一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统的制作方法

1.本发明属于磁流体推进技术领域，具体涉及一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统。


背景技术：

2.目前的舰船推进方式以螺旋桨-轴系推进为主，而采用螺旋桨-轴系推进方式时，产生较大的振动噪声，且航速较高时，螺旋桨易产生空泡，这极易造成螺旋桨叶片损坏等事故。尤其对于水下航行器而言，螺旋桨-轴系推进方式不利于提高其隐蔽性，也限制了航速的提高。
3.磁流体推进是利用海水中电流和磁场的相互作用力使海水运动进而产生推进力的新型推进方式。利用磁体在通道内建立磁场，通过电极向海水供电，海水中通过电流时，磁场对载流海水产生电磁力，海水受此电磁力而运动，产生的反作用力即推进力推动船舶运动。通道内磁场是由绕组线圈建立的，根据绕组电流形式，磁流体推进方式可分为直流磁流体推进与交流磁流体推进。交流磁流体推进可以不使用电极，进而避免了由于电极的存在而导致的海水电解和电极腐蚀现象，同时也极大的减小了舰船磁流体推进器运动时产生的噪音与气泡问题。对于交流磁流体推进器而言，其绕组电流的驱动与控制对于推进力控制、船速控制具有至关重要的意义。交流磁流体推进系统的绕组内产生的是三相电流，常用的驱动结构为三相全桥结构，而此结构具有电压利用率相对较低的缺点，而将每个绕组利用“h全桥”驱动，虽然可提高电压利用率，但所需的开关器件及其附属电路较多，这不利于降低重量与体积，不利于续航力的进一步提高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，用于解决现有的螺旋桨-轴系驱动方式带来的振动噪声较大、限制航速提高等问题，以及传统驱动装置需要较多开关器件及其附属电路的问题。
5.本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，包括依次连接的航速控制装置、串联绕组驱动装置和磁流体推进装置；航速控制装置用于接收预设的或上位机的航速指令refh、航速传感器采集的航速测量值mesh、磁流体推进装置的流速传感器采集的流体流速mesh，以及串联绕组驱动装置的三相电流传感器采集的三相电流测量值ia、ib、ic，生成对应的门极端控制信号控制串联绕组驱动装置的开关器件进行导通与关断；串联绕组驱动装置用于为磁流体推进装置的绕组提供交流电流；串联绕组驱动装置包括直流电源vdc、可控开关器件si、单向导通器件di和三相电流传感器ma、mb、mc，i＝1～8；可控开关器件si与单向导通器件di反向并联：可控开关器件si的输出端连接单向导通器件di的输入端，可控开关器件si的输入端连接单向导通器件di的输出端；i为奇数时，可控开关器件si的输入端和单向导通器件di的输出端连接直流电源vdc的正极；i为偶数时，可控开关器件si的输出端和单向导通器件di的输入端连接直流
电源vdc的负极；串联绕组驱动装置的桥臂中点与磁流体推进装置的对应的绕组相连，相应的三相电流传感器ma、mb、mc分别用于测量并输出三相电流测量值ia、ib、ic；磁流体推进装置包括三相绕组la、lb、lc，以及流体通道、进口导流片、出口导流片、流速传感器、电解质添加器和电解质回收器。
6.按上述方案，航速控制装置包括依次连接的航速控制模块、电流控制模块和调制信号生成模块；航速控制模块用于根据航速指令refh、航速测量值mesh、流体流速mesh和控制算法进行运算，分别输出三相电流控制指令ria、rib、ric；电流控制模块用于根据三相电流控制指令ria、rib、ric与三相电流测量值ia、ib、ic及控制算法进行运算，输出串联绕组驱动装置的可控开关器件si的占空比di；调制信号生成模块用于根据占空比di生成对应的门极端控制信号pi，从而控制串联绕组驱动装置的可控开关器件si进行导通与关断。
7.按上述方案，单向导通器件di由对应的输入端向输出端单向导通；可控开关器件si由对应的输入端向输出端导通，由对应的门极端控制导通与关断，门极端控制信号来自航速控制装置；可控开关器件si的门极端控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号，可控开关器件si通过改变其门极控制信号从而改变导通时间；可控开关器件si的导通时间为脉冲宽度调制信号的占空比乘以开关周期时长。
8.按上述方案，单向导通器件采用二极管；可控开关器件采用绝缘栅双极晶体管。
9.按上述方案，设可控开关器件s1的输出端与可控开关器件s2的输入端的连接点为1号桥臂中点，1号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组la的第一端即la+相连；电流传感器ma用于测量绕组la的电流从而获得电流测量值ia；设可控开关器件s3的输出端与可控开关器件s4的输入端的连接点为2号桥臂中点，2号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组la的第二端即la-、绕组lb的第一端即lb+相连；电流传感器mb用于测量绕组lb的电流从而获得电流测量值ib；设可控开关器件s5的输出端与可控开关器件s6的输入端的连接点为3号桥臂中点，3号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组lb的第二端即lb-、绕组lc的第一端即lc+相连；电流传感器mc用于测量绕组lc的电流从而获得电流测量值ic；设可控开关器件s7的输出端与可控开关器件s8的输入端的连接点为4号桥臂中点，4号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组lc的第二端即lc-相连。
10.按上述方案，绕组材料采用超导材料；绕组布置形式采用圆筒型内磁式；每相绕组包括内筒部分和外筒部分，在圆筒的轴向同一位置，内筒部分的绕组电流方向与外筒部分的绕组电流方向相反；流体通道的进口端用于输入流体，流体通道的出口端用于输出流体；进口导流片和出口导流片分别设置在流体通道的进口端和出口端，分别用于在流体进入和流出流体通道时调节流向，减小流体阻力；流速传感器设置在流体通道内，用于测量流体通道内流体的流速，并将流速测量值发送至航速控制装置；电解质添加器设置在流体通道的进口端，用于对进入流体通道的流体添加电解质，用于使水下航行器在淡水区域或低盐度海水区域行驶时增强流体导电性；电解质回收器设置在流体通道的出口端，用于对离开流体通道的流体回收电解质，避免由于电解质添加器的作用导致出口流体对原水域的污染，且提高隐蔽性。
11.本发明的有益效果为：
12.1.本发明的一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统为船舶磁流体推进方式提供了新技术，通过采用串联绕组驱动方式提高系统的集成度，减少了驱动方式对可控
开关器件的需求，降低了系统成本和体积、重量，解决了现有的螺旋桨-轴系驱动方式带来的振动噪声较大、限制航速提高等问题，以及传统驱动装置需要较多开关器件及其附属电路的问题。
13.2.本发明相比于传统三相全桥式驱动方式提高了电压利用率。
14.3.本发明相比于“h桥”驱动方式节省了对可控开关器件的需求，降低了系统成本与复杂度。
15.4.本发明相比于传统的螺旋桨-轴系推进方式降低了推进器运行时的振动噪声，提高了隐蔽性。
附图说明
16.图1是本发明实施例的系统示意图。
17.图2是本发明实施例的电路结构及电流控制方法图。
18.图3是本发明实施例的磁流体推进装置示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
20.参见图1，本发明的实施例包括串联绕组驱动装置、航速控制装置和磁流体推进装置。
21.一、串联绕组驱动装置
22.参见图2，串联绕组驱动装置用于为磁流体推进装置的绕组提供交流电流，包括1个直流电源vdc，8个可控开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8，8个单向导通器件d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8，3个电流传感器ma、mb、mc；
23.其中，可控开关器件s1、s3、s5、s7的输入端与直流电源vdc的正极相连，可控开关器件s2、s4、s6、s8的输出端与直流电源vdc的负极相连，单向导通器件d1、d3、d5、d7的输出端与直流电源vdc的正极相连，单向导通器件d2、d4、d6、d8的输入端与直流电源vdc的负极相连；
24.以s1为例，s1的输入端为标号
①
所示端子，s1的输出端为标号
②
所示端子，s1的门极端为标号
③
所示端子；
25.以d1为例，d1的输入端为标号
④
所示端子，d1的输出端为标号
⑤
所示端子；
26.可控开关器件sk与单向导通器件dk反向并联：sk的输出端与dk的输入端相连，sk的输入端与dk的输出端相连，上述k＝1～8；
27.串联绕组驱动装置的各桥臂中点与对应的磁流体推进装置各个绕组相连，输出三相电流，包括：
28.可控开关器件s1的输出端与可控开关器件s2的输入端相连，连接点称为1号桥臂中点，1号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组la的第一端(标注为la+)相连，绕组la的电流为ia，电流传感器ma可对ia进行测量并获得测量值；
29.可控开关器件s3的输出端与可控开关器件s4的输入端相连，连接点称为2号桥臂中点，2号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组lb的第一端(标注为lb+)和绕组la的第二端(标注为la-)相连，绕组lb的电流为ib，电流传感器mb可对ib进行测量并获得测量值；
30.可控开关器件s5的输出端与可控开关器件s6的输入端相连，连接点称为3号桥臂中点，3号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组lb的第二端(标注为lb-)和绕组lc的第一端(标注为lc+)相连，绕组lc的电流为ic，电流传感器mc可对ic进行测量并获得测量值；
31.可控开关器件s7的输出端与可控开关器件s8的输入端相连，连接点称为4号桥臂中点，4号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组lc的第二端相连；
32.单向导通器件d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8均由对应的输入端向输出端单向导通；
33.在本实施例中，所述单向导通器件均为二极管；
34.可控开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8均由对应的输入端向输出端导通，由对应的门极端控制导通与关断，各门极端控制信号来自航速控制装置；
35.在本实施例中，各可控开关器件为绝缘栅双极晶体管；
36.各可控开关器件的门极端控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号，各可控开关器件通过改变其门极控制信号改变导通时间；各可控开关器件的导通时间为各脉冲宽度调制信号的占空比乘以开关周期时长。
37.二、航速控制装置
38.航速控制装置包括航速控制模块、电流控制模块和调制信号生成模块；
39.航速控制装置接收人为设定或其上级系统的航速指令refh，接收航速传感器采集的航速测量值mesh，接收磁流体推进装置内的流速传感器采集的流体流速mesh，接收串联绕组驱动装置电流传感器的测量值ia、ib、ic；
40.航速控制模块根据航速指令refh、航速测量值mesh、流体流速mesh及控制算法进行运算，得到电流控制指令ria、rib、ric；
41.电流控制模块根据电流控制指令ria、rib、ric与电流测量值ia、ib、ic及控制算法进行运算，得到开关器件si的占空比di(其中i＝1～8)；
42.调制信号生成模块根据占空比di(i＝1～8)，生成对应的门极端控制信号pi(i＝1～8)，用于对串联绕组驱动装置的开关器件进行导通与关断。
43.三、磁流体推进装置
44.参见图3，磁流体推进装置包括3个绕组la、lb、lc，以及流体通道、进口导流片、出口导流片、流速传感器、电解质添加器和电解质回收器；
45.绕组材料由超导材料构成；绕组布置形式采用圆筒型内磁式；
46.每相绕组包括内筒部分和外筒部分，在圆筒的轴向同一位置，内筒部分绕组电流方向与外筒电流方向相反；
47.流体由进口端进入流体通道，由出口端离开流体通道；
48.进口导流片用于在流体进入流道时对流向进行调节，减小流体阻力；
49.出口导流片用于在流体流出流道时对流向进行调节，减小流体阻力；
50.流速传感器用于测量流道内流体的流速，并将流速测量值输入至航速控制装置；
51.电解质添加器用于对进入流体通道的流体添加电解质，用于水下航行器在淡水区域或低盐度海水区域行驶时增强流体导电性；
52.电解质回收器用于对离开流体通道的流体回收电解质，用于在电解质添加器作用时，避免出口流体对原水域的污染，且提高隐蔽性。
53.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术
人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，其特征在于：包括依次连接的航速控制装置、串联绕组驱动装置和磁流体推进装置；航速控制装置用于接收预设的或上位机的航速指令refh、航速传感器采集的航速测量值mesh、磁流体推进装置的流速传感器采集的流体流速mesh，以及串联绕组驱动装置的三相电流传感器采集的三相电流测量值ia、ib、ic，生成对应的门极端控制信号控制串联绕组驱动装置的开关器件进行导通与关断；串联绕组驱动装置用于为磁流体推进装置的绕组提供交流电流；串联绕组驱动装置包括直流电源vdc、可控开关器件si、单向导通器件di和三相电流传感器ma、mb、mc，i＝1～8；可控开关器件si与单向导通器件di反向并联：可控开关器件si的输出端连接单向导通器件di的输入端，可控开关器件si的输入端连接单向导通器件di的输出端；i为奇数时，可控开关器件si的输入端和单向导通器件di的输出端连接直流电源vdc的正极；i为偶数时，可控开关器件si的输出端和单向导通器件di的输入端连接直流电源vdc的负极；串联绕组驱动装置的桥臂中点与磁流体推进装置的对应的绕组相连，相应的三相电流传感器ma、mb、mc分别用于测量并输出三相电流测量值ia、ib、ic；磁流体推进装置包括三相绕组la、lb、lc，以及流体通道、进口导流片、出口导流片、流速传感器、电解质添加器和电解质回收器。2.根据权利要求1所述的一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，其特征在于：航速控制装置包括依次连接的航速控制模块、电流控制模块和调制信号生成模块；航速控制模块用于根据航速指令refh、航速测量值mesh、流体流速mesh和控制算法进行运算，分别输出三相电流控制指令ria、rib、ric；电流控制模块用于根据三相电流控制指令ria、rib、ric与三相电流测量值ia、ib、ic及控制算法进行运算，输出串联绕组驱动装置的可控开关器件si的占空比di；调制信号生成模块用于根据占空比di生成对应的门极端控制信号pi，从而控制串联绕组驱动装置的可控开关器件si进行导通与关断。3.根据权利要求1所述的一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，其特征在于：单向导通器件di由对应的输入端向输出端单向导通；可控开关器件si由对应的输入端向输出端导通，由对应的门极端控制导通与关断，门极端控制信号来自航速控制装置；可控开关器件si的门极端控制信号均为占空比可调的脉冲调制信号，可控开关器件si通过改变其门极控制信号从而改变导通时间；可控开关器件si的导通时间为脉冲宽度调制信号的占空比乘以开关周期时长。4.根据权利要求1所述的一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，其特征在于：单向导通器件采用二极管；可控开关器件采用绝缘栅双极晶体管。5.根据权利要求1所述的一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，其特征在于：设可控开关器件s1的输出端与可控开关器件s2的输入端的连接点为1号桥臂中点，1号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组la的第一端即la+相连；电流传感器ma用于测量绕组la的电流从而获得电流测量值ia；设可控开关器件s3的输出端与可控开关器件s4的输入端的连接点为2号桥臂中点，2号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组la的第二端即la-、绕组lb的第一端即lb+相连；电流传感器mb用于测量绕组lb的电流从而获得电流测量值ib；设可控开关器件s5的输出端与可控
开关器件s6的输入端的连接点为3号桥臂中点，3号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组lb的第二端即lb-、绕组lc的第一端即lc+相连；电流传感器mc用于测量绕组lc的电流从而获得电流测量值ic；设可控开关器件s7的输出端与可控开关器件s8的输入端的连接点为4号桥臂中点，4号桥臂中点与磁流体推进装置的绕组lc的第二端即lc-相连。6.根据权利要求1所述的一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统，其特征在于：绕组材料采用超导材料；绕组布置形式采用圆筒型内磁式；每相绕组包括内筒部分和外筒部分，在圆筒的轴向同一位置，内筒部分的绕组电流方向与外筒部分的绕组电流方向相反；流体通道的进口端用于输入流体，流体通道的出口端用于输出流体；进口导流片和出口导流片分别设置在流体通道的进口端和出口端，分别用于在流体进入和流出流体通道时调节流向，减小流体阻力；流速传感器设置在流体通道内，用于测量流体通道内流体的流速，并将流速测量值发送至航速控制装置；电解质添加器设置在流体通道的进口端，用于对进入流体通道的流体添加电解质，用于使水下航行器在淡水区域或低盐度海水区域行驶时增强流体导电性；电解质回收器设置在流体通道的出口端，用于对离开流体通道的流体回收电解质，避免由于电解质添加器的作用导致出口流体对原水域的污染，且提高隐蔽性。

技术总结
本发明提供了一种基于串联绕组驱动的交流磁流体推进系统为船舶磁流体推进方式提供了新技术，通过采用串联绕组驱动方式提高系统的集成度，相比于传统三相全桥式驱动方式提高了电压利用率；相比于“H桥”驱动方式减少了对可控开关器件的需求，降低了系统成本与复杂度；相比于传统的螺旋桨-轴系推进方式降低了推进器运行时的振动噪声，提高了隐蔽性；解决了现有的螺旋桨-轴系驱动方式带来的振动噪声较大、限制航速提高等问题，以及传统驱动装置需要较多开关器件及其附属电路的问题。需要较多开关器件及其附属电路的问题。需要较多开关器件及其附属电路的问题。


技术研发人员：孙宏博 彭威 辛轶男 蒋栋 胡烽
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2022.11.25
技术公布日：2023/3/14