CN101505076A - 水下球形电机推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种水下球形电机推进器。定子铁心为球形，球形定子铁心表面沿大圆开有三个相互垂直的槽，槽内分别放置三相集中绕组，绕组两两垂直，三相绕组的线圈通过电缆线接到水下密封插头上，定子铁心外面包有与其固定在一起的球形密封壳，球壳形的外转子通过橡胶轴承套在密封壳上，橡胶轴承表面开有水槽，在两个橡胶轴承之间为转子铁心，在转子铁心和密封壳之间留有微小的缝隙，转子铁心、橡胶轴承与转子外壳结合在一起，螺旋桨桨叶直接固定在转子外壳上。本发明实现了水下电机推进器的矢量推进，在提高了推进器性能的同时，可使水下工作装置简化机械结构，减轻质量、缩小体积，具有更好的应用性和更高的可靠性。

Description

水下球形电机推进器

(一)技术领域

本发明涉及一种水下以电机为动力装置的矢量推进器，特别是涉及一种采用外转子结构的球形电机。

(二)背景技术

随着电机及其控制技术的发展，各种形式的电机开始作为动力装置应用于水下推进器。但是在目前的电机推进器中，例如专利号为200620055186.1的电机推进器，推进电机采用的都是传统结构，螺旋桨通过减速器或其他传动结构与转子相连接，转子围绕一根固定轴旋转，螺旋桨只能推着负载在一个方向上实现前进和后退，若要变换运动方向，还需要在推进器后面增加方向舵，通过控制舵的角度来改变负载的运行轨迹，方向舵的增加不仅仅导致水下工作装置整体机械结构和运行控制的复杂化，而且也会降低推进效率。在实际中，还可以采用多台电机推进器，每台电机推进器只实现某一个特定方向的推进，这样多台联合工作，从而满足水下推进的需求。但这也会导致工作装置体积变大，质量增加，经济性变差。因此目前需要一种新型的电机推进器，在无需复杂的机械结构和其他辅助装置的前提下，可以灵活的改变推进方向。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在能够实现矢量推进的水下电机推进器的同时，可使水下工作装置机械结构简化、质量减轻、体积缩小，具有更好的应用性和更高的可靠性的水下球形电机推进器。

本发明的目的是这样实现的：

它包括静止不动的电机定子部分和转子与螺旋桨一体化的旋转部分，定子铁心1为球形，球形定子铁心表面沿大圆开有三个相互垂直的槽，槽内分别放置三相集中绕组，绕组包括第一绕组11、第二绕组12和第三绕组13，绕组两两垂直，三相绕组的线圈通过电缆线14接到水下密封插头16上，定子铁心外面包有与其固定在一起的球形密封壳2，球壳形的外转子通过第一橡胶轴承3和第二橡胶轴承9套在密封壳上，第一橡胶轴承3表面开有水槽4，第二橡胶轴承9表面也开有水槽、并且在中间位置留有过水孔10，在两个橡胶轴承之间为转子铁心6，在转子铁心6和密封壳2之间留有微小的缝隙7，转子铁心6、第一橡胶轴承3、第二橡胶轴承9都与外壳5结合在一起，螺旋桨桨叶8直接固定在外壳上。

本发明还可以包括：

1、密封壳2由非导磁、防锈、耐磨材料构成。

2、密封壳与负载连接的端部上留有过孔15。

3、球壳形的外转子与密封壳之间可相对转动。

4、转子铁心由耐腐蚀、低电阻率的的导磁材料构成。

5、外壳由耐腐蚀的非导磁材料构成。

工作原理：

外部控制器通过水下密封插头16和电缆线14向绕组11、12、13内馈入三相交流电，由电机学中交流绕组磁动势的相关知识可知，当绕组11和绕组12内的交流电幅值和频率相同，而相位相差90°电角度时，会在球形定子铁心外表面上形成一个在xz平面内匀速旋转的磁场；绕组11和绕组13内的交流电幅值和频率相同，而相位相差90°电角度时，会在球形定子铁心外表面上形成一个在yz平面内匀速旋转的磁场；绕组12和绕组13内的交流电幅值和频率相同，而相位相差90°电角度时，会在球形定子铁心外表面上形成一个在xy平面内匀速旋转的磁场，磁动势的大小取决于交流电的幅值，转速取决于交流电的频率，转向取决于交流电的相位关系。因此，只要控制馈入三个绕组内的交流电的幅值、频率和相位，就可以在球形定子铁心1的表面形成一个沿任意一个大圆，以任意转速、转向旋转的空间磁场，由于密封壳2为非导磁材料构成。因此定子磁场可以透过密封壳2进入转子铁心6，在转子铁心6中形成涡流，进而形成转子磁场，定、转子磁场相互作用，稳定运行时，转子磁场轴线与定子磁场轴线重合，转子跟随定子磁场一起旋转，从而带动螺旋桨桨叶8旋转，实现推进。由于转子磁场是利用感应电流产生的，因此转子转速必然低于定子磁场转速。当定子磁场的空间位置、转速、转向发生变化时，转子铁心6在球形密封壳2表面的相对位置、转速、转向也会跟随改变，螺旋桨的推进方向、推进力的大小随之改变，最终实现在三维立体空间内任意方向的推进。推进过程中橡胶轴承3和9起到支撑、定位作用，水流通过橡胶轴承3表面的水槽4和橡胶轴承9表面的水槽以及过水孔10，进入到转子铁心6与密封壳2之间的缝隙7中，起到润滑作用。虽然由于密封壳与其他装置连接端部的限制，转子铁心6不可能沿着密封壳2的球形表面任意大圆转动，即螺旋桨偏转角度受到限制，但是螺旋桨的推进方向仍可以在较大空间范围内调节，实现前进、后退、上浮、下沉、左传、右转等运行状态。图6(a)给出了电机推进器的一种具体工作状态，电机推进器工作时，定子铁心静止，x、y、z三个轴的方向不变，kk′表示定子旋转磁场的轴线，推进电机稳定运行时，kk′也是转子铁心和螺旋桨的旋转轴线。通过控制三个绕组中的交流电，可以改变kk′与x、y、z三轴之间的夹角。在图9中，kk′与z轴垂直，位于x轴和y轴之间，当螺旋桨按图中所示方向旋转时，电机推进器将推动负载向左下方运动。kk′空间位置不变，螺旋桨反转，如图10所示，电机推进器将推动负载向右上方运动。改变kk′与z轴的夹角，使两者不再垂直，则电机推进器又可以提供z轴方向的推进。

结构特点：

(1)采用球形定子铁心、三相交流绕组空间相互垂直放置，通过控制馈入的三相交流电，可在定子铁心表面形成任意位置，转速、转向可调节的空间旋转磁场。

(2)采用非导磁材料做成的定子铁心密封外壳，除用于与其他装置相连接和用于绕组进线的端部外，外形为球形，其既可以实现定子绕组密封，确保定子磁场可透过密封壳，又可以使转子部分沿其球形表面任意转动。

(3)转子铁心位于两个橡胶轴承之间，两个橡胶轴承起到支撑、定位作用，使转子在定子磁场的牵引下，能够沿密封壳球形表面旋转，橡胶轴承表面开有水槽，电机运行时，进入缝隙间的水即可以起到润滑作用，还可以有助于电机的散热。

(4)螺旋桨和电机转子采用一体化结构，无需传动轴和机械减速机构。

(5)球形电机推进器的整体结构中，只有定子绕组采用密封壳实现静密封，不存在任何动密封结构。

(6)在定子铁心轴线不变的前提下，转子铁心轴线即螺旋桨轴线在三维空间内的指向可灵活改变。

有益效果：

(1)球形电机推进器结构中没有输出轴和减速器，体积小、效率高。

(2)通过磁场耦合，实现密封壳内外的能量传递，不存在动密封结构，密封性能好，总体结构简单，可用于深水环境。

(3)单台球形电机推进器通过调节定子磁场，就可灵活改变推进方向，实现矢量推进，无需方向舵和其他辅助设备，因此可以简化水下工作装置的总体结构、减轻质量、缩小体积。

(4)螺旋桨堵转时，不会对电机推进器造成物理性损坏，虽然此时转子铁心发热严重，但是由于其置于水中，因此散热环境好，不会烧坏。

(四)附图说明

图1是本发明球形电机推进器的外形示意图；

图2是图1的右视图；

图3是球形电机推进器静止部分的外形示意图；

图4是图3的右视图；

图5是球形电机推进器旋转部分的外形示意图；

图6是图5的右视图；

图7是球形电机推进器剖面结构图；

图8是球形电机推进器三相绕组空间位置示意图；

图9和图10分别是球形电机推进器的一种工作状态示意图。

(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：

结合图1-图6，本发明为了使电机推进器能够在无需方向舵，更不需要多台电机推进器配合的情况下，依靠自身动力改变推进方向，在实现水下电机推进器矢量推进的同时，可使水下工作装置简化机械结构，减轻质量、缩小体积，具有更好的应用性和更高的可靠性。所设计的水下球形电机推进器，从结构上可将其分成静止不动的电机定子部分和转子与螺旋桨一体化的旋转部分，分别如图2和图3所示。总体结构剖面示意图如图7所示。定子铁心1为球形，为了减小工作过程中的铁损，可由硅钢片叠装而成，球形铁心表面沿大圆开有三个相互垂直的槽，槽内分别放置三相集中绕组11、12、13，以铁心的球心为坐标原点建立三维坐标系，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向，垂直纸面向外为z轴正方向，绕组11、12、13的空间位置关系如图8所示，绕组两两垂直，三相绕组的线圈通过电缆线14接到水下密封插头16上。定子铁心外面包有与其固定在一起的球形密封壳2，密封壳2由非导磁、防锈、耐磨材料构成，为了确保电机的性能，密封壳不能太厚，密封壳与负载连接的端部上留有过孔15，便于电机推进器的安装、固定。球壳形的外转子通过橡胶轴承3和橡胶轴承9套在密封壳上，可沿多个方向转动，橡胶轴承3和9之主要起到支撑作用，橡胶轴承3表面开有水槽4，橡胶轴承9表面也开有水槽，并且在中间位置留有过水孔10。在两个橡胶轴承之间为转子铁心6，其由耐腐蚀、低电阻率的的导磁材料构成，在转子铁心6和密封壳2之间留有微小的缝隙7。转子铁心6、橡胶轴承3、橡胶轴承9都与外壳5结合在一起，外壳5由耐腐蚀的非导磁材料构成，并且螺旋桨桨叶8直接固定在外壳上，形成螺旋桨与外转子一体化的结构。

外部控制器根据航向、航速等指令，控制馈入定子绕组11、12、13的三相交流电，进而调节定子磁场在定子球形铁心1上的空间位置、旋转速度和转向，定子磁场在转子铁心6中产生涡流，形成转子磁场，定转子磁场相互作用，稳定运行时，转子铁心6的轴线kk′与定子磁场轴线重合，并且转子铁心6随着定子磁场一起同向旋转。根据电磁感应原理可知，转子磁场转速必然低于定子磁场转速，由于螺旋桨桨叶8与转子采用一体化结构，因此螺旋桨的推进方向、推进速度会跟随定子磁场的改变而变化，从而可以使球形电机推进器完全依靠自身动力实现推进过程中的推进方向的改变，而不需要方向舵和其他辅助装置。转子铁心6依靠橡胶轴承3和橡胶轴承9来支撑、定位，运行过程中，水通过橡胶轴承3表面的水槽4、铁心6与密封壳2之间的缝隙7、橡胶轴承9表面的水槽以及过水孔10，形成回路，即可以起到润滑作用，又有利于电机的散热。

以上实施方式中定子绕组采用的是集中绕组形式，为了改进电机性能，定子绕组也可以采用分布绕组，其他细节同上述实施方式。

Claims (9)

1、一种水下球形电机推进器，它包括静止不动的电机定子部分和转子与螺旋桨一体化的旋转部分，其特征是：定子铁心【1】为球形，球形定子铁心表面沿大圆开有三个相互垂直的槽，槽内分别放置三相集中绕组，绕组包括第一绕组【11】、第二绕组【12】和第三绕组【13】，绕组两两垂直，三相绕组的线圈通过电缆线【14】接到水下密封插头【16】上，定子铁心外面包有与其固定在一起的球形密封壳【2】，球壳形的外转子通过第一橡胶轴承【3】和第二橡胶轴承【9】套在密封壳上，第一橡胶轴承【3】表面开有水槽【4】，第二橡胶轴承【9】表面也开有水槽、并且在中间位置留有过水孔【10】，在两个橡胶轴承之间为转子铁心【6】，在转子铁心【6】和密封壳【2】之间留有微小的缝隙【7】，转子铁心【6】、第一橡胶轴承【3】、第二橡胶轴承【9】都与外壳【5】结合在一起，螺旋桨桨叶【8】直接固定在外壳上。

2、根据权利要求1所述的水下球形电机推进器，其特征是：密封壳【2】由非导磁、防锈、耐磨材料构成。

3、根据权利要求1或2所述的水下球形电机推进器，其特征是：密封壳与负载连接的端部上留有过孔【15】。

4、根据权利要求1或2所述的水下球形电机推进器，其特征是：球壳形的外转子与密封壳之间可相对转动。

5、根据权利要求3所述的水下球形电机推进器，其特征是：球壳形的外转子与密封壳之间可相对转动。

6、根据权利要求1或2所述的水下球形电机推进器，其特征是：转子铁心由耐腐蚀、低电阻率的的导磁材料构成。

7、根据权利要求3所述的水下球形电机推进器，其特征是：转子铁心由耐腐蚀、低电阻率的的导磁材料构成。

8、根据权利要求4所述的水下球形电机推进器，其特征是：转子铁心由耐腐蚀、低电阻率的的导磁材料构成。

9、根据权利要求5所述的水下球形电机推进器，其特征是：转子铁心由耐腐蚀、低电阻率的的导磁材料构成。

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