基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统及控制运行方法与流程

1.本发明属于船舶动力技术领域，涉及基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统及控制运行方法，具体地说是涉及一种主机恒速恒功率运行，系统输出自适应螺旋桨特性，利用双转子电机电磁转矩-转差功能，通过功率分配器、电池组进行主机输出功率吐纳，以提高燃油效率，节能为目的的船舶混合动力系统及运行方法。


背景技术：

2.内河船舶航行的特点是航行工况复杂多变，航行推进功率频繁大幅变化，实际平均推进功率远远小于装船总功率，且存在主机怠速运行工况，导致船舶主机单位功率油耗大大高于最小单位功率油耗。
3.目前内河船舶通常采用传统主机轴系推进系统、纯柴电推进系统和带储能的柴电为主的混合推进系统和纯电池推进系统。上述推进系统在目前内河船舶航行工况中存在以下不足。
4.内河传统主机轴系推进系统：主机绝大部分时间不在额定工况运行，主机平均输出功率远小于最小单位功率油耗输出功率，每单位功率油耗远高于最小值；主机输出功率频繁变化，主机在不同输出功率转换过程中，单位功率油耗平均值远远高于稳定运行工况油耗；主机存在大量怠速运行情况，空耗油而不输出功率。
5.纯柴电推进系统：发电机组可分档分批入列解列，缩小了输出功率和需用功率之间的差距，但发电机组内燃机未能在额定工况运行以及输出功率不断变化与传统主机轴系推进系统的主机工况趋同。
6.带储能的柴电为主的混合推进系统：通过储能系统的消纳，可使发电机组处于不同输出功率下的最佳单位功率油耗或不同转速下的最佳单位功率油耗，但不能使发电机组内燃机恒转速恒功率输出。
7.纯电推进虽是解决船舶节能和环保的方向，但目前电池的能量密度不能满足相对大功率长航程续航力的要求，只能用于相对小功率短航程的船舶，且电池需用大，成本高，经济效益差。
8.目前转差电磁离合器在高转差率低转速输出时，因大部分能量消耗于绕组大电流发热，传动效率低。


技术实现要素：

9.本发明针对目前内河船舶现有推进系统在内河船舶航行实际工况中存在的不足，提出基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统及控制运行方法，适用于平均推进功率远小于装船总功率且航行工况大幅频繁变化的船舶，尤其是内河航行船舶，可大大提高燃油效率，进一步实现节能。
10.本技术提供的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统采用如下
技术方案：
11.基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统：所述系统由主机、传动轴系、离合器、双转子电机、齿轮箱、螺旋桨、功率分配器、电池组、电池充放装置、直流母线、逆变器、变压变频器、中央控制单元组成；所述双转子电机由外转子和内转子构成，所述外转子和内转子上分别设有三相绕组或永磁体，所述双转子电机外侧连接设有外转子电刷换向器、外转子制动器和内转子电刷换向器；三相绕组通过电刷换向器以三相交流线路分别连接变压变频器和功率分配器；
12.所述功率分配器由绕组匝数调节器、电压电能转换原边绕组、电压电能转换副边绕组、整流器组成；所述电压电能转换原边绕组与电压电能转换副边绕组组成电压电能转换器；
13.所述主机、离合器、双转子电机、齿轮箱、螺旋桨依次通过传动轴系连接；
14.所述逆变器与变压变频器之间通过三相交流线路连接；
15.所述功率分配器、电池充放装置、逆变器与直流母线之间通过直流线路连接，所述电池充放装置与电池组之间通过直流线路连接；
16.所述主机、离合器、齿轮箱、双转子电机、绕组匝数调节器、整流器、电池组、电池充放装置、逆变器、变压变频器分别通过控制信号线路与中央控制单元连接。
17.通过采用上述技术方案，形成了一个可实现船舶从柴电+储能混动到纯电力推进的混合动力系统，通过双转子电机、功率分配器、电池组的动作，可实现自适应螺旋桨特性无级变速功能、主机输出全功率在机械能和电能储存之间的分配功能、主机恒速恒功率运行功能，使得主机始终在单位功率最小油耗工况运行并且输出功率完全充分利用，通过电池组、逆变器、变压变频器、双转子电机动作实现纯电推进功能，大大提高主机燃油能源利用效率，提高了节能效果。
18.进一步的，所述双转子电机中的外转子内侧安装外转子三相绕组，内转子外圆上安装内转子永磁体，外转子三相绕组通过外转子电刷换向器以三相交流线路分别连接变压变频器和功率分配器。
19.通过采用上述技术方案，外转子三相绕组切割内转子永磁体磁场产生电动势及电流，此电流一方面与内转子永磁磁场作用产生电磁转矩驱动螺旋桨，另一方面外转子三相绕组闭合线路电流经过电压电能转换原边绕组并产生磁通，从而使电压电能转换副边绕组经整流器输出给直流母线实现发电输出，输给直流母线的电能经电池充放装置给电池组充电将发电电能储存起来，通过绕组匝数调节器改变电压电能转换原边绕组匝数，调节双转子电机给螺旋桨的推进功率和输送给直流母线发电功率之间的分配；同时也通过双转子电机转差率及双转子电机输出转速与双转子电机输出扭矩与螺旋桨阻扭矩差值的互动关系实现对螺旋桨转速的自适应无级变速。
20.进一步的，所述双转子电机中的外转子上安装外转子永磁体，内转子上安装内转子三相绕组，内转子三相绕组通过内转子电刷换向器分别与变压变频器和功率分配器连接。
21.通过采用上述技术方案，外转子永磁体由主机驱动产生机械旋转磁场，内转子绕组切割外转子机械旋转磁场产生电流，此电流一方面与机械旋转磁场作用产生电磁转矩驱动螺旋桨，一方面通过电压电能转换器原边和副边绕组发电向直流母线提供电能给电池组
充电，通过调节电压电能转换器原边绕组的匝数实现主机输出功率在驱动螺旋桨机械功率和输送直流母线发电功率的分配。
22.进一步的，所述双转子电机中的外转子和内转子上分别设置外转子三相绕组和内转子三相绕组，外转子三相绕组通过外转子电刷换向器连接变压变频器，内转子三相绕组通过内转子电刷换向器连接功率分配器。
23.通过采用上述技术方案，可对外转子提供三相交流励磁电流，此励磁电流产生的旋转磁场转向与外转子受主机驱动的转向一致，形成外转子复合旋转磁场，使内转子三相绕组切割外转子旋转磁场产生电动势，并在内转子三相绕组与电压电能转换原边绕组形成闭合回路中产生电流，此电流与外转子旋转磁场共同作用，产生电磁转矩，从而使内转子经过齿轮箱驱动螺旋桨。通过调节电压电能转换原边绕组匝数，实现主机输出全功率在双转子电机给螺旋桨的推进功率和输送给直流母线发电功率之间的分配；同样，同时或分别调节供给外转子的三相电的电压和频率，也可改变实现双转子电机输出扭矩和转速的改变并同时改变螺旋桨的推进功率和输送给直流母线发电功率之间的分配。
24.进一步的，所述双转子电机与齿轮箱之间连接设有差动轮系，差动轮系有且只有两个自由度。
25.通过采用上述技术方案，设置差动轮系来放大双转子电机的输出电磁扭矩，相对减小双转子电机三相绕组的电流，从而减小了双转子电机三相绕组大电流造成的电机损耗，进一步提高了节能效果。
26.进一步的，所述差动轮系由太阳轮运动组件、行星架运动组件、齿圈运动组件三组功能独立的运动组件构成，太阳轮运动组件由太阳轮组成，通过传动轴系连接内转子，作为第一输入组件；行星架运动组件由行星轮和行星架组成，通过传动轴系连接齿轮箱、螺旋桨，作为输出组件；齿圈运动组件由齿圈一、齿圈二、传动轮一、传动轮二和传动轮三组成，与外转子连接，作为第二输入组件；传动轮一的中心转轴、传动轮二的中心转轴一端均与机体固定；第一输入组件输入转速时输出组件的转速方向与第二输入组件输入转速时输出组件的转速方向相同；第二动力输入组件输入转速时经过传动轮一、传动轮二和传动轮三进行加速，以减小双转子电机电磁扭矩。
27.通过采用上述技术方案，通过差动轮系输出组件输出转速自适应螺旋桨负载特性无级变速，从而在系统主机运行时使系统主机以恒速恒功率在最小单位功率油耗运行，进一步提高节能效果。
28.进一步的，所述双转子电机采用交流异步电机，交流异步电机由定子、转子组成，定子内侧安装定子三相绕组，转子外圆上安装转子三相绕组；太阳轮运动组件通过传动轴系连接离合器及主机，作为第一输入组件，行星架运动组件通过传动轴系连接齿轮箱、螺旋桨；齿圈运动组件与转子连接，作为第二输入组件；定子三相绕组用三相交流线路连接变压变频器；转子三相绕组经转子电刷换向器用三相交流线路连接功率分配器；第一输入组件输入转速时输出组件的转速方向与转子驱动第二输入组件输入转速时输出组件的转速方向相同；第二动力输入组件输入转速时经过传动轮一和传动轮二进行加速，以减小交流异步电机电磁扭矩。
29.通过采用上述技术方案，差动轮系第二输入组件有变速作用，使得交流异步电机电磁扭矩大大减小，减小三相绕组大电流损耗；同时定子不旋转，加强了系统机械稳定性，
减小了机械惯性损耗。
30.进一步的，所述电池组留有备用空间和系统扩展接口，使系统具有扩散性。
31.通过采用上述技术方案，备用空间满足系统进一步的扩展需求，可通过增加电池数量和或增加电池单位能量密度来使电池组能储存更多的电能；系统扩散接口的设置可方便实现电池组携带和存储电能容量的扩大，为一次航行全部由电池组携带和提供所有能量的可能性作准备。
32.本技术提供的电机转差与差动轮系共轭作用的节能混动系统控制运行方法采用如下技术方案：
33.主机输出功率和双转子电机的电动功率分别都能满足全船推进动力需求，系统分：电池组主机运行充电、电池组放电、码头充电三种工作模式；电池组主机运行充电和电池组放电两种工作模式之间的相互转换条件为：必须要达到设定的最高电池荷电状态时才能转入放电模式，必须要达到设定的最低电池荷电状态时才能转入充电模式，如此避免主机的频繁启停；电池组主机运行充电工作模式：离合器接合，外转子制动器脱开，主机恒功率恒转速运行，驱动双转子电机、外转子及外转子三相绕组旋转，此时内转子受螺旋桨阻力而静止或转速远小于外转子，使得外转子三相绕组切割内转子永磁体磁场产生电动势，并在外转子三相绕组与电压电能转换原边绕组形成闭合回路中产生电流，此电流与内转子永磁体磁场共同作用，产生电磁转矩，从而使内转子经过齿轮箱驱动螺旋桨；同时此外转子三相绕组闭合线路电流也经过电压电能转换原边绕组并产生磁通，从而使电压电能转换副边绕组经整流器输出给直流母线实现发电输出，其输给直流母线的电能经电池充放装置给电池组充电将发电电能储存起来；通过绕组匝数调节器改变电压电能转换原边绕组的匝数，也即改变内转子等效阻抗的大小，在调节螺旋桨扭矩和转速的同时实现主机输出的全功率在双转子电机给螺旋桨的推进功率和输送给直流母线发电功率之间的分配，当电压电能转换原边绕组匝数调节为最大且双转子电机输出扭矩小而不能驱动螺旋桨时，主机输出功率全部用于发电给电池组充电并储存，此时双转子电机等同于一台发电机，当电压电能转换原边绕组匝数调节为零时，外转子三相绕组相当于短路，没有发电功率输出，双转子电机输出扭矩最大，主机输出功率全部用于驱动螺旋桨，此时双转子电机等同于一台电动机；当外转子和内转子都安装三相绕组时，同样，同时或分别调节供给外转子的三相电的电压和频率，也可改变实现双转子电机输出扭矩和转速的改变并同时改变螺旋桨的推进功率和输送给直流母线发电功率之间的分配；同时也通过双转子电机转差率及双转子电机输出转速与双转子电机输出扭矩与螺旋桨阻扭矩差值的互动关系实现对螺旋桨转速的自适应无级变速；
34.电池组放电工作模式：主机停止运转，离合器脱开，外转子制动器接合使外转子与机座固定不产生旋转，调节电压电能转换原边绕组的匝数至零，使外转子三相绕组处于闭合短路状态；电池组提供电能经电池充放装置、直流母线、逆变器和变压变频器供给外转子三相交流电，此时双转子电机等同于交流同步永磁电动机，电池组电能通过双转子电机转变为机械能驱动螺旋桨；通过改变供给外转子三相交流电的电压和频率，以调节输出给螺旋桨的扭矩和转速；
35.码头充电工作模式：码头岸电通过直流母线、电池充放装置给电池组充电，动力系统其它部分停止不工作；
36.动力系统倒车功能通过齿轮箱换向实现。
37.综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
38.(1)本发明通过对主机输出全功率进行充电电能和驱动机械能分配，通过双转子电机输出转速自适应螺旋桨负载特性无级变速，在系统主机运行时使得系统主机以恒速恒功率在最小单位功率油耗运行，节能效果显著。
39.(2)本发明可避免系统主机怠速空耗油的工况，可节省主机怠速时的油耗。
40.(3)本发明中电池组在主机运行时对主机输出功率与螺旋桨需求功率差额进行储能，在纯电动时释放给螺旋桨使用，实现主机输出功率的全部利用。
41.(4)本发明在电机高转差率时，将内转子或外转子通过电流电压电能转换装置发电储存，可避免差速电磁离合器在输出低转速时效率低的问题。
42.(5)本发明解决了纯电推进因电池能量密度不足导致续航里程短的问题大大提升了系统燃油利用率，同时系统电池组备有扩展空间和接口，为从柴电混动过渡到纯电动力提供了方法和途径。
43.(6)本发明应用于推进功率大幅频繁变化及实际平均使用推进功率远远小于全船装船总功率的船舶中，节能效果明显；应用于相对大功率长航程的内河船舶，其节能效果更为显著。
附图说明
44.图1为外转子三相绕组+内转子永磁体结构形式的系统示意图。
45.图2为内转子三相绕组+外转子永磁体结构形式的系统示意图。
46.图3为内转子三相绕组+外转子三相绕组结构形式的系统示意图。
47.图4为外转子三相绕组+内转子永磁体+差动轮系结构形式的系统示意图。
48.图5为外转子三相绕组+内转子三相绕组+差动轮系结构形式的系统示意图。
49.图6为交流异步电机+差动轮系机构形式的系统示意图。
50.图7为双转子电机内转子串阻抗机械特性图。
51.图8交流异步电机定子串阻抗机械特性图。
52.图中：主机1、轴系2、离合器3、双转子电机4、外转子41、外转子三相绕组411、外转子永磁体412、内转子42、内转子永磁体421、内转子三相绕组422、外转子电刷换向器43、外转子制动器44、内转子电刷换向器45、齿轮箱5、螺旋桨6、功率分配器7、绕组匝数调节器71、电压电能转换原边绕组72、电压电能转换副边绕组73、整流器74、电池组8、电池充放装置9、直流母线10、逆变器11、变压变频器12、中央控制单元13、差动轮系14、太阳轮141、行星轮142、行星架143、齿圈一144、齿圈二145、传动轮一146、传动轮二147、传动轮三148、交流异步电机15、定子151、定子三相绕组152、转子153、转子三相绕组154、转子电刷换向器155、太阳轮制动器156。
具体实施方式
53.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明专利而不用于限制本发明专利的范围，在阅读了本发明专利之后，本领域技术人员对本发明专利的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
54.实施例1
55.如图1所示，系统由主机1、传动轴系2、离合器3、双转子电机4、齿轮箱5、螺旋桨6、功率分配器7、电池组8、电池充放装置9、直流母线10、逆变器11、变压变频器12、中央控制单元13组成；双转子电机4由外转子41、内转子42、外转子电刷换向器43、外转子制动器44组成，在外转子41内圈装有外转子三相绕组411，在内转子42外圆装有内转子永磁体421；功率分配器7、绕组匝数调节器器71、电压电能转换原边绕组72、电压电能转换副边绕组73、整流器74组成；主机1、离合器3、双转子电机4、齿轮箱5、螺旋桨6依次通过传动轴系2连接，外转子三相绕组411通过外转子电刷换向器43用三相交流线路分别连接变压变频器12和功率分配器7，逆变器11和变压变频器12之间用三相交流线路连接，功率分配器7、电池充放装置9、逆变器11与直流母线10之间用直流线路连接，电池充放装置9与电池组8之间用直流线路连接；主机1、离合器3、齿轮箱5、双转子电机4、功率分配器7内绕组匝数调节器71及整流器74、电池组8、电池充放装置9、逆变器11、变压变频器12分别通过控制信号线路与中央控制单元13连接。如图1所示，外转子制动器44接合时，使外转子41与船体基座固定，并能承受传递给螺旋桨的相应扭矩。齿轮箱5将双转子电机4的输出转速按固定传动比减速后传给螺旋桨6。
56.如图1所示，电池组8留有备用空间和系统接口，具有扩展功能，为电池组8从码头岸电带走更多电能作准备。通过增加电池数量和或增加电池单位能量密度来使电池组能储存更多的电能，每次离港时电池组8在码头通过岸电充电带走的电量越多，一个航次中主机燃用燃料就越少，当电池能量密度大到在有限空间里的电池组8所储存的电量能满足一次航程的需要，则整个航程就不用启动主机，实现纯电池电力推进航行。
57.如图1所示，电池组8的直流电能可由电池充放装置9、直流母线10，经逆变器11转为三相交流电，再经变压变频器12变频变压后供给外转子41三相交流电，变压变频器12可分别或同时对提供三相交流电的电压和频率进行调节。
58.如图1所示，电压电能转换原边绕组72、电压电能转换副边绕组73组成电压电能转换器，实际等同于一个变压器。变压器原边绕组的等效阻抗等于原边绕组匝数的平方除以副边绕组匝数的平方再乘以副边绕组阻抗，即原边绕组阻抗与原边绕组匝数平方成正比，也就是改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数就可相应改变电压电能转换原边绕组72的等效阻抗。因电压电能转换原边绕组72与外转子三相绕组411形成闭合回路，改变电压电能转换原边绕组72的等效阻抗就是改变了外转子三相绕组411阻抗。
59.如图1所示，当主机1驱动外转子41旋转，内转子42静止或以较低转速同向旋转，在外转子41与内转子42之间就产生相对转速或转速差，而内转子永磁体421生成永磁磁场，此永磁磁场与外转子41与内转子42之间的相对转速结合，对外转子三相绕组411形成同步转速为主机转速的旋转磁场，同时外转子三相绕组411与电压能量转换原边绕组72形成闭合回路并切割内转子永磁体421形成磁场产生电流，此时双转子电机就等同于一个三相交流异步电机。根据三相交流异步电机电磁转矩公式：
[0060][0061]
公式(1)中：t为电磁转矩，t
max
为最大电磁转矩，s为转差率，sm是最大电磁扭矩对应的转差率。最大电磁转矩t
max
与励磁电压和频率有关，因本实施例中内转子磁场是由永磁
体产生，因此视为励磁电压和频率不变，故最大电磁转矩t
max
不变。由公式(1)可知，电机电磁转矩与转差率s、是最大电磁扭矩对应的转差率sm有关。根据交流异步电机最大电磁扭矩对应的转差率sm计算公式：
[0062][0063]
公式(2)中：r1为定子主阻抗，r2为转子主阻抗，x1为定子漏阻抗，x2为转子漏阻抗，本实施例中内转子42相当于定子，外转子41相当于转子，因内转子是永磁体，因此r1为零，因x1和x2小且相对不变，则最大电磁扭矩对应的转差率sm的大小直接与r2有关，即外转子三相绕组411的主阻抗有关。当增大外转子三相绕组411的阻抗，就会增大最大电磁扭矩对应的转差率sm，最大电磁扭矩对应的转差率sm的增大就会改变电机电磁扭矩也就是改变双转子电机的输出扭矩。本实施例中通过改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数来改变电压电能转换原边绕组72的等效阻抗，因电压电能转换原边绕组72与外转子三相绕组411形成闭合回路，改变电压电能转换原边绕组72等效阻抗就是改变外转子三相绕组411阻抗，从而改变双转子电机的输出扭矩；与此同时，电压电能转换器原边72线圈匝数变化导致电压电能转换器原边72线圈产生的主磁通变化，进一步导致电压电能转换器副边73因主磁通变化而发电输送给直流母线10的功率变化，电压电能转换器原边72线圈匝数越大，主磁通就越强，电压电能转换器副边73发电输送给直流母线10的功率就越大。
[0064]
如图1所示，绕组匝数调节器71从c点向a点变化是减小电压电能转换器原边72线圈匝数，从c点向b点变化是增加电压电能转换器原边72线圈匝数，在a点电压电能转换器原边72线圈匝数为零，在b点电压电能转换器原边72线圈匝数为最大。
[0065]
如图7所示，为双转子电机4不同外转子三相绕组阻抗x2对应的机械特性图。图中：t轴表示输出扭矩，t
max
表示最大输出扭矩，n轴表示输出转速，n1表示同步转速，sm表示最大输出扭矩时的转差率，x
24
＞x
23
＞x
22
＞x
21
，由图7可知，当外转子三相绕组411阻抗变小时，双转子电机输出转速会上升。
[0066]
本实施例中，主机1输出功率和双转子电机4的电动功率分别都能满足全船推进动力需求；在忽略损耗的情况下，内转子永磁体421产生的磁通量能满足：在双转子电机4为纯发电状态时能将主机1输出功率全部转化为发电功率，双转子电机4为纯电动状态时能将主机1输出功率全部转化为螺旋桨驱动功率。其具体控制运行方法为：
[0067]
系统分为电池组主机运行充电和电池组放电和码头充电三种工作模式。电池组主机运行充电和电池组放电两种工作模式之间的相互转换为：电池组8充电必须要达到规定的最高soc(电池荷电状态)才能转入放电模式，电池组8放电必须要达到规定的最低soc才能转入充电模式，避免主机1的频繁启停。
[0068]
电池组主机运行充电工作模式：离合器3接合，外转子制动器44脱开，绕组匝数调节器71处于b点位置，即电压电能转换器原边72线圈匝数最大位置，主机1恒功率恒转速运行，驱动外转子41及外转子三相绕组411旋转，外转子三相绕组411切割内转子永磁磁场，产生电动势，因外转子三相绕组411与电压电能转换器原边72线圈形成闭合回路产生电流，此时电压电能转换器原边72线圈匝数最大，因此外转子三相绕组411阻抗最大，回路电流较小，内转子输出扭矩不够，不足以驱动螺旋桨而使内转子处于静止状态，此时主机输出功率
全部发电经电压电能转换器转换对电池组8充电；绕组匝数调节器71由b点向a点移动，并停留在b点与a点之间，即减小电压电能转换器原边72线圈匝数，此时外转子三相绕组411阻抗减小，电流增大，双转子电机4输出扭矩也增加到一定数值，双转子电机4输出扭矩与螺旋桨阻扭矩进行比较，如双转子电机4输出扭矩大于螺旋桨6启动扭矩则螺旋桨6开始旋转，螺旋桨转速/内转子转速增加会减小双转子电机4的转差率，转差率的减小又会减小双转子电机4的输出扭矩，同时因螺旋桨6是风机型负载，扭矩随转速增加而增加，螺旋桨转速增加也使螺旋桨阻扭矩增加，随着转差率减小双转子电机4的输出扭矩不断下降和螺旋桨6因转速上升阻扭矩不断增加的进行，双转子电机4的输出扭矩与螺旋桨阻扭矩之间的差额不断减小，当两者相等时螺旋桨6转速不再上升，双转子电机4转差率不再下降，双转子电机4的输出转速在进行了自适应螺旋桨特性的变速调整后，系统进入了一个均衡状态。此时主机输出的全部功率中，忽略损耗，一部分转化机械能驱动螺旋桨6，剩余部分发电经电压电能转换器给电池组8充电并将电能储存在电池组8中。
[0069]
在达到上述系统均衡状态后，若螺旋桨阻扭矩变大，双转子电机4的输出扭矩会小于螺旋桨阻扭矩则使螺旋桨6转速下降，螺旋桨6转速下降会导致螺旋桨阻扭矩下降，同时也使双转子电机4转差率上升，转差率上升又会导致双转子电机4输出扭矩上升，随着转差率上升双转子电机4的输出扭矩不断增加和螺旋桨6因转速下降阻扭矩不断减小的进行，双转子电机4的输出扭矩与螺旋桨阻扭矩之间的差额不断减小，当两者相等时螺旋桨转速不再下降，双转子电机4转差率不再上升，双转子电机4的输出转速在进行了自适应螺旋桨特性的变速调整后，系统进入了一个新的均衡状态。在达到上述系统均衡状态后，若螺旋桨阻扭矩变小，情况亦然。
[0070]
在系统达到均衡状态后，若绕组匝数调节器71继续向a点移动，则会进一步加大输出给螺旋桨6的扭矩、转速及功率，并同时减小双转子电机4发电及给电池组8的充电功率，直至绕组匝数调节器71到达a点位置，主机1输出功率全部用于驱动螺旋桨6；若绕组匝数调节器71向b点移动，则会减少输出给螺旋桨6的扭矩、转速及功率，并同时加大双转子电机4发电及给电池组8的充电功率，直至绕组匝数调节器71到达b点位置，螺旋桨6不旋转，主机1输出功率全部发电给电池组8充电。
[0071]
与转差电磁离合器低速输出时绕组电流大并发热消耗导致效率低不同的是，上述双转子电机输出机械能给螺旋桨的同时，串联在外转子绕组闭合回路中的电压电能转换器将电能输出，实现发电功能，而不是将电能在自身电阻上发热消耗掉，实现了主机输出功率的全部利用。
[0072]
电池组放电工作模式：离合器3脱开，外转子制动器44接合使外转子41与机座固定不能旋转，主机1停止运转，绕组匝数调节器71调节电压电能转换原边绕组72匝数为零，即使内转子三相绕组411处于闭合短路状态；电池组8提供电能经电池充放装置9、直流母线10、逆变器11和变压变频器12供给外转子41三相交流电，此时双转子电机4等同于交流同步永磁电动机，电池组8电能通过双转子电机4转变为机械能驱动螺旋桨6；通过改变供给外转子41三相交流电的电压和频率，来调节输出给螺旋桨6的扭矩和转速。
[0073]
码头充电工作模式：码头岸电通过直流母线10、电池充放装置9给电池组8充电，动力系统其它部分停止不工作。
[0074]
动力系统倒车功能通过齿轮箱5换向实现。
[0075]
实施例2
[0076]
如图2所示，与上述实施例1不同的是，本实施例中外转子41上安装外转子永磁体412，内转子42安装内转子三相绕组422，并且内转子三相绕组422连接变压变频器12和功率分配器7；电池组主机运行充电工作模式下，当外转子永磁体412由主机1驱动产生机械旋转磁场，内转子三相绕组422切割外转子41机械旋转磁场产生电流，此电流一方面与机械旋转磁场作用产生电磁转矩驱动螺旋桨6，一方面通过电压电能转换器原边绕组72和副边绕组73发电向直流母线10提供电能给电池组充电，通过调节电压电能转换器原边绕组72的匝数在调节螺旋桨扭矩和转速的同时实现主机输出功率在驱动螺旋桨机械功率和输送直流母线发电功率的分配。
[0077]
在电池组放电工作模式下，电池组8通过逆变器11、变压变频器12给内转子42提供三相交流电与外转子永磁体412磁场相互作用，此时双转子电机4等同于交流同步永磁电动机，通过改变供给外转子三相交流电的电压和频率，来调节输出给螺旋桨的扭矩和转速。系统其它组成和控制运行原理与实施例1相同，本实施例中不再赘述。
[0078]
实施例3
[0079]
如图3所示，与上述实施例1不同的是，本实施例中内转子42上安装内转子三相绕组422而不是内转子永磁体421，且功率分配器7与内转子三相绕组422连接而不是与外转子三相绕组411连接；电池组主机运行充电工作模式下，主机1驱动外转子41，内转子42连接螺旋桨6，直流母线10将电池组8电源经逆变器11、变压变频器12给双转子电机的外转子41提供三相交流励磁电流，此励磁电流产生的旋转磁场转向与外转子41受主机1驱动的方向一致，结合外转子41机械旋转，形成外转子复合旋转磁场，此时内转子42受螺旋桨6阻力而静止或转速远小于外转子41，使得内转子三相绕组422切割外转子41旋转磁场产生电动势，并在内转子三相绕组422与电压电能转换原边绕组72形成闭合回路中产生电流，此电流与外转子旋转磁场共同作用，产生电磁转矩，从而使内转子42经过齿轮箱5驱动螺旋桨6；同时此内转子三相绕组422闭合线路电流也经电压电能转换原边绕组72产生磁通，从而使电压电能转换副边绕组73经整流器74输出给直流母线10实现发电输出，此输给直流母线10的电能一部分经逆变器11、变压变频器12输送给外转子三相绕组411作为励磁三相交流电，剩余部分经电池充放装置9给电池组8充电；通过绕组匝数调节器改变电压电能转换原边绕组72匝数，也即改变内转子42等效阻抗的大小，在调节螺旋桨扭矩和转速的同时实现主机输出全功率在双转子电机给螺旋桨的推进功率和输送给直流母线发电功率之间的分配；同时也通过双转子电机转差率及双转子电机输出转速与双转子电机输出扭矩与螺旋桨阻扭矩差值的互动关系实现对螺旋桨转速的自适应无级变速；除了通过改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数实现螺旋桨扭矩和转速的变化及双转子电机输出给螺旋桨功率与发电功率之间比例变化，在电能转换原边绕组72的线圈匝数不变的情况下，通过分别或同时调整外转子三相绕组励磁三相电的电压和频率也可能实现螺旋桨扭矩和转速的变化及双转子电机输出给螺旋桨功率与发电功率之间比例变化，双转子电机输出扭矩与励磁电压平方成正比，当电能转换原边绕组72的线圈匝数不变，励磁三相电频率不变，励磁电压增加，内转子电流增加，双转子电机输出扭矩增加，双转子电机与螺旋桨之间进行自适应调速，使螺旋桨转速增加，同时内转子电流增加也导致双转子电机发电功率加大，当电能转换原边绕组72的线圈匝数不变，励磁三相电频率加大，励磁电压不变，双转子电机输出转速增加，内转子
电流减小，输出扭矩也减小，双转子电机与螺旋桨之间进行自适应调速，使螺旋桨转速减小，同时内转子电流减小也导致双转子电机发电功率减小，同时调节外转子励磁三相电电压和频率，可实现主机输出全功率在驱动螺旋桨功率和发电功率之间的比例变化，同时改变驱动螺旋桨的扭矩和转速。
[0080]
在电池组放电工作模式下，电池组8提供电能经电池充放装置9、直流母线10、逆变器11和变压变频器12供给外转子三相交流电，绕组匝数调节器调节电压电能转换原边绕组72匝数至零，使内转子三相绕组422处于闭合短路状态，此时双转子电机等同于交流异步电动机，电池组电能通过双转子电机转变为机械能驱动螺旋桨；通过改变供给外转子三相交流电的电压和频率，来调节输出给螺旋桨的扭矩和转速；同时也可通过双转子电机转差率及双转子电机输出转速与双转子电机输出扭矩与螺旋桨阻扭矩差值的互动关系实现对螺旋桨转速的自适应无级变速。
[0081]
系统其它组成和控制运行原理与上述实施例1相同，本实施例中不再赘述。
[0082]
实施例4
[0083]
如图4所示，与上述实施例1-3不同的是，本实施例系统中在双转子电机4与齿轮箱5之间增设了差动轮系14，使同样的系统输出扭矩情况下，双转子电机电磁扭矩大大减小，减小了因双转子电机三相绕组大电流造成的损耗。如图4所示，在外转子41内圈装有三相绕组411，在内转子42外圆装有内转子永磁体421；差动轮系14有且只有两个自由度，由太阳轮运动组件、行星架运动组件、齿圈运动组件三组功能独立的运动组件构成，太阳轮运动组件由太阳轮141组成，通过传动轴系2连接内转子42，作为第一输入组件，行星架运动组件由行星轮142和行星架143组成，通过传动轴系2连接齿轮箱5、螺旋桨6，作为输出组件，齿圈运动组件由齿圈一144、齿圈二145、传动轮一146、传动轮二147和传动轮三148组成，与外转子41连接，作为第二输入组件，传动轮一146转轴、传动轮二147转轴一端与机体固定；功率分配器7由绕组匝数调节器71、电压电能转换原边绕组72、电压电能转换副边绕组73、整流器74组成；主机1、离合器3、内转子42、差动轮系14、齿轮箱5、螺旋桨6依次通过传动轴系2连接；外转子三相绕组411经外转子电刷换向器43用三相交流线路同时连接变压变频器12和功率分配器7，逆变器11和变压变频器12之间用三相交流线路连接，功率分配器7、电池充放装置9、逆变器11与直流母线10之间用直流线路连接，电池充放装置9与电池组8之间用直流线路连接；主机1、离合器3、齿轮箱5、双转子电机4、功率分配器7内绕组匝数调节器71及整流器74、电池组8、电池充放装置9、逆变器11、变压变频器12分别通过控制信号线路与中央控制单元13连接。
[0084]
如图4所示，外转子制动器44接合时，使外转子41与船体基座固定，并能承受传递给螺旋桨的相应扭矩。齿轮箱5有换向、离合、减速功能，换向功能可实现系统的倒车，离合功能可减少对螺旋桨的冲击，减速功能是固定速比减速，将双转子电机4的输出转速按固定传动比减速后传给螺旋桨6。
[0085]
如图4所示，电池组8的直流电能可由电池充放装置9、直流母线10，经逆变器11转为三相交流电，再经变压变频器12变频变压后供给外转子41三相交流电，变压变频器12可分别或同时对励磁的电压和频率进行调节。
[0086]
如图4所示，当主机1驱动内转子42旋转，内转子永磁体421生成永磁磁场在主机驱动旋转下形成旋转磁场，外转子三相绕组411与电压能量转换原边绕组72形成闭合回路并
切割内转子永磁体421旋转磁场产生电流，此时双转子电机就等同于一个三相交流异步电机。
[0087]
本实施例通过改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数来改变电压电能转换原边绕组72的等效阻抗，因电压电能转换原边绕组72与外转子三相绕组411形成闭合回路，改变电压电能转换原边绕组72等效阻抗就是改变外转子三相绕组411阻抗，从而改变双转子电机外转子41的输出扭矩；与此同时，电压电能转换器原边72线圈匝数变化导致电压电能转换器原边72线圈产生的主磁通变化，进一步导致电压电能转换器副边73因主磁通变化而发电输送给直流母线9的功率变化，电压电能转换器原边72线圈匝数越大，主磁通就越强，电压电能转换器副边73发电输送给直流母线9的功率就越大。
[0088]
如图4所示，绕组匝数调节器71从c点向a点变化是减小电压电能转换器原边72线圈匝数，从c点向b点变化是增加电压电能转换器原边72线圈匝数，在a点电压电能转换器原边72线圈匝数为零，在b点电压电能转换器原边72线圈匝数为最大。
[0089]
本实施例中差动轮系14是有且只有两个自由度的差动轮系，差动轮系三组独立运动组件有效扭矩比固定。在本实施例中，差动轮系中oz＝3ox，即，第一输入组件与第二输入组件及输出组件的有效扭矩比为1∶3∶4，当第一输入组件实际输入扭矩与第二输入组件实际输入之比小于1/3时，输出组件扭矩是第一输入组件实际扭矩的4倍；当第二输入组件实际输入扭矩与第一输入组件实际输入之比小于3时，输出组件扭矩是第二输入组件实际扭矩的4/3倍；主机1输出扭矩分为两部分，一部通过内转子42传递给差动轮系14第一输入组件，另一部通过双转子电机4电磁扭矩经外转子41传递给差动轮系第二输入组件，最终在输出组件上合成驱动螺旋桨6；同时双转子电机外转子到第二输入组件经过了传动轮一146、传动轮二147、传动轮三148的减速，如图4所示，因oe＝3od，故外转子输出扭矩到第二输入组件时加大了三倍，有效的减小了外转子三相绕组411的电流，节省了能耗。
[0090]
本实施例中，主机1输出功率和双转子电机4的电动功率分别都能满足全船推进动力需求；在忽略损耗的情况下，内转子永磁体421能产生的磁通量能满足：在双转子电机4为纯发电状态时能将主机1输出功率全部转化为发电功率，双转子电机4为纯电动状态时能将主机1输出功率全部转化为螺旋桨6驱动功率。其具体控制运行方法为：
[0091]
系统分为电池组主机运行充电和电池组放电和码头充电三种工作模式。电池组主机运行充电和电池组放电两种工作模式之间的相互转换为：电池组8充电必须要达到规定的最高soc(电池荷电状态)才能转入放电模式，电池组8放电必须要达到规定的最低soc才能转入充电模式，避免主机1的频繁启停；
[0092]
电池组主机运行充电工作模式：离合器3接合，外转子制动器44脱开，绕组匝数调节器71处于b点位置，即电压电能转换器原边72线圈匝数最大位置，主机1恒功率恒转速运行，驱动内转子42及内转子永磁体421旋转形成旋转磁场，外转子三相绕组411切割内转子永磁体421旋转磁场，产生电动势，因外转子三相绕组411与电压电能转换器原边72线圈形成闭合回路产生电流，此时电压电能转换器原边72线圈匝数最大，因此外转子三相绕组411阻抗最大，回路电流较小，外转子41输出扭矩不够，不足以驱动螺旋桨6和差动轮系14输出组件而使外转子41处于反向旋转状态，此时主机1输出功率全部发电经电压电能转换器转换对电池组8充电；绕组匝数调节器71由b点向a点移动并在b点和a点之间的某点停住，即减小电压电能转换器原边72线圈匝数，此时外转子三相绕组411阻抗减小，电流增大，双转子
电机外转子41输出扭矩也增加到一定数值并经差动轮系第二输入组件放大三倍，此时主机输出转矩分为双转子电机电磁转矩和传递给差动轮系第一输入组件扭矩，若此时第二输入组件扭矩与第一输入组件扭矩之比小于3，则差动轮系输出扭矩为第二输入组件扭矩的4/3倍，差动轮系输出组件扭矩与螺旋桨6阻扭矩进行比较，如差动轮系输出组件输出扭矩大于螺旋桨6启动扭矩则螺旋桨6开始旋转，螺旋桨转速/差动轮系输出组件转速增加，差动轮系输出组件转速增加会减小双转子电机4的转差率，转差率的减小又会减小外转子41的输出扭矩，同时因螺旋桨6是风机型负载，扭矩随转速增加而增加，螺旋桨6转速增加也使螺旋桨阻扭矩增加，随着转差率减小外转子41的输出扭矩不断下降和螺旋桨6因转速上升阻扭矩不断增加的进行，差动轮系输出组件输出扭矩与螺旋桨6阻扭矩之间的差额不断减小，当两者相等时螺旋桨6转速不再上升，双转子电机4转差率不再下降，外转子41的输出转速在进行了自适应螺旋桨6特性的变速调整后，系统进入了一个均衡状态。此时主机输出的全部功率中，忽略损耗，一部分转化机械能驱动螺旋桨6，剩余部分发电经电压电能转换器给电池组8充电并将电能储存在电池组8中。
[0093]
在达到上述系统均衡状态后，若螺旋桨6阻扭矩变大，差动轮系输出组件的输出扭矩会小于螺旋桨6阻扭矩则使螺旋桨6转速下降，螺旋桨6转速下降会导致螺旋桨6阻扭矩下降，同时也使双转子电机4转差率上升，转差率上升又会导致外转子41输出扭矩上升，随着转差率上升外转子41的输出扭矩不断增加和螺旋桨6因转速下降阻扭矩不断减小的进行，差动轮系14输出组件的输出扭矩与螺旋桨6阻扭矩之间的差额不断减小，当两者相等时螺旋桨6转速不再下降，双转子电机4转差率不再上升，外转子41的输出转速在进行了自适应螺旋桨6特性的变速调整后，系统进入了一个新的均衡状态。在达到上述系统均衡状态后，若螺旋桨6阻扭矩变小，情况亦然。
[0094]
在系统达到均衡状态后，若绕组匝数调节器71继续向a点移动，则会进一步加大第二输入组件传递给输出组件及输出给螺旋桨6的扭矩、转速及功率，并同时减小双转子电机4发电及给电池组8的充电功率，直至绕组匝数调节器71到达a点位置，主机1输出功率通过第一输入组件和第二输入组件扭矩在输出组件合并后全部用于驱动螺旋桨6；若绕组匝数调节器71向b点移动，则会减少输出给螺旋桨6的扭矩、转速及功率，并同时加大双转子电机4发电及给电池组8的充电功率，直至绕组匝数调节器71到达b点位置，螺旋桨6不旋转，主机1输出功率全部发电给电池组8充电。
[0095]
与转差电磁离合器低速输出时绕组电流大并发热消耗导致效率低不同的是，上述双转子电机内转子输出扭矩经减速后输出机械能给差动轮系输出组件及螺旋桨的同时，串联在外转子绕组闭合回路中的电压电能转换器将电能输出，实现发电功能，而不是将电能在自身电阻上发热消耗掉，实现了主机输出功率的全部利用。
[0096]
电池组放电工作模式：离合器3脱开，外转子制动器44接合使外转子41与机座固定不能旋转，主机1停止运转，绕组匝数调节器71调节电压电能转换原边绕组72匝数为零，即使外转子三相绕组411处于闭合短路状态；电池组8提供电能经电池充放装置9、直流母线10、逆变器11和变压变频器12供给外转子41三相交流电，此时双转子电机4等同于交流同步永磁电动机，电池组8电能通过双转子电机4转变为机械能经过外转子、差动轮系第二输入组件、差动轮系输出组件驱动螺旋桨6；通过改变供给外转子41三相交流电的电压和频率，来调节外转子及差动轮系输出组件输出给螺旋桨6的扭矩和转速。
[0097]
码头充电工作模式：码头岸电通过直流母线10、电池充放装置9给电池组8充电，动力系统其它部分停止不工作。
[0098]
系统其它组成和控制运行原理与上述实施例1相同，本实施例中不再赘述。
[0099]
实施例5
[0100]
如图5所示，本实施例与上述实施例4不同之处在于：内转子42安装内转子三相绕组422而不是永磁体，且变压变频器12与内转子三相绕组422连接而不是与外转子三相绕组411连接。电池组主机运行充电工作模式时，电池组8经逆变器11、变压变频器12提供内转子三相绕组422三相励磁电流，此励磁电流形成旋转磁场结合主机驱动转速形成复合旋转磁场，外转子三相绕组411切割复合旋转磁场产生电流；除了通过改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数实现差动轮系输出组件及螺旋桨扭矩和转速的变化及外转子输出给差动轮系输出组件及螺旋桨扭矩功率与发电功率之间比例变化，在电能转换原边绕组72的线圈匝数不变的情况下，通过分别或同时调整内转子三相绕组励磁三相电的电压和频率也可能实现差动轮系输出组件及螺旋桨扭矩和转速的变化及双转子电机输出给差动轮系输出组件及螺旋桨功率与发电功率之间比例变化，双转子电机输出扭矩与励磁电压平方成正比，当电能转换原边绕组72的线圈匝数不变，励磁三相电频率不变，励磁电压增加，外转子电流增加，外转子输出扭矩增加，外转子及差动轮系输出转速与螺旋桨转速之间进行自适应调速，使螺旋桨转速增加，同时外转子电流增加也导致双转子电机发电功率加大；当电能转换原边绕组72的线圈匝数不变，励磁三相电频率加大，励磁电压不变，外转子输出转速增加，外转子电流减小，输出扭矩也减小，外转子与差动轮系输出组件及螺旋桨之间进行自适应调速，使螺旋桨转速减小，同时外转子电流减小也导致双转子电机发电功率减小，同时调节内转子励磁三相电电压和频率，可实现主机输出全功率在驱动差动轮系输出组件及螺旋桨功率和发电功率之间的比例变化，同时改变驱驱动差动轮系输出组件及螺旋桨的扭矩和转速。电池组放电工作模式：电池给内转子三相绕组提供三相交流电，调节绕组匝数调节器71在a点，即使外转子三相绕组处于闭合短路状态，此时双转子电机等同于一个变频异步交流电动机。
[0101]
系统其它组成和控制运行原理与上述实施例3及实施例5相同，本实施例中不再赘述。
[0102]
实施例6
[0103]
如图6所示，本实施例与上述实施例4-5不同之处在于，本实施例中选用交流异步电机15对上述实施例中的双转子电机4进行替换，目的是交流异步电机定子不旋转，加强了系统的机械稳定性，减小了系统机械惯性损失，在电机功率大即电机重量体积大时，尤其如此。交流异步电机15由定子151、转子153、转子电刷换向器155、太阳轮制动器156组成，在定子151的内圈装有定子三相绕组152，在转子153的外圆装有转子三相绕组154；差动轮系14有且只有两个自由度，由太阳轮运动组件、行星架运动组件、齿圈运动组件三组功能独立的运动组件构成，太阳轮运动组件由太阳轮141组成，通过传动轴系2连接离合器3及主机1，作为第一输入组件，行星架运动组件由行星轮142和行星架143组成，通过传动轴系2连接齿轮箱5、螺旋桨6，作为输出组件，齿圈运动组件由齿圈一144、齿圈二145、传动轮一146和传动轮二147组成，与定子151连接，作为第二输入组件，传动轮一146转轴转轴一端与机体固定；功率分配器7由绕组匝数调节器71、电压电能转换原边绕组72、电压电能转换副边绕组73、
整流器74组成；主机1、离合器3、差动轮系14、齿轮箱5、螺旋桨6依次通过传动轴系2连接；转子三相绕组154经转子电刷换向器155用三相交流线路连接功率分配器7，逆变器11和变压变频器12之间用三相交流线路连接，逆变器11和变压变频器12之间用三相交流线路连接，功率分配器7、电池充放装置9、逆变器11与直流母线10之间用直流线路连接，电池充放装置9与电池组8之间用直流线路连接；主机1、离合器3、齿轮箱5、交流异步电机15、功率分配器7内绕组匝数调节器71及整流器74、电池组8、电池充放装置9、逆变器11、变压变频器12分别通过控制信号线路与中央控制单元13连接。如图6所示，太阳轮制动器156接合时，使太阳轮141不能旋转。齿轮箱5有换向、离合、减速功能，换向功能可实现系统的倒车，离合功能可减少对螺旋桨的冲击，减速功能是固定速比减速，将交流异步电机15的输出转速按固定传动比减速后传给螺旋桨6。
[0104]
如图6所示，电池组8的直流电能可由电池充放装置9、直流母线10，经逆变器11转为三相交流电，再经变压变频器12变频变压后供给定子151三相交流电，变压变频器12可分别或同时对励磁的电压和频率进行调节。
[0105]
如图6所示，电压电能转换原边绕组72、电压电能转换副边绕组73组成电压电能转换器，实际等同于一个变压器。变压器原边绕组72的等效阻抗等于原边绕组匝数的平方除以副边绕组匝数的平方再乘以副边绕组阻抗，即原边绕组阻抗与原边绕组匝数平方成正比，也就是改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数就可相应改变电压电能转换原边绕组72的等效阻抗。因电压电能转换原边绕组72与转子三相绕组154形成闭合回路，改变电压电能转换原边绕组72的等效阻抗就是改变了定子三相绕组152阻抗。
[0106]
如图6所示，当主机1驱动太阳轮141正向旋转，因差动轮系输出组件受螺旋桨阻扭矩静止导致转子正向旋转，同时电池组8电能经逆变器11、变压变频器12给定子提供三相励磁电流并形成旋转磁场，转子三相绕组154与电压能量转换原边绕组72形成闭合回路并切割定子旋转磁场产生电流，此时交流异步电机就等同于一个三相交流异步电机。
[0107]
由上述公式(1)可知，在励磁电压和频率不变情况下，电机电磁转矩与转差率s、最大电磁扭矩对应的转差率sm有关。通过上述公式(2)可知，最大电磁扭矩对应的转差率sm的大小直接与转子三相绕组154主阻抗r2有关。当增大转子三相绕组154的阻抗，就会增大最大电磁扭矩对应的转差率sm，最大电磁扭矩对应的转差率sm的增大就会改变电机电磁扭矩也就是改变交流异步电机的输出扭矩。本实施例通过改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数来改变电压电能转换原边绕组72的等效阻抗，因电压电能转换原边绕组72与转子三相绕组154形成闭合回路，改变电压电能转换原边绕组72等效阻抗就是改变转子三相绕组154阻抗，从而改变交流异步电机转子153的输出扭矩；与此同时，电压电能转换器原边72线圈匝数变化导致电压电能转换器原边72线圈产生的主磁通变化，进一步导致电压电能转换器副边73因主磁通变化而发电输送给直流母线10的功率变化，电压电能转换器原边72线圈匝数越大，主磁通就越强，电压电能转换器副边73发电输送给直流母线10的功率就越大。
[0108]
如图6所示，绕组匝数调节器71从c点向a点变化是减小电压电能转换器原边72线圈匝数，从c点向b点变化是增加电压电能转换器原边72线圈匝数，在a点电压电能转换器原边72线圈匝数为零，在b点电压电能转换器原边72线圈匝数为最大。
[0109]
交流异步电机15不同转子三相绕组阻抗x2对应的机械特性图，如图8所示。图中，t轴表示输出扭矩，t
max
表示最大输出扭矩，n轴表示输出转速，n1表示同步转速，sm表示表示最
大输出扭矩时的转差率，x
24
＞x
23
＞x
22
＞x
21
，由图8可知，当定子三相绕组411阻抗变小时，交流异步电机输出转速会上升；本实施例交流异步电机15工作在第四象限，即转子三相绕组等效电阻x2在绕组匝数调节器71调节电压电能转换器原边72线圈匝数为最小时(即绕组匝数调节器71在a点时)等于[x
12
+(x1+x2)2]
1/2
，也即sm等于1；当绕组匝数调节器71向b点移动时，sm大于1，特性曲线将向x
24
方向移动。
[0110]
本实施例中差动轮系14是有且只有两个自由度的差动轮系，差动轮系中oz＝3ox，即，第一输入组件与第二输入组件及输出组件的有效扭矩比为1∶3∶4，当第一输入组件实际输入扭矩与第二输入组件实际输入之比小于1/3时，输出组件扭矩是第一输入组件实际扭矩的4倍；当第二输入组件实际输入扭矩与第一输入组件实际输入之比小于3时，输出组件扭矩是第二输入组件实际扭矩的4/3倍；主机1输出扭矩传递给差动轮系14第一输入组件，交流异步电机15电磁扭矩经转子153传递给差动轮系第二输入组件，最终在输出组件上合成驱动螺旋桨6；同时交流异步电机转子到第二输入组件经过了传动轮一146和传动轮二147的减速，如图6所示，因oe＝3od，故转子输出扭矩到第二输入组件时加大了三倍，有效的减小了定子三相绕组152的电流，降低了耗损。由于本实施例中定子不旋转，加强了系统机械稳定性和机械惯性损耗。
[0111]
本实施例中主机1输出功率和交流异步电机15的电动功率分别都能满足全船推进动力需求，其具体控制运行方法为：
[0112]
系统分为电池组主机运行充电和电池组放电和码头充电三种工作模式。电池组主机运行充电和电池组放电两种工作模式之间的相互转换为：电池组8充电必须要达到规定的最高soc(电池荷电状态)才能转入放电模式，电池组8放电必须要达到规定的最低soc才能转入充电模式，避免主机1的频繁启停。
[0113]
电池组主机运行充电工作模式：离合器3接合，太阳轮制动器156脱开，绕组匝数调节器71处于b点位置，即电压电能转换器原边72线圈匝数最大位置，转子三相绕组闭合回路阻抗最大；主机1恒功率恒转速正向运行，驱动差动轮系第一输入组件太阳轮141正向以主机输出转速旋转，同时电池组8电能经逆变器11、变压变频器12给定子提供三相励磁电流并形成反向旋转磁场，转子三相绕组154与电压能量转换原边绕组72形成闭合回路并切割定子旋转磁场产生电流，但由于现在转子三相绕组闭合回路阻抗最大，此电流很小，因此不能驱动差动轮系输出组件及螺旋桨旋转，在主机驱动下，第一输入组件正向旋转，输出组件静止，转子正向旋转并转子三相绕组154切割旋转磁场，此时因输出组件因静止没有功率输出，转子三相绕组154与电压能量转换原边绕组72形成闭合回路电流全部转变为电压能量转换副边绕组73发电给直流母线10，此发电给直流母线8的电能首先用于补偿给定子151的励磁电流，剩余部分给电池组8充电；绕组匝数调节器71由b点向a点移动并在b点和a点之间的某点停住，即减小电压电能转换器原边72线圈匝数，此时转子三相绕组154阻抗减小，电流增大，交流异步电机转子153输出扭矩也增加到一定数值并经差动轮系第二输入组件放大三倍，主机输出转矩传递给差动轮系第一输入组件，若此时第二输入组件扭矩与第一输入组件扭矩之比小于3，则差动轮系输出扭矩为第二输入组件扭矩的4/3倍，差动轮系输出组件扭矩与螺旋桨6阻扭矩进行比较，如差动轮系输出组件输出扭矩大于螺旋桨6启动扭矩则螺旋桨6开始旋转，螺旋桨转速/差动轮系输出组件转速增加，差动轮系输出组件转速增加会减小交流异步电机15的转差率，转差率的减小又会减小转子153的输出扭矩，同时因螺
旋桨6是风机型负载，扭矩随转速增加而增加，螺旋桨6转速增加也使螺旋桨阻扭矩增加，随着转差率减小转子153的输出扭矩不断下降和螺旋桨6因转速上升阻扭矩不断增加的进行，差动轮系输出组件输出扭矩与螺旋桨6阻扭矩之间的差额不断减小，当两者相等时螺旋桨6转速不再上升，交流异步电机15转差率不再下降，转子153的输出转速在进行了自适应螺旋桨6特性的变速调整后，系统进入了一个均衡状态。同时转子三相绕组154闭合回路的电流在电压电能转换原边绕组72形成主磁通，此主磁通通过电压电能转换副边绕组73发电输送电能给直流母线10。此时主机输出的全部功率中，忽略损耗，一部分转化机械能驱动螺旋桨6，剩余部分发电经电压电能转换器转化为电能，此电能首先补偿定子151的励磁电流，剩余部分给电池组8充电并将电能储存在电池组8中。
[0114]
在达到上述系统均衡状态后，若螺旋桨6阻扭矩变大，差动轮系输出组件的输出扭矩会小于螺旋桨6阻扭矩则使螺旋桨6转速下降，螺旋桨6转速下降会导致螺旋桨6阻扭矩下降，同时也使差动轮系第二输入组件正向转速加大，即交流异步电机15转差率上升，转差率上升又会导致转子153输出扭矩上升，随着转差率上升转子153的输出扭矩不断增加和螺旋桨6因转速下降阻扭矩不断减小的进行，差动轮系14输出组件的输出扭矩与螺旋桨6阻扭矩之间的差额不断减小，当两者相等时螺旋桨6转速不再下降，交流异步电机15转差率不再上升，转子153的输出转速在进行了自适应螺旋桨6特性的变速调整后，系统进入了一个新的均衡状态。在达到上述系统均衡状态后，若螺旋桨6阻扭矩变小，情况亦然。
[0115]
在系统达到均衡状态后，若绕组匝数调节器71继续向a点移动，则会进一步加大第二输入组件传递给输出组件及输出给螺旋桨6的扭矩、转速及功率，并同时减小交流异步电机15发电及给电池组8的充电功率，直至绕组匝数调节器71到达a点位置，主机1输出扭矩通过第一输入组件和第二输入组件扭矩在输出组件合并后全部用于驱动螺旋桨6，此时交流异步电机15的sm为1，所发电能全部用于补偿定子151励磁电流，电池组8不充电；若绕组匝数调节器71向b点移动，则会减少输出给螺旋桨6的扭矩、转速及功率，并同时加大交流异步电机15发电及给电池组8的充电功率，直至绕组匝数调节器71到达b点位置，此时因差动轮系输出组件输出扭矩小不能驱动螺旋桨6旋转，主机1输出功率全部由交流异步电机发电，所发电首先用于补偿定子励磁电流，剩余部分给电池组8充电。
[0116]
除了通过改变电压电能转换原边绕组72的线圈匝数实现差动轮系输出组件及螺旋桨扭矩和转速的变化及转子输出给差动轮系输出组件及螺旋桨扭矩功率与发电功率之间比例变化，在电能转换原边绕组72的线圈匝数不变的情况下，通过分别或同时调整定子三相绕组励磁三相电的电压和频率也可实现差动轮系输出组件及螺旋桨扭矩和转速的变化以及交流异步电机输出给差动轮系输出组件及螺旋桨功率与发电功率之间比例变化，交流异步电机输出扭矩与励磁电压平方成正比，当电能转换原边绕组72的线圈匝数不变，励磁三相电频率不变，励磁电压增加，转子电流增加，转子输出扭矩增加，转子及差动轮系输出转速与螺旋桨转速之间进行自适应调速，使螺旋桨转速增加，同时转子电流增加也导致交流异步电机发电功率加大，当电能转换原边绕组72的线圈匝数不变，励磁三相电频率加大，励磁电压不变，转子输出转速增加，转子电流减小，输出扭矩也减小，转子与差动轮系输出组件及螺旋桨之间进行自适应调速，使螺旋桨转速减小，同时转子电流减小也导致交流异步电机发电功率减小，同时调节定子励磁三相电电压和频率，可实现主机输出全功率在驱动差动轮系输出组件及螺旋桨功率和发电功率之间的比例变化，同时改变驱驱动差动轮
系输出组件及螺旋桨的扭矩和转速。
[0117]
与转差电磁离合器低速输出时绕组电流大并发热消耗导致效率低不同的是，上述交流异步电机转子输出扭矩经减速后输出机械能给差动轮系输出组件及螺旋桨的同时，串联在转子绕组闭合回路中的电压电能转换器将电能输出，实现发电功能，而不是将电能在自身电阻上发热消耗掉，实现了主机输出功率的全部利用。
[0118]
电池组放电工作模式：离合器3脱开，太阳轮制动器156接合使太阳轮141与机座固定不能旋转，主机1停止运转，绕组匝数调节器71调节电压电能转换原边绕组72匝数为零，即使转子三相绕组154处于闭合短路状态；电池组8提供电能经电池充放装置9、直流母线10、逆变器11和变压变频器12供给定子151三相交流电，电池组8电能通过交流异步电机15转变为机械能经过转子、差动轮系第二输入组件、差动轮系输出组件驱动螺旋桨6；通过改变供给定子151三相交流电的电压和频率，来调节定子及差动轮系输出组件输出给螺旋桨6的扭矩和转速。
[0119]
码头充电工作模式：码头岸电通过直流母线10、电池充放装置9给电池组8充电，动力系统其它部分停止不工作。
[0120]
动力系统倒车功能通过齿轮箱5换向实现。
[0121]
系统其它组成和控制运行原理与上述实施例4-5相同，本实施例中不再赘述。

技术特征：
1.基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，包括主机(1)，通过传动轴系(2)连接的离合器(3)、齿轮箱(5)与螺旋桨(6)；其特征在于：所述系统还由双转子电机(4)、功率分配器(7)、电池组(8)、电池充放装置(9)、直流母线(10)、逆变器(11)、变压变频器(12)、中央控制单元(13)组成；所述双转子电机(4)由外转子(41)和内转子(42)构成，所述外转子(41)和内转子(42)上分别设有三相绕组或永磁体，所述双转子电机(4)外侧连接设有外转子电刷换向器(43)、外转子制动器(44)和内转子电刷换向器(45)；三相绕组通过电刷换向器以三相交流线路分别连接变压变频器(12)和功率分配器(7)；所述功率分配器(7)由绕组匝数调节器(71)、电压电能转换原边绕组(72)、电压电能转换副边绕组(73)、整流器(74)组成；所述电压电能转换原边绕组(72)与电压电能转换副边绕组(73)组成电压电能转换器；所述主机(1)、离合器(3)、双转子电机(4)、齿轮箱(5)、螺旋桨(6)依次通过传动轴系(2)连接；所述逆变器(11)与变压变频器(12)之间通过三相交流线路连接；所述功率分配器(7)、电池充放装置(9)、逆变器(11)与直流母线(10)之间通过直流线路连接，所述电池充放装置(9)与电池组(8)之间通过直流线路连接；所述主机(1)、离合器(3)、齿轮箱(5)、双转子电机(4)、绕组匝数调节器(71)、整流器(74)、电池组(8)、电池充放装置(9)、逆变器(11)、变压变频器(12)分别通过控制信号线路与中央控制单元(13)连接。2.根据权利要求1所述的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，其特征在于：所述双转子电机(4)中的外转子(41)内侧安装外转子三相绕组(411)，内转子(42)外圆上安装内转子永磁体(421)，外转子三相绕组(411)通过外转子电刷换向器(43)以三相交流线路分别连接变压变频器(12)和功率分配器(7)。3.根据权利要求1所述的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，其特征在于：所述双转子电机(4)中的外转子(41)上安装外转子永磁体(412)，内转子(42)上安装内转子三相绕组(422)，内转子三相绕组(422)通过内转子电刷换向器(45)分别与变压变频器(12)和功率分配器(7)连接。4.根据权利要求1所述的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，其特征在于：所述双转子电机(4)中的外转子(41)和内转子(42)上分别设置外转子三相绕组(411)和内转子三相绕组(422)，外转子三相绕组(411)通过外转子电刷换向器(43)连接变压变频器(12)，内转子三相绕组(411)通过内转子电刷换向器(45)连接功率分配器(7)。5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，其特征在于：所述双转子电机(4)与齿轮箱(6)之间连接设有差动轮系(14)，差动轮系(14)有且只有两个自由度。6.根据权利要求5所述的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，其特征在于：所述差动轮系(14)由太阳轮运动组件、行星架运动组件、齿圈运动组件三组功能独立的运动组件构成，太阳轮运动组件由太阳轮(141)组成，通过传动轴系(2)连接内转子(42)，作为第一输入组件；行星架运动组件由行星轮(142)和行星架(143)组成，通过传动轴系(2)连接齿轮箱(5)、螺旋桨(6)，作为输出组件；齿圈运动组件由齿圈一(144)、齿圈二
(145)、传动轮一(146)、传动轮二(147)和传动轮三(148)组成，与外转子(41)连接，作为第二输入组件；传动轮一(146)的中心转轴、传动轮二(147)的中心转轴一端均与机体固定；第一输入组件输入转速时输出组件的转速方向与第二输入组件输入转速时输出组件的转速方向相同；第二动力输入组件输入转速时经过传动轮一、传动轮二和传动轮三进行加速，以减小双转子电机电磁扭矩。7.根据权利要求5所述的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，其特征在于：所述双转子电机(4)采用交流异步电机(15)，交流异步电机(15)由定子(151)、转子(153)组成，定子(151)内侧安装定子三相绕组(152)，转子(153)外圆上安装转子三相绕组(154)；太阳轮运动组件通过传动轴系(2)连接离合器(3)及主机(1)，作为第一输入组件，行星架运动组件通过传动轴系(2)连接齿轮箱(5)、螺旋桨(6)；齿圈运动组件与转子(153)连接，作为第二输入组件；定子三相绕组(152)用三相交流线路连接变压变频器(12)；转子三相绕组(154)经转子电刷换向器(155)用三相交流线路连接功率分配器(7)；第一输入组件输入转速时输出组件的转速方向与转子(153)驱动第二输入组件输入转速时输出组件的转速方向相同；第二动力输入组件输入转速时经过传动轮一(146)和传动轮二(147)进行加速，以减小交流异步电机电磁扭矩。8.根据权利要求5所述的基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统，其特征在于：所述电池组(8)留有备用空间和系统扩充接口，以实现一次性携带和存储更多电能。9.电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统的控制运行方法，特征在于，使用权利要求1-8任意一项所述的节能混动系统，控制运行方法如下：主机输出功率和双转子电机的电动功率分别都能满足全船推进动力需求，系统分：电池组主机运行充电、电池组放电、码头充电三种工作模式；电池组主机运行充电和电池组放电两种工作模式之间的相互转换条件为：必须要达到设定的最高电池荷电状态时才能转入放电模式，必须要达到设定的最低电池荷电状态时才能转入充电模式，如此避免主机的频繁启停；电池组主机运行充电工作模式：离合器(3)接合，外转子制动器(44)脱开，主机(1)恒功率恒转速运行，驱动双转子电机(4)、外转子(41)及外转子三相绕组(411)旋转，此时内转子(42)受螺旋桨(6)阻力而静止或转速远小于外转子(41)，使得外转子三相绕组(411)切割内转子永磁体(421)磁场产生电动势，并在外转子三相绕组(411)与电压电能转换原边绕组(72)形成闭合回路中产生电流，此电流与内转子永磁体(421)磁场共同作用，产生电磁转矩，从而使内转子(42)经过齿轮箱(5)驱动螺旋桨(6)；同时此外转子三相绕组(411)闭合线路电流也经过电压电能转换原边绕组(72)并产生磁通，从而使电压电能转换副边绕组(73)经整流器(74)输出给直流母线(10)实现发电输出，其输给直流母线(10)的电能经电池充放装置(9)给电池组(8)充电将发电电能储存起来；通过绕组匝数调节器(71)改变电压电能转换原边绕组(72)的匝数，也即改变内转子(42)等效阻抗的大小，在调节螺旋桨(6)扭矩和转速的同时实现主机(1)输出的全功率在双转子电机(4)给螺旋桨(6)的推进功率和输送给直流母线(10)发电功率之间的分配，当电压电能转换原边绕组(72)匝数调节为最大且双转子电机(4)输出扭矩小而不能驱动螺旋桨(6)时，主机(1)输出功率全部用于发电给电池组(8)充电并储存，此时双转子电机(4)等同于一台发电机，当电压电能转换原边绕组(72)匝数调
节为零时，外转子三相绕组(411)相当于短路，没有发电功率输出，双转子电机(4)输出扭矩最大，主机(1)输出功率全部用于驱动螺旋桨(6)，此时双转子电机(4)等同于一台电动机；当外转子(41)和内转子(42)都安装三相绕组时，同时或分别调节供给外转子的三相电的电压和频率，也可改变实现双转子电机输出扭矩和转速的改变并同时改变螺旋桨的推进功率和输送给直流母线发电功率之间的分配；同时也通过双转子电机转差率及双转子电机输出转速与双转子电机输出扭矩与螺旋桨阻扭矩差值的互动关系实现对螺旋桨转速的自适应无级变速；电池组放电工作模式：主机(1)停止运转，离合器(3)脱开，外转子制动器(44)接合使外转子(41)与机座固定不产生旋转，调节电压电能转换原边绕组(72)的匝数至零，使外转子三相绕组(411)处于闭合短路状态；电池组(8)提供电能经电池充放装置(9)、直流母线(10)、逆变器(11)和变压变频器(12)供给外转子(43)三相交流电，此时双转子电机(4)等同于交流同步永磁电动机，电池组(8)电能通过双转子电机(4)转变为机械能驱动螺旋桨(6)；通过改变供给外转子三相交流电的电压和频率，以调节输出给螺旋桨(6)的扭矩和转速；码头充电工作模式：码头岸电通过直流母线(10)、电池充放装置(9)给电池组(8)充电，动力系统其它部分停止不工作；动力系统倒车功能通过齿轮箱换向实现。

技术总结
基于电机电磁转矩-转差与功率分配功能的节能混动系统及控制运行方法，属于船舶动力技术领域，系统由主机、轴系、齿轮箱、电机、功率分配器、逆变器、变压变频器、直流母线、电池组及中央控制单元组成，通过电机、功率分配器、电池组的相互动作，实现自适应螺旋桨特性无级变速功能、主机输出全功率在机械能和电能储存之间的分配功能，使得主机始终在单位功率最小油耗工况运行并且输出功率完全充分利用，通过电池组、逆变器、变压变频器、电机动作实现纯电推进功能，通过本发明系统及控制方法，节能效果显著，可进一步提高主机燃油能源利用效率，特别有利于平均推进功率远小于装船总功率且航行工况大幅频繁变化的内河船舶使用。工况大幅频繁变化的内河船舶使用。工况大幅频繁变化的内河船舶使用。


技术研发人员：董永岗 董俊 华娟 周力
受保护的技术使用者：扬州永诚节能装备科技有限公司
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/6/12