磁耦合推進系統(tǒng)及其在船舶推進上的應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種動力系統(tǒng)，具體地說是一種磁耦合推進系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]目前的船舶推進系統(tǒng)，主要有兩種方式:機械式推進和電力推進。機械式推進是傳統(tǒng)的推進方式，從1807年富爾頓設計“克萊蒙特”號蒸汽機輪船試航成功到現(xiàn)在，機械推進已經發(fā)展成為非常成熟的技術，主要包括柴油機推進、汽輪機推進以及燃氣輪機推進。由于機械推進系統(tǒng)中的軸系建造復雜，對中要求高，因此不僅對生產和加工的要求較高，而且系統(tǒng)的維修復雜，維護量大。此外，機械式推進方式的噪聲振動大，低速運行時效率低，在駛出和靠近碼頭時操作不方便。
[0003]電力推進是新型的推進方式，有船舶電站發(fā)電，通過變頻器給推進電機供電，直接帶動螺旋槳產生動力，該推進系統(tǒng)船艙布置靈活，建造方便，可以方便地隔離振動和噪聲，此外，電力推進系統(tǒng)在加減速、倒車時操作方便。對于工程船舶、作業(yè)船、輪渡等特種船舶來說，電力推進運行效率遠比機械推進的效率高。如中國專利文獻CN1845847A中公開了一種用于船只或者其他移動式海上航行結構的推進系統(tǒng)，如圖1所示，具有一個用來使發(fā)電機14運行的驅動機構17，該發(fā)電機連接到與推進器12或者類似的推進裝置相連的電力推進電動機11。此外，還包括一個變頻器16，以穩(wěn)定的頻率從發(fā)電機向消耗網絡供電。但是，該電力推進的方式目前仍面臨如下問題:首先，需要增加發(fā)電機、變頻器和推進電機，不僅初始投資大、效率低，而且推進系統(tǒng)的體積和重量也要大幅增加。此外，變頻器工作時會產生諧波，對船網存在干擾。

【發(fā)明內容】

[0004]為此，本發(fā)明所要解決的技術問題在于現(xiàn)有技術中的電力推進方式需要增加發(fā)電機、變頻器和大功率推進電機，不僅投資大、重量和體積增加，而且存在干擾，從而提出一種成本低、重量和體積小、無干擾的磁耦合推進系統(tǒng)。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明的提供一種船舶磁耦合推進系統(tǒng)，包括原動機、磁耦合調速器、推進電機、控制裝置和推進機構，所述磁耦合調速器包括磁轉子和繞組轉子，所述磁耦合調速器的輸入軸和輸出軸分別連接所述磁轉子和所述繞組轉子；其中，
[0006]所述原動機的輸出軸與所述磁耦合調速器的輸入軸相連接，使得所述原動機能夠帶動所述磁轉子旋轉；
[0007]所述磁耦合調速器的輸出軸與所述推進電機的輸入軸相連接，使得所述繞組轉子能夠帶動所述推進電機旋轉；
[0008]所述磁耦合調速器的繞組轉子的繞組和所述推進電機的繞組分別與所述控制裝置相連接，使得所述繞組轉子的繞組中產生的電流通過控制裝置為推進電機供電；
[0009]所述推進電機的輸出軸與所述推進機構連接。
[0010]此外，本發(fā)明還提供一種磁耦合推進系統(tǒng)，包括原動機、磁耦合調速器、推進電機、控制裝置和推進機構，所述磁耦合調速器包括磁轉子和繞組轉子，所述磁耦合調速器的輸入軸和輸出軸分別連接所述磁轉子和所述繞組轉子，所述推進機構包括第一推進機構和第二推進機構，其中
[0011]所述原動機的輸出軸與所述磁耦合調速器的輸入軸相連接，使得所述原動機能夠帶動所述磁轉子旋轉；
[0012]所述磁耦合調速器的輸出軸與所述第一推進機構)相連接，使得所述繞組轉子能夠帶動所述第一推進機構；
[0013]所述磁耦合調速器的繞組轉子的繞組和所述推進電機的繞組分別與所述控制裝置相連接，使得所述繞組轉子的繞組中產生的電流通過控制裝置為所述推進電機供電；
[0014]所述推進電機的輸出軸與所述第二推進機構連接。
[0015]優(yōu)選地，所述第一推進機構和所述第二推進機構均為主推進機構，互為備用。
[0016]優(yōu)選地，所述第一推進機構包括主推進機構，所述第二推進機構包括側推進機構。
[0017]優(yōu)選地，所述原動機的輸出軸還與一個發(fā)電機的轉軸連接，所述發(fā)電機還與所述控制裝置連接。
[0018]優(yōu)選地，所述原動機的輸出軸與所述發(fā)電機的轉軸通過皮帶連接。
[0019]優(yōu)選地，所述原動機的輸出軸與所述發(fā)電機的轉軸在同一軸線上連接。
[0020]優(yōu)選地，所述控制裝置通過控制磁耦合調速器中繞組轉子的繞組電流的大小來調節(jié)磁親合調速器輸出的轉矩和轉速。
[0021]此外，本發(fā)明還提供一種項所述的磁耦合推進系統(tǒng)在船舶推進上的應用。
[0022]本發(fā)明的上述技術方案相比現(xiàn)有技術具有以下優(yōu)點，
[0023](I)本發(fā)明所述的磁耦合推進系統(tǒng)，包括原動機、磁耦合調速器、推進電機、控制裝置和推進機構，磁耦合調速器包括磁轉子和繞組轉子，原動機可以運行在最優(yōu)的速度定速運行，其中的磁耦合調速器在傳遞轉矩的同時產生電能，該電能給推進電機提供電源，因此該船舶磁耦合推進系統(tǒng)的推進轉矩是由磁耦合調速器和推進電機聯(lián)合產生的，整體上提高了能源的利用率。由于磁耦合調速器可以調節(jié)輸出的電能和扭矩，因此可以使原動機定速運行，保持在最優(yōu)的運行狀態(tài)，提高原動機的效率。此外，推進電機所需的電能是磁耦合調速器自身產生的，因此與船網沒有任何聯(lián)系，不存在電磁干擾的問題。在優(yōu)化的方案中，當推進電機的功率需求小的時候，則可以使用體積小的電機，還可以將推進電機與磁耦合調速器設計為一個整體，節(jié)約空間。磁耦合推進以遠遠低于電力推進的成本，獲得與電力推進相似的操縱性。該船舶磁耦合推進系統(tǒng)的傳動方式為隔離傳動，使得振動和噪聲大大降低，并且不需要精確對中，其運行效率、電磁兼容性等遠遠優(yōu)于采用電力推進的系統(tǒng)，是一種低成本、高性能的船舶推進解決方案。
[0024]此外，本發(fā)明中的推進系統(tǒng)，其發(fā)電功率的計算方式如下:忽略各種損耗，以標幺值來計算整個推進系統(tǒng)的功率分配。假設螺旋槳轉速為n，則推進功率為n3，磁耦合調速器的輸入端功率也是η3。推進的轉矩為η2，而磁親合調速器2輸入端轉矩為η3。磁親合調速器2提供的轉矩與輸入端轉矩相等，為η3。則電力推進的轉矩為(η2-η3)，電力推進功率為(η3-η4)。當η等于3/4時，這個函數(shù)得到最大值27/256，即約11%的額定功率。由于省去了至少89%額定功率的發(fā)電、變頻和電動三個環(huán)節(jié)，整體效率遠遠高于電力推進。假設發(fā)電效率為96%，變頻效率98%，電動機效率96%，則總效率為90.3%。損耗為(1-90.3% )*89%=8.63%,如果采用本發(fā)明中的磁耦合推進，這些損耗都是可以避免的，節(jié)能的意義不言而喻?？梢?，本發(fā)明所述的磁耦合推進系統(tǒng)，推進力中最多11%來自電力推進，其余都來自永磁調速耦合器，避免了發(fā)電過程中發(fā)電機、變頻器等造成的能量損耗，大大節(jié)約了能源。由于省去了至少89%額定功率的發(fā)電、變頻和電動三個環(huán)節(jié)，整體效率要遠遠高于電力推進。本方案中無需使用發(fā)電機和變頻器，而本方案中的控制裝置和輔助電動機損耗低，易制造，成本也遠遠低于電力推進，其調速能力則完全可以與電力推進方式相媲美。
[0025](2)本發(fā)明所述的磁耦合推進系統(tǒng)，所述原動機的輸出軸還與一個發(fā)電機的轉軸連接，所述發(fā)電機還與所述控制裝置連接，原動機的輸出軸與所述發(fā)電機的轉軸通過皮帶連接，或者所述原動機的輸出軸與所述發(fā)電機的轉軸在同一軸線上直接連接。由于繞組轉子的轉動方向唯一，只能向磁轉子相反的方向運動，因此，磁耦合調速器的輸出方向是單向的，推進機構只能向一個方向運轉，雖然可以通過調整推進機構的使其轉動反向換向，但結構比較復雜，在本方案中，在原動機的輸出軸端加了一個發(fā)電機，當需要換向時，控制磁耦合調速器的繞組轉子斷開，通過發(fā)電機帶動推進電機運動，實現(xiàn)了推進電機輸出軸的換向，使得推進機構可以正向或反向轉動。
[0026](3)本發(fā)明所述的磁耦合推進系統(tǒng)，其中的磁耦合調速器可以直接連接一個推進機構，推進電機連接另一個推進機構。這兩個推進機構可以是兩個主推進螺旋槳，其中一個由耦合調速變速器提供動力，另一個由推進電機提供動力，互為備用或者共同作用，互為備用時可以在其中一個推進機構發(fā)生故障時，另外一個仍能工作，提高安全性能；共同作用時使