述磁耦合调速器2包括能够相互感应的磁转子和绕组转子，所述 推进机构5包括第一推进机构51和第二推进机构52，其中

所述原动机1的输出轴与所述磁耦合调速器2的输入轴通过联轴器相连 接，使得所述原动机1能够带动所述磁转子旋转，所述磁转子转动，绕组转 子根据电磁感应原理相互作用，产生电流和转矩，进而带动绕组转子旋转并 传递扭矩。控制装置4通过控制磁耦合调速器2中绕组转子的绕组电流的大 小来调节磁耦合调速器2输出的转矩和转速。所述磁耦合调速器2的输出轴 与第一推进机构51相连接，使得所述绕组转子能够带动所述第一推进机构51， 第一推进机构可以是一个主推进螺旋桨。

所述磁耦合调速器2的绕组转子的绕组、所述推进电机3的绕组与所述 控制装置4相连接。所述控制装置4通过控制磁耦合调速器2中绕组转子的 绕组电流的大小来调节磁耦合调速器2输出的转矩和转速。此外，所述绕组 转子的绕组中产生的电流通过控制装置4为所述推进电机3供电，所述推进 电机3的输出轴与所述第二推进机构52连接。此处的第二推进机构可以是 另一个主推进螺旋桨，与上述的主推进螺旋桨互为备用或共同作用。也可以 是侧推进螺旋桨，提供侧推力。作为进一步的实施方案，当原动机1中不连 接减速器时，此处的主推进螺旋桨和/或侧推进螺旋桨还可以与减速器或变 速器相连，用于实现方向、速度变换。

该方案中的推进系统，与上一实施方案中的推进系统原理相同，但是磁 耦合调速器2的输出轴的连接方式不同，本实施方案中，磁耦合调速器2直 接连接一个推进机构，推进电机连接另一个推进机构。这两个推进机构可以 是两个主推进螺旋桨，其中一个由耦合调速变速器2提供动力，另一个由推 进电机3提供动力，互为备用或者共同作用。互为备用时可以在其中一个推 进机构发生故障时，另外一个仍能工作，提高安全性能；共同作用时使得动 力更加均匀，大大提高了系统的稳定性能和安全性能。

此外，在其他的实施方案中，这两个推进机构还可以一个作为主推进机 构，另一个作为辅助推进机构，如在船舶推进系统中，分别设置主推进螺旋 桨和侧推进螺旋桨，主推进螺旋桨由磁耦合调速器2提供动力，侧推进螺旋 桨采用电力推挤，此时无需设置专门的侧推供电发电机组，主动力系统可以 按照最优运行效率曲线运行，从而大大提高系统的运行效率。

作为其他的实施方案，原动机的输出轴还与一个发电机的转轴连接，所 述发电机还与所述控制装置连接，具体地，所述原动机的输出轴与所述发电 机的转轴通过皮带连接如图5所示，或所述原动机的输出轴与所述发电机的 转轴在同一轴线上连接(图中未示出)。由于原动机定速运行，此处的发电 机也定速运行，此处的发电机与控制装置连接，通过该控制机构连接第一推 进电机，通过该第一推进电机带动第一推进机构51连接，用于实现该第一 推进机构51的反转，这样第一推进机构51和第二推进机构52都可以实现 正转和反转。作为其他的实施方案，如果第一推进机构无需反转，则此处的 发电机还可以连接第三推进机构，为第三推进机构提供动力，此外，此处的 发电机发出的电能还可以接入电网，为其他电器设备供电。在本发明构思的 启示下，可以实现多种推进机构的任意组合，并可以根据需要(如是否需要 正转和反转)在本发明的启示下来对其进行合理配置。

本实施例1和2中的方方案都可以应用于船舶推进中，也可以用于其他 类似的推进的场景中。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方 式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予 以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保 护范围之中。