CN102195403B - 一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，该装置包括基座、推进电机和螺旋桨，推进电机包括定子和转子，定子和转子之间形成大气隙；定子与基座连接，定子内表面开槽，槽内放有定子绕组；转子为实心结构，转子表面设有永磁体，永磁体采用Halbach阵列放置；螺旋桨和电机为一体化结构，螺旋桨直接嵌在转子内部。本发明通过对电机结构和螺旋桨结构进行优化设计，能够解决水下推进电机噪声高的问题，可以使电机质量减轻、转动惯量变小，具有良好的动态响应特性；同时，转子为实心、无需起动绕组，所以结构简单、起动力矩大；电机的大气隙可以使水流从中流过时阻力更小；另外，电机在全功率范围内的功率因数和效率都很高。

Description

一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置

技术领域

本发明涉及一种电力推进装置，具体涉及一种将电机和螺旋桨集成到一起的水下永磁推动装置。 

背景技术

随着吊舱式电力推进的出现，使得机桨一体化技术的应用成为可能。1989年由KMY(Kvaerner Masa-Yards)和ABB两家公司率先提出了吊舱式电力推进的设想，作为一种有效的推进方式，很快就得到了广泛的认可。一年后，ABB.Azipod公司首次将吊舱式电力推进系统应用到实船——Seili号航道维修船，取得了很好的效果。随后，各大公司争先发展自己的吊舱式推进系统。 

在吊舱式电力推进迅猛发展的带动下，90年代初，在国内外又出现了另外一种新型的电力推进装置——电机推进器一体化模块，又称电机推进器综合体(Integrated Motor Propulsor)，简称IMP。IMP最早是由美国海军水下作战中心和宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室联合研制，最初主要用于无人潜行器，随后由Westinghouse电气公司(匹兹堡)负责代理，于1989年5月16日获得美国专利(U.S.Patent)4831297。后来Westinghouse电气公司在系统轴承拆装、水动力特性、进排水扰流和电机设计等方面进一步做了改进，于1993年6月15日再次获得专利5 220 231。国内方面，由于该装置技术含量非常高，从电机和材料的选择到加工制造工艺无不经过精心设计，所以到目前为止，国内这方面的研究仍停留在实验室阶段，还没有正式的产品出现。 

永磁体的Halbach阵列是一种新型的排列结构，理想Halbach阵列的磁场分布是纯正弦(余弦)的。Halbach阵列另一特点是磁极磁场的大小在永磁材料的一边大幅度地增加，在另一边却大幅度地减小，即所谓的磁自屏蔽特性(self shieding)。如果在永磁电机设计中利用这一特点，就可以在永磁材料体积不变的条件下，获得较高的气隙磁通密度。由机电能量转换的知识可知，电机的单位体积储能随磁场磁通密度的增强而变大。那么与传统径向永磁电机相比，Halbach电机的功率密度自然增大。国内关于Halbach电机研究的相关报道不是很多，从文献检索来看，沈阳工业大学在心脏血液循环助推系统装置中、山东大学在飞轮储能系统中和中国科学院在自由电子激光摇摆磁场分布测量装置中对Halbach列有所研究。应该说，Halbach电机的研究在国内属于一个较新的领域。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种效率和功率因 数高、噪声低、体积小、重量轻，并且密封效果好、水下运行可靠性高的一体化永磁推进装置。 

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，包括基座、推进电机和螺旋桨，所述推进电机包括定子和转子，定子和转子之间形成大气隙；所述定子与基座连接，定子内表面开槽，槽内放有定子绕组；所述转子为实心结构，转子表面设有永磁体，永磁体采用Halbach阵列放置；所述螺旋桨和推动电机为一体化结构，螺旋桨直接嵌在转子内部。 

本发明通过将转子设计为实心结构，可以达到无需起动绕组、结构简单和起动力矩大的优点；转子上的永磁体采用Halbach阵列结构，使其转子轭部厚度为同功率等级其他电机的三分之一至四分之一，具有质量轻、转动惯量小、动态响应好的特点。 

为了降低噪声，本发明采用流线型的管道式设计，并且取消传统的泵轴，所述推进电机两端设有管道状吸声结构和密封圈，管道状吸声结构与基座之间填充有橡胶减震隔离层。在机座和管道吸声结构之间设有橡胶减震隔离层，管道状吸声结构对称安装在电机两端，使噪声源相对集中，便于采取吸声、阻尼吸振和隔振措施，从而大大降低水泵辐射噪声。 

为了带来良好的冷却效果并减小水流阻力，所述大气隙的长度是同功率等级感应电机气隙长度的10到20倍，可以达到6～7mm。大气隙使得水流可从定转子间的气隙中流过，带来良好冷却效果的同时减小了水流阻力，电机在全负载范围内的效率和功率因数要比同等级其他电机高出很多。 

作为优选，所述定子由硅钢片叠压而成，硅钢片通过导磁的垫片、簧片以及螺栓进行固定；所述转子为复合性材料浇铸的实心铸体；所述基座内设有密封孔道，外部电路的导线通过水下密封插头再经由密封孔道与定子绕组相连；所述推进电机和螺旋桨外部设有外壳，所述外壳为流线型圆滑状结构。 

本发明中，在电机转子内部嵌有螺旋桨(泵叶)，根据流体力学设计成多桨叶结构，水泵没有中心轴，转子的定位和支撑是由气隙中的轴向轴承和径向轴承完成的。 

此外，本发明采用树脂填充型水密封技术解决了水下电机推进器的密封问题，进行水密封所用的树脂具有良好的机械性能、绝缘性能、导热性能和浇注性能，其膨胀系数与金属接近；无轴承设计和树脂填充水密封技术使推进器水下工作的可靠性得到极大的提高。 

本发明的原理如下：本发明在工作时，推进电机由变频器供电，由于电机的特殊设计，定子绕组产生的旋转磁场谐波很小，可忽略不计。转子上的永磁体采 用90°-Halbach阵列放置，相比于普通永磁电机，这种特殊的永磁体排列阵型有诸多优点。起动初期定子旋转磁场在实心转子内感生涡流，涡流在旋转磁场中受力产生起动力矩，当转子接近同步转速时，转子上的永磁体产生的磁场与定子旋转磁场相互作用，将电机牵入同步转速。由于密封外壳和密封圈的作用，推进装置外部的水不会进入电机内部。推进装置运行时，部分水流会从定转子间的大气隙流过，使电机的冷却条件得到优化，也使得水流从其中通过时阻力减少；螺旋桨的桨叶镶嵌在实心转子内部跟随转子一起旋转，形成水下推进。管道状吸声结构安装在电机两端，连同密封圈一起，二者内部都填有橡胶减震隔离层。本发明采用无轴承设计和树脂填充水密封技术，同时定子绕组表面涂有1mm厚的绝缘材料，使推进装置在水下运行时的可靠性得到充分保证。 

有益效果：本发明的一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，与现有技术相比，具有以下优点： 

1、本发明通过将转子设计为实心结构，转子上无需起动绕组，使电机结构简单，更加可靠耐用，同时也能够消除起动绕组带来的绝缘问题； 

2、本发明的转子上无需安装位置传感器，可以消除由传感器及其导线带来的安全隐患； 

3、本发明中，推动电机和螺旋桨为一体化无轴承设计，可以确保在水下运行时不被杂物缠绕，消除故障隐患；去除连接轴和机械减速器后，可以减小推进器的轴向尺寸和重量。 

4、本发明通过将管道状吸声机构对称安装在电机两端，并在机座和管道状吸声结构之间填充橡胶减震隔离层，使噪声源相对集中，便于采取吸声、阻尼吸振和隔振措施，从而大大降低水泵辐射噪声； 

5、本发明中，电机的特殊结构使其转子轭部厚度为同功率等级其他电机的三分之一至四分之一，转子质量轻、转动惯量小、动态响应好； 

6、本发明中，定转子间大气隙使水流从中流过提高冷却条件的同时也使得所受阻力减小，能够提高电机效率； 

7、本发明中，电机在全功率范围内功率因数均较高，当负载超过50％的额定负荷时，功率因数接近于1；电机在全功率范围内效率较高，推进系统在额定负载时效率达到93.66％，远远高于同功率等级普通电机的推进器； 

8、本发明克服普通水密封型式的缺点，采用树脂填充型水密封技术，使水下推进电机的制作工艺与普通电机相同，在降低生产工艺要求的同时可以提高密封效果。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为图1中推进电机和螺旋桨的一体式结构示意图； 

图3为90°-Halbach结构的等效结构图； 

图4为90°-Halbach电机计算模型图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1和2所示，本发明的一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，包括基座2、推进电机和螺旋桨9，基座2通过螺栓连接在船体底部，推进电机和螺旋桨9外部设有外壳，外壳为流线型圆滑状结构；推进电机包括定子6和转子10，定子6和转子10之间形成大气隙11；定子6与基座2连接，定子6内表面开槽，槽内放有定子绕组7；转子10为实心结构，转子10表面设有永磁体12，永磁体12采用Halbach阵列放置，即永磁体12依径向和水平充磁方向依次摆放；螺旋桨9和电机为一体化结构，螺旋桨9直接嵌在转子10内部。 

本实施例中，定子6为硅钢片叠压而成，硅钢片通过导磁的垫片、簧片以及螺栓进行固定，定子绕组7表面涂有1mm厚的绝缘材料5；转子10为复合性材料浇铸的实心铸体；转子10的定位和支撑是由气隙11中的轴承14完成，轴承14包括轴向轴承和径向轴承；推进电机两端设有管道状吸声结构4和密封圈8，管道状吸声结构4与基座2之间填充有橡胶减震隔离层；大气隙11的长度是同功率等级感应电机气隙长度的10到20倍，可以达到6～7mm；外部电路的导线1通过水下密封插头再经由密封孔道3进入推进电机内部，与定子绕组7相连。 

本发明在使用时，推进电机由变频器供电，因为电机的特殊结构，定子绕组7产生的旋转磁场谐波很小，可忽略不计。定子绕组7在一系列SPWM波作用下在电机内部形成圆形旋转磁场，定子磁场经由定子6、气隙11、永磁体12、转子铁心10再经由气隙11形成闭合回路。在电机起动初期，定子6产生的旋转磁场将以同步转速切割实心转子10，于是转子10内部产生感应电流，感应电流在旋转磁场中受力产生起动力矩，当转子10接近同步转速时，永磁体12产生的磁场与定子磁场相互作用，将电机牵入同步转速。管道吸声状结构4放置在电机的两端，内部填充有橡胶减震隔离层用以减小噪声。在工作过程中，水流从定子6和转子10之间的大气隙11中流过，既不破坏绝缘，又能起到冷却电机的作用，而且大气隙减小了水流所受阻力，提高电机效率。 

此外，本发明采用树脂填充型水密封技术解决水下电机推进器的密封问题，进行水密封所用的树脂具有良好的机械性能、绝缘性能、导热性能和浇注性能，其膨胀系数与金属接近；无轴承设计和树脂填充水密封技术使推进器水下工作的 可靠性得到极大的提高。 

需要特别说明的是：本发明中推动电机采用内置永磁电机，转子10上的永磁体12采用90°-Halbach阵列：如图3所示，对于90°-Halbach磁体阵列，永磁体每极由主磁极(径向)和辅助磁极(切向)构成。由于辅助磁极对主磁极的补偿作用，气隙磁场波形会根据辅助磁极的贡献大小出现平顶波或马鞍形波。减少辅助磁极的厚度和宽度，则可以改变它对磁场的贡献，进一步改善气隙磁场波形。此外，合理配比磁体结构也是改善电机易达到饱和的一种方法。通过径向磁体与切向磁体的合理配比，可以有效地控制磁密波形的分布，避免由于磁场分布不均造成的局部磁场密度过大，引起轭部局部磁饱和。为了能够充分发挥径向磁体的主导作用，又能够使切向磁体对波形有补偿作用，以获得较高的气隙磁密幅值和较好的近正弦分布，同时使电机避免工作在过饱和点，本发明中对径向磁体与切向磁体体积的选取进行了特殊设计。 

如图4所示即为90°-Halbach电机的计算模型。区域I为气隙；区域II为永磁体，磁体磁化方向如箭头所示；网格部分分别代表定子轭和转子轭。 

图中参数定义如下： 

R_r-永磁体阵列内径；R_m-永磁体阵列外径；R_S-定子内径；τ_mp-极距； 

τ_mr-径向永磁体弧长；τ_mθ-切向永磁体弧长；β-配比系数，β＝τ_mr/τ_mθ。 

在电磁场中， 

和 的关系为： 

气隙中I： 

永磁体中II： 

其中：μ₀真空中磁导率，μ_r磁介质的相对磁导率，M永磁体的剩余磁化强度。 

根据磁通连续性原理 经推导可得到区域I和区域II中标量磁位表达的磁场基本方程，进而得到磁化强度的分布。 

与其他电机相比，采用此种永磁体排列方式有如下突出优良特性：(1)能得到在空间按理想正弦分布的磁场，可以大大减弱电机的齿槽效应力矩；(2)Halbach型永磁体阵列的一侧磁场很强，另一侧很弱，这一特性有助于提高电机气隙中的磁密和减小电机轭部的厚度，从而提高电机的力能密度和缩小电机体 积；除可以降低制造成本外，还使电机转子的质量和转动惯量相应变小，有助于提高电机的动态特性；(3)采用Halbach型永磁体阵列，可以降低电机的电磁力矩脉动，降低对电机轴承的要求；(4)独特的电机设计使得电机转子轭部具有较薄的厚度，且定转子间气隙较大，水流流过时的阻力大大减小，同时也可减小电机的空载损耗。 

这些优良的特性都是本项目电机所急切需要的：首先，类正弦的磁场分布，可以减小齿槽效应力矩，减弱转矩脉动，降低噪声，正是本装备设计的初衷；其次，由于电机是作为循环水泵的一部分，需要不间断的启停，磁自屏蔽特性就可以帮助转子10减小质量和转动惯量，使电机获得优良的动态性能；再次，采用Halbach结构还可以获得更大的气隙11，这一性质十分宝贵。正是由于具有较大的气隙11，才可以使水泵的其他结构有拥有活动的空间，如轴承14的安装、气隙11流水散热的实现和抗冲击振动能力的获得等等，大气隙11的获得，是采用Halbach结构的最直接原因；最后，由于电机采用无转轴设计，那么轴承14便成为整套装置的核心部件之一，降低电机力矩脉动，能对轴承14起到有效的保护作用。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，其特征在于：包括基座（2）、推进电机和螺旋桨（9），所述推进电机包括定子（6）和转子（10），定子（6）和转子（10）之间形成大气隙（11）；所述定子（6）与基座（2）连接，定子（6）内表面开槽，槽内放有定子绕组（7）；所述转子（10）为实心结构，转子（10）表面设有永磁体（12），永磁体（12）采用Halbach阵列放置；所述螺旋桨（9）和推进电机为一体化结构，螺旋桨直接嵌在转子内部；所述推进电机两端设有管道状吸声结构（4），管道状吸声结构（4）对称安装在推进电机两端，管道状吸声结构（4）与基座（2）之间填充有橡胶减震隔离层，所述大气隙（11）的长度为6~7mm。

2.根据权利要求1所述的大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，其特征在于：所述定子（6）由硅钢片叠压而成，硅钢片通过导磁的垫片、簧片以及螺栓进行固定。 

3.根据权利要求1或2所述的大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，其特征在于：所述基座（2）内设有密封孔道（3），外部电路的导线（1）通过水下密封插头再经由密封孔道（3）与定子绕组（7）相连。

4.根据权利要求1或2所述的大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，所述推进电机和螺旋桨（9）外部设有外壳，所述外壳为流线型圆滑状结构。

5.根据权利要求1或2所述的大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，所述转子（10）通过轴承（14）进行定位和支撑；所述轴承（14）包括轴向轴承和径向轴承。 

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