CN100497085C - 带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，它包括电机、螺旋桨、电机驱动器、DSP控制器以及漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、测量电机转速的编码器；电机、电机驱动器、DSP控制器、漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、编码器均封装在密封干燥的舱体内部；舱体尾部装有电缆螺旋接头，电缆螺旋接头将防水电缆固定、并密封在壳体上，防水电缆通过导线与壳体内部的控制器及漏水检测传感器相连。本发明提供了一种集驱动、控制电路及推进器电机与一体，带有温度传感器、漏水检测传感器和速度传感器，具有自主诊断功能，并安装有推力轴承、结构紧凑、高效、安全。

Description

带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种应用于水下航行体推进器，具体地说是一种带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器。

(二)背景技术

螺旋桨推进是水下航行体最主要的推进方式，其推进原理是：电机通过推进器驱动轴带动螺旋桨高速旋转，在使水产生流动的同时，也受到水的反向作用力，此反向作用力推动水下航行体，使其产生航行运动。但是，大多数传统的水下推进器都是无转速反馈的开环驱动控制，并且没有温度、漏水检测等性能检测装置，如果遇到撞击或螺旋桨被缠绕、卡死等情况，致使推进器漏水、电机过热或推进器推力下降等故障发生时，推进器无法感知自身内部的复杂情况，更无法根据异常信息判断故障类型，采取补救措施。这对于在人类很难直接感知的在水下环境中运行的水下航行体来说，是非常危险的。

专利申请号为200620055186.1、名称为《一种电动水下推进器》的专利，采用带有减速器的直流电机带动螺旋桨转动，密封壳体外部设有流线型导流罩，导流罩前后安装防护网。此专利虽然一定程度上提高了推进器的安全性，但没有实现速度反馈、也无法实现密封安全性检测和电机温度检测，无自主诊断功能；并且，推进器必须通过外部部件实现对电机的驱动控制，在传输过程中，会由于某接口接触不良造成控制信号的不稳定，也容易受到其他电器元件的干扰。

专利申请号为200620069245.0，名称为《水下推进器》的专利，基本结构为：流线型外壳、把手、网罩、螺旋桨，外壳内置浮筒、电池、电机。电机的输出轴直接与螺旋桨连接；把手两侧设有开关。在开关的结构上提高了启动或运行的安全性，但同样没有自诊断功能，也未考虑电机轴受力等问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自主诊断功能，结构紧凑、高效、安全的智能化微小型带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器。

本发明的目的是这样实现的：

它包括电机、安装在电机轴前端的螺旋桨；它还包括电机驱动器、DSP控制器以及漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、测量电机转速的编码器；电机、电机驱动器、DSP控制器、漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、编码器均封装在密封干燥的舱体内部；漏水检测传感器安装在舱体内腔的最底部；铂电阻温度传感器安装在电机外壳上最靠近转子的部位；电机通过螺钉安装在舱体的前部，编码器安装在电机的后端；DSP控制器和电机驱动器位于编码器的后面且与编码器间隔一定距离；电机驱动器固定在舱体的后端盖上，DSP控制器则通过螺柱固定在电机驱动器上；舱体尾部装有电缆螺旋接头，电缆螺旋接头将防水电缆固定、并密封在壳体上，防水电缆通过导线与壳体内部的DSP控制器及漏水检测传感器相连。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、电机的安装表面为电机输出轴一侧的前端面。

2、所述的舱体由前端盖、壳体、后端盖组成，前端盖通过螺钉与壳体相连，O型密封圈I套在前端盖上、夹在前端盖和壳体中间；壳体的另一端通过螺钉与后端盖相连，O型密封圈II套在后端盖上、夹在壳体和后端盖中间。

3、电机与螺旋桨的安装关系为电机的输出轴与驱动轴相连，螺旋桨通过防转销钉和锁紧螺母固定在驱动轴上；销钉将套筒固定在驱动轴上，缓冲元件夹在套筒和不锈钢推力轴承中间、套在驱动轴上；不锈钢推力轴承镶嵌在前端盖的最前端、套在驱动轴上，驱动轴通过缓冲元件和卡簧固定在不锈钢推力轴承上；进口骨架油封镶嵌在前端盖内、不锈钢推力轴承的后端、套在驱动轴上。

4、电机与螺旋桨的安装关系为电机的输出轴伸出前端盖之外，通过销钉直接与驱动轴固定在一起；进口骨架油封镶嵌在前端盖内、套在电机的输出轴上。

传统的水下螺旋桨推进器是通过导线与外部驱动控制器相连接，实现启动、停止及转速控制的，这种结构存在集成度不高，整体结果复杂，易于出现故障等缺点。如果能够将电机的驱动器、控制器集成到推进器密封壳体内部，将会大大降低推进器对外部环境的依赖性，增强推进器整体结构的紧凑性，降低故障发生率。本发明集驱动、控制及推进器于一体；带有温度传感器、漏水检测传感器和速度传感器，具有自主诊断功能；安装有推力轴承，结构紧凑、高效、安全。

本发明的水下推进器的电机，电机驱动器和DSP控制器以及漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、测量电机转速的编码器均封装在密封干燥的舱体内部。电机通过螺旋桨驱动轴带动螺旋桨转动。舱体由前端盖、壳体、后端盖组成，前端盖通过螺钉与壳体相连，O型密封圈I套在前端盖上，夹在前端盖和壳体中间；壳体的另一端与后端盖相连，O型密封圈II套在后端盖上，夹在壳体和后端盖中间。这样，前端盖、壳体、后端盖共同形成了一个中空的舱体，并通过两个O型密封圈实现了端盖与壳体间的静密封。漏水检测传感器安装在壳体内腔的最底部；铂电阻温度传感器安装在电机外壳上最靠近转子的部位。电机通过螺钉安装在壳体的前部，电机安装表面为前端面，编码器安装在电机的后端。DSP控制器和电机驱动器位于编码器的后面，与编码器间隔一定距离，以便散热和存放导线，电机驱动器通过螺柱固定在后端盖上，DSP控制器则通过螺柱固定在电机驱动器上。壳体尾部装有电缆螺旋接头，电缆螺旋接头将防水电缆固定、并密封在推进器壳体上，防水电缆通过导线与壳体内部的控制器及漏水检测传感器相连。防水电缆将外部能源及上位机的目标信号传递给DSP控制器，并将内部故障信号传递给上位机。水下推进器运行时，漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、测量电机转速的编码器分别将检测到的信号通过导线传递给电机控制器，控制器内部程序根据各传感器反馈的信息进行故障诊断和电机速度控制运算，以及控制信号调整，并将新控制信号发送给电机驱动器，电机工作。电机输出轴与螺旋桨驱动轴相连，螺旋桨驱动轴伸出前端盖之外，进口骨架油封镶嵌在前端盖内，套在螺旋桨驱动轴上，实现对螺旋桨驱动轴的动密封。推力轴承套在螺旋桨驱动轴上，镶嵌在推进器前端盖的最前端。螺旋桨驱动轴的中部有一个通孔，销钉穿过套筒和螺旋桨驱动轴上的孔，将套筒固定在螺旋桨驱动轴的中部。套筒的右端面将缓冲元件压在推力轴承的左侧面上；卡簧卡在螺旋桨驱动轴上，挡在推力轴承的右侧，这样螺旋桨驱动轴就固定在推力轴承上，由于推力轴承固定在推进器前端盖上，因此，螺旋桨驱动轴与推进器前端盖间只能存在相对转动，不会因为力的作用而发生轴向串动。在螺旋桨驱动轴的另一端，防转销钉和锁紧螺母将螺旋桨固定在螺旋桨驱动轴上。当电机被驱动时，电机输出轴通过螺旋桨驱动轴带动螺旋桨转动，水对螺旋桨的反作用力推动推进器及水下航行体运动。当水对螺旋桨的阻力传递到螺旋桨驱动轴上时，固定在前端盖上的推力轴承会将其抵消掉，不至于使过大的力传递到电机轴上影响电机寿命。

本发明的优点在于：

1、具有自诊断能力。

水下作业体的故障往往会造成不可估量的损失，因此水下作业体的故障诊断是非常重要的。

本推进器内部安装了漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、电机转速反馈传感器，它们反馈回来的信息为推进器的故障诊断及其所在航行体的故障容错提供了必要的硬件基础。DSP控制器内部程序首先根据编码器反馈回的信息和电机速度模型的输出值对推进器进行一次故障诊断，再根据当前时刻电机温度相对前一时刻电机温度进行一次故障诊断，两次诊断结果进行信息融合后给出最终故障类型，并传递给水下航行体内的上位机；漏水检测传感器则直接将信息传递给上位机，以便在漏水时及时采取应急处理措施。

2、集驱动器、控制器于推进器内部，信号传输故障的发生率低。

传统的推进器依靠安装在外部密封舱体内的驱动器和控制器发送驱动控制信号，通过防水电缆传递给推进器电机，此时，需要多个电器连接接口，这就容易出现因某接口接触不良造成的控制信号不稳定现象；并且，在信号传输过程中，容易受到其他电器元件的干扰，出现传输故障。本推进器将电机驱动器、控制器集成于推进器壳体内部，不必设置活动的电器接口，也不存在传输干扰问题，大大降低了外部信号传输故障的发生率。

3、适应不同工况环境。

本推进器所使用的铝合金材料外壳、不锈钢轴承和不锈钢螺旋桨驱动轴在中性和酸性液体环境下均有较强的抗腐蚀性。另外，所采用的推力轴承结构可以抵消螺旋桨所受轴向力、径向力，使得推进器承受外部载荷变动的能力较强。同时，当需要较小推力时，本发明又提供了一种结果更加简单，制造更加方便的实施方案。

4、具有精确的转速控制能力。

具有电机转速反馈传感器，与控制器形成速度控制闭环，推进器内部的DSP控制器根据速度的变化实时调整控制电压，达到精确控制螺旋桨转速的目的。

(四)附图说明

图1是本发明的第一种实施方式的结构剖视图；

图2是本发明的控制结构框图；

图3是本发明的推进器故障诊断过程图；

图4是本发明的第二种实时方式的结构剖视图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合附图1，本发明的水下推进器由锁紧螺母1、螺旋桨2、防转销钉3、驱动轴4、套筒5、销钉6、缓冲元件7、不锈钢推力轴承8、前端盖9、O型密封圈I10、铂电阻温度传感器11、电机12、电缆螺旋接头13、防水电缆14、螺钉15、卡簧16、进口骨架油封17、电机连接螺钉18、壳体19、漏水检测传感器20、编码器21、O型密封圈II22、DSP控制器23、连接螺柱24、电机驱动器25、后端盖26组成。O型密封圈I10套在前端盖9上、O型密封圈II22套在后端盖26上，前端盖9与壳体19、壳体19与后端盖26均通过螺钉15连接，这样，前端盖9、O型密封圈I10、螺钉15、壳体19、O型密封圈II22、后端盖26共同组成了一个中空密封的舱体，为内部的电机12、DSP控制器23、电机驱动器25及各传感器提供了干燥的空间环境。电机12通过电机连接螺钉18固定在壳体19的前端，电机12的输出轴与驱动轴4相连，螺旋桨2通过防转销钉3和锁紧螺母1固定在驱动轴4上。销钉6将套筒5固定在驱动轴4上，缓冲元件7夹在套筒5和不锈钢推力轴承8中间、套在驱动轴4上；不锈钢推力轴承8镶嵌在前端盖9的最前端，套在驱动轴4上，驱动轴4通过缓冲元件7和卡簧16固定在不锈钢推力轴承8上，进而与前端盖连成一体。进口骨架油封17镶嵌在前端盖9内、不锈钢推力轴承8的右侧，套在驱动轴4上，能够充分保证对驱动轴4的动密封。当电机12工作时，电机输出轴带动驱动轴4旋转，从而带动螺旋桨2旋转，此时，螺旋桨2受到的水的阻力会传到驱动轴4上，由于驱动轴4固定在不锈钢推力轴承8上，因此驱动轴4受的力会被不锈钢推力轴承8分解抵消，而不会传递到电机12的输出轴上，影响电机12的使用性能。漏水检测传感器20安装在壳体19内腔的最底部；铂电阻温度传感器11安装在电机12外壳上最靠近转子的部位；编码器21安装在电机12的后端。电缆螺旋接头13密封安装在壳体19的尾部，防水电缆14密封在电缆螺旋接头13内。防水电缆14将外部能源及上位机的目标信号传递给DSP控制器23，并将内部故障信号传递给上位机。呈圆盘形状的DSP控制器23和电机驱动器25、通过连接螺柱24固定在后端盖26上，DSP控制器23通过导线与防水电缆14连接，并将获得的能源动力传递给电机驱动器25，电机驱动器25将接收DSP控制器23给出的控制信号电机12工作。

推进器的控制结构如图2所示，水下推进器运行时，DSP控制器23结合上位机给出的目标信号、编码器21反馈的速度信息进行电机速度控制运算，并将新控制信号发送给电机驱动器25，进而电机12旋转，电机12最终带动螺旋桨2在水中旋转，产生推力。铂电阻温度传感器11、测量电机转速的编码器21分别将检测到的信号通过导线传递给DSP控制器23，DSP控制器23再根据各传感器反馈的信息进行故障诊断，并将故障信息发送给水下航行体内的上位机，漏水检测传感器20则直接将信息传递给上位机。上位机根据各故障信息进行总体容错处理后，发出新目标信号给DSP控制器23。

推进器故障诊断的过程见图3。首先将电机控制电压输入给电机速度模型，电机速度模型输出电机的理论转数，电机的理论转数与相同电机控制电压下编码器21反馈的电机实际转数作为输入进行一次故障诊断；再以铂电阻温度传感器11检测到的当前时刻电机温度和前一时刻电机温度作为输入进行一次故障诊断，两次故障诊断的结果作为输入再进行故障信息融合，最后得出具体故障类型，并发送给水下航行体内的上位机，以便进一步采取容错控制措施；漏水检测传感器20直接将漏水信息传递给上位机。

上述只是本发明的一种具体实施方式，根据需要本发明还可以采用其他的具体实施方式。本发明的第二种具体实施方式是在第一种实施方式的基础上加以简化，详见附图4。当推进器所需推力较小时，螺旋桨及其驱动轴所受水的阻力也比较小，在上述具体实施方式的基础上，将原方案中部分结构加以更改，便产生了第二种实施方式。水下推进器由锁紧螺母1、螺旋桨2、防转销钉3、驱动轴4、销钉6、前端盖9、O型密封圈I10、铂电阻温度传感器11、电机12、电缆螺旋接头13、防水电缆14、螺钉15、进口骨架油封17、电机连接螺钉18、壳体19、漏水检测传感器20、编码器21、O型密封圈II22、DSP控制器23、连接螺柱24、电机驱动器25、后端盖26组成。电机12的输出轴伸出前端盖9之外，通过销钉6直接与驱动轴4固定在一起。进口骨架油封17镶嵌在前端盖9内、套在电机12的输出轴上，实现对电机输出轴的动密封。此方案其它结构与方案一相同。当电机12工作时，电机输出轴带动驱动轴4旋转，从而带动螺旋桨2旋转，此时，螺旋桨2受到的水的阻力会传到驱动轴4上，并直接传递到电机12的输出轴上，但此力比较小，在电机承受能力之内，不会影响电机12的使用性能。前端盖9的轴向尺寸比方案一中小很多，这不但能够简化结构，使制造方便成本降低，而且，能够减小推进器的轴向尺寸及推进器的整体重量。

Claims (7)

1、一种带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，它包括电机、安装在电机轴前端的螺旋桨；其特征是：它还包括电机驱动器、DSP控制器以及漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、测量电机转速的编码器；电机、电机驱动器、DSP控制器、漏水检测传感器、铂电阻温度传感器、编码器均封装在密封干燥的舱体内部；漏水检测传感器安装在舱体内腔的最底部；铂电阻温度传感器安装在电机外壳上最靠近转子的部位；电机通过螺钉安装在舱体的前部，编码器安装在电机的后端；DSP控制器和电机驱动器位于编码器的后面且与编码器间隔一定距离；电机驱动器固定在舱体的后端盖上，DSP控制器则通过螺柱固定在电机驱动器上；舱体尾部装有电缆螺旋接头，电缆螺旋接头将防水电缆固定、并密封在壳体上，防水电缆通过导线与壳体内部的控制器及漏水检测传感器相连。

2、根据权利要求1所述的带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，其特征是：电机的安装表面为电机输出轴一侧的前端面。

3、根据权利要求1或2所述的带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，其特征是：所述的舱体由前端盖、壳体、后端盖组成，前端盖通过螺钉与壳体相连，O型密封圈I套在前端盖上、夹在前端盖和壳体中间；壳体的另一端与后端盖相连，O型密封圈II套在后端盖上、夹在壳体和后端盖中间。

4、根据权利要求1或2所述的带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，其特征是：电机与螺旋桨的安装关系为电机的输出轴与驱动轴相连，螺旋桨通过防转销钉和锁紧螺母固定在驱动轴上；销钉将套筒固定在驱动轴上，缓冲元件夹在套筒和不锈钢推力轴承中间、套在驱动轴上；不锈钢推力轴承镶嵌在前端盖的最前端、套在驱动轴上，驱动轴通过缓冲元件和卡簧固定在不锈钢推力轴承上；进口骨架油封镶嵌在前端盖内、不锈钢推力轴承的后端、套在驱动轴上。

5、根据权利要求3所述的带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，其特征是：电机与螺旋桨的安装关系为电机的输出轴与驱动轴相连，螺旋桨通过防转销钉和锁紧螺母固定在驱动轴上；销钉将套筒固定在驱动轴上，缓冲元件夹在套筒和不锈钢推力轴承中间、套在驱动轴上；不锈钢推力轴承镶嵌在前端盖的最前端、套在驱动轴上，驱动轴通过缓冲元件和卡簧固定在不锈钢推力轴承上；进口骨架油封镶嵌在前端盖内、不锈钢推力轴承的右侧、套在驱动轴上。

6、根据权利要求1或2所述的带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，其特征是：电机与螺旋桨的安装关系为电机的输出轴伸出前端盖之外，通过销钉直接与驱动轴固定在一起；进口骨架油封镶嵌在前端盖内、套在电机的输出轴上。

7、根据权利要求3所述的带有自主诊断功能的水下螺旋桨推进器，其特征是：电机与螺旋桨的安装关系为电机的输出轴伸出前端盖之外，通过销钉直接与驱动轴固定在一起；进口骨架油封镶嵌在前端盖内、套在电机的输出轴上。

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