CN102632982A - 无轴驱动式集成电机推进器 - Google Patents

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曹庆明
赵文峰
董郑庆
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Abstract

本发明公开了一种无轴驱动式集成电机推进器，设置在水面或水下航行器的艇体的尾部，由串联排列在实心非旋转轴上的前置定子、转子螺旋桨与后置定子三段组成，螺旋桨桨叶外周连接在环形的螺旋桨周向轮缘上，转子永磁体嵌套在螺旋桨周向轮缘内；在导管的内腔中设置有定子绕组，转子永磁体与定子绕组均采用水密封，两者之间设置间隙形成环形电机。本发明将永磁电机与螺旋桨和导管有机结合形成一个模块化单元，易于在水面和水下平台上安装，适用于水面船舶或水下潜器的大功率主推，结构合理，推进效率高，水动力辐射噪声低，空泡性能优良，且安全可靠。

Description

无轴驱动式集成电机推进器
技术领域
本发明涉及船舶推进器领域，尤其是一种无轴驱动式集成电机推进器。
背景技术
随着船舶技术的飞速发展，人们对船舶推进装置的要求也大大提高，传统的轴驱式推进器存在诸如噪声、振动和布局等缺点，已经不能适应水面和水下高性能平台的要求，因而出现了电机与螺旋桨一体的推进器，目前主要存在实心有榖和空心无榖两种形式。
美国专利文件《Integral Motor Propulsor Unit For Water Vehicles》(US005220231A)是一种有榖空心轴式集成电机推进器，该推进器是一种导管螺旋桨，在导管内部安装电机定子绕组，在转子螺旋桨周向轮缘外部安装转子永磁体，同时转子螺旋桨安装在一个空心的非旋转轴上，通过径向轴承和主、辅推力轴承组合固定转子螺旋桨和传递推力。该专利所述的推进器为集成式，其导管、转子螺旋桨和定子支撑臂与空心非旋转轴连接成为一个整体，适用于水面或水下平台的动力定位推进器，但是其结构形式限制了功率，而且作为主推时无法与艉部线型匹配。空心非旋转轴结构设计有利于形成循环水流润滑轴承，但是当功率增大以后会带来强度和结构振动问题。此外，定子绕组的输入电源线外置在导管外部，极易发生电缆缠绕，而且这种外置形式降低了电缆的安全性。
美国专利文件《Shaftless Propeller》(US20070126297A1)，以及中国专利《无轴推进器》(CN1897417A)和《水下空心无榖桨推进器》(CN101546939A)均是一种无榖式空心集成电机推进器，该推进器是在圆柱形开口的流道内安装带环形永磁体的转子叶片，而且在转子和定子间安装可倾瓦块轴承，可以承受相对较高的载荷，空心无榖的结构有利于减小附体阻力和解决防止缠绕问题。但是这种推进器不适用于大功率情况，尤其是当功率达到几百或几千千瓦级时，空心无榖结构使每个叶片成为向内凸出的悬臂梁，将会带来严重的结构振动和噪声问题。
发明内容
本申请人针对上述现有生产中这些缺点，提供一种结构合理的无轴驱动式集成电机推进器，从而适用于大功率、高航速、与艉部线型匹配良好、结构强度和振动性能优良、无梢涡空泡，且安全可靠。
本发明所采用的技术方案如下：
一种无轴驱动式集成电机推进器，设置在水面或水下航行器的艇体的尾部，由串联排列在实心非旋转轴上的前置定子、转子螺旋桨与后置定子三段组成；前置定子与后置定子的桨榖固定在实心非旋转轴上，桨叶外端固定在导管上；转子螺旋桨设置在前置定子与后置定子之间，螺旋桨桨榖可枢转地设置在实心非旋转轴上，螺旋桨桨叶外周连接在环形的螺旋桨周向轮缘上，转子永磁体嵌套在螺旋桨周向轮缘内；在导管的内腔中设置有定子绕组，转子永磁体与定子绕组均采用水密封，两者之间设置间隙形成环形电机。
作为上述技术方案的进一步改进：在螺旋桨桨榖的内周设置环形轴承，在实心非旋转轴的外周套设橡胶套，在橡胶套与环形轴承之间，安装有前后两套轴瓦，环形轴承前端通过前止推轴承与轴承座抵接在前置定子桨榖端面，后端通过后止推轴承抵接在后置定子桨榖端面。
前后止推轴承的表面开设沟槽，橡胶套外表面开有螺旋型沟槽。
后置定子桨榖通过螺纹连接旋紧在实心非旋转轴上。
所述前置定子与后置定子为预旋式，其展向各个剖面的攻角各不相同；或者是非预旋式，其展向各个剖面相对来流方向攻角为零。
导管为长导管，其长度范围为0.7～1.0倍螺旋桨直径，为加速或减速型导管。
动力源电缆穿过实心非旋转轴的内孔、前置定子与定子绕组连接。
螺旋桨周向轮缘与导管之间安装有水润滑轴承。
本发明的有益效果如下：
本发明将永磁电机与螺旋桨和导管有机结合形成一个模块化单元，易于在水面和水下平台上安装，适用于水面船舶或水下潜器的大功率主推，特别适用于水下高速运载器。模块化单元结构使电机直径大大增加，提高了电机的输出转矩，而且转子的周向设置有轮缘，使桨叶叶梢结构不是悬臂梁，这种叶梢结构使转子在外半径可以承受较大的载荷，同时前后置定子带预旋的结构形式，不仅提高了推进效率，而且也降低了转子产生的水动力辐射噪声。
与空心无榖推进器相比，本发明通过实心非旋转轴、前后两级定子支撑臂结构和电缆内置的设计，不仅可以与艉部线型保持匹配，而且结构设计比较合理，可以有效减小转子和导管的振动，同时也省去了复杂的轴系布置，改善了噪声性能。本发明的转子螺旋桨旋转时不会产生梢涡，空泡性能优良。本发明的定子线圈供电电缆内置设计形式，不存在电缆缠绕的可能，大大增加了电缆的安全性。本发明的多组推进器轴承利用离心力进行水润滑，省去轴承的密封，整体结构相对简单，易于经常更换。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明的纵向中剖面视图。
图3是图2中的A部放大图。
图4是图2中的B部放大图。
图中：1、导管；3、前置定子；31、前置定子桨榖；32、前置定子桨叶；4、转子螺旋桨；41、螺旋桨桨榖；42、螺旋桨桨叶；43、螺旋桨周向轮缘；5、后置定子；51、后置定子桨榖；52、后置定子桨叶；53、螺纹连接；6、周向挡板；7、定子绕组；8、实心非旋转轴；9、动力源电缆；10、艇体；11、转子永磁体；12、密封环；13、轴承；14、环形薄壁件；15、后止推轴承；16、前止推轴承；17、橡胶套；18、轴瓦；19、环形轴承；20、轴承座；21、紧固件；22、密封胶。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2所示，本发明所述的无轴驱动集成电机推进器设置在水面或水下航行器的艇体10的尾部，由前置定子3、转子螺旋桨4与后置定子5三段串联排列在实心非旋转轴8组成，其中前置定子3与后置定子5的内周固定在实心非旋转轴8上，外周通过螺钉等紧固件21固定加速或减速导管1，转子螺旋桨4内周可枢转地设置在实心非旋转轴8上，外周通过螺旋桨周向轮缘43可回转的配合在导管1内。
如图2所示，前置定子3的前置定子桨榖31固定在实心非旋转轴8上，前置定子桨叶32的外端通过紧固件21锁紧连接导管1。同样，后置定子5的后置定子桨榖51通过螺纹连接53旋紧在实心非旋转轴8上，后置定子桨叶52的外端通过紧固件21锁紧连接导管1。前置定子3与后置定子5为预旋式叶片，其展向各个剖面的攻角各不相同；前置定子3也可为非预旋式，展向各个剖面相对来流方向攻角为零，剖面翼型为NACA（美国国家航空咨询委员会 National Advisory Council for Aeronautics）形式。导管1为长导管，其长度范围为0.7～1.0倍螺旋桨直径，可以为加速型导管，也可以为减速型导管。
转子螺旋桨4设置在前置定子3与后置定子5之间，如图4所示，环形轴承19通过螺栓连接在螺旋桨桨榖41的内周形成一体，在实心非旋转轴8的外周套设橡胶套17，在橡胶套17与环形轴承19之间，安装有前后两套轴瓦18，环形轴承19前端通过前止推轴承16与轴承座20抵接在前置定子桨榖31端面，后端通过后止推轴承15抵接在后置定子桨榖51端面。前后止推轴承的表面开沟槽，橡胶套17外表面开有螺旋型沟槽，工作时水流在离心力的作用下，被推动并依次通过前止推轴承16、橡胶套17、后止推轴承15形成循环水流，起到散热和浸润轴承的作用。轴瓦18由具有坚硬覆盖层的金属或金属合金制造，环形轴承19可由塑料材料或金属塑料合成材料制造，且其与轴瓦18的接触面采用低摩擦系数的材料覆盖。液体动压止推轴承可采用高分子塑性材料或者是金属塑料合成材料制造。
转子螺旋桨4的螺旋桨桨叶42外周连接在环形的螺旋桨周向轮缘43上，转子永磁体11嵌套在螺旋桨周向轮缘43的外周凹槽内，并采用环形薄壁件14将转子永磁体11与海水隔离，环形薄壁件14外表面可采用波纹面形式。
在导管1的内腔中设置有定子绕组7，定子绕组7利用密封胶22进行灌胶密封，并利用密封环12、周向挡板6与海水隔离，动力源电缆9穿过实心非旋转轴8的内孔、前置定子3与定子绕组7连接，工作时，通电的定子绕组7与转子永磁体11形成环形电机，通过电磁场相互作用，驱动转子螺旋桨4在水中以一定转速旋转。环形薄壁件14和密封环12采用对磁场不产生影响的非导磁性材料，并且容易散热。
环形薄壁件14与密封环12之间有小的气隙，其作用主要有两个，一是使转子永磁体11在定子绕组7的电磁作用下自由旋转，二是方便定子绕组7产生的热量通过气隙内流动的水流来散热。螺旋桨周向轮缘43与导管1之间安装有水润滑轴承13，不仅可以避免转子螺旋桨4高速旋转时因振动而与导管内壁直接接触，而且还可以通过该轴承13使转子螺旋桨4承担一部分导管1重量。工作时，海水通过转子螺旋桨4与导管1内壁之间的小的间隙，不仅可以带走定子绕组7产生的热量，为轴承13提供水润滑，而且转子螺旋桨4的叶梢结构不需要满足压力库塔条件，因此可以承受较大的载荷，提高了该推进器的效率。  
实际工作时，首先动力源通过动力源电缆9向定子绕组7供电，再通过控制器控制三相电流的相位变化，从而形成稳定的旋转磁场；转子永磁体11形成转矩驱动转子螺旋桨4旋转，旋转后产生水动力，并通过径向轴承和推力轴承向实心非旋转轴8传递动力。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。 

Claims (8)

1.一种无轴驱动式集成电机推进器，设置在水面或水下航行器的艇体（10）的尾部，其特征在于：由串联排列在实心非旋转轴（8）上的前置定子（3）、转子螺旋桨（4）与后置定子（5）三段组成；
---前置定子（3）与后置定子（5）的桨榖固定在实心非旋转轴（8）上，桨叶外端固定在导管（1）上；
---转子螺旋桨（4）设置在前置定子（3）与后置定子（5）之间，螺旋桨桨榖（41）可枢转地设置在实心非旋转轴（8）上，螺旋桨桨叶（42）外周连接在环形的螺旋桨周向轮缘（43）上，转子永磁体（11）嵌套在螺旋桨周向轮缘（43）内；在导管（1）的内腔中设置有定子绕组（7），转子永磁体（11）与定子绕组（7）均采用水密封，两者之间设置间隙形成环形电机。
2.按照权利要求1所述的无轴驱动式集成电机推进器，其特征在于：在螺旋桨桨榖（41）的内周设置环形轴承（19），在实心非旋转轴（8）的外周套设橡胶套（17），在橡胶套（17）与环形轴承（19）之间，安装有前后两套轴瓦（18），环形轴承（19）前端通过前止推轴承（16）与轴承座（20）抵接在前置定子桨榖（31）端面，后端通过后止推轴承（15）抵接在后置定子桨榖（51）端面。
3.按照权利要求2所述的无轴驱动式集成电机推进器，其特征在于：前后止推轴承的表面开设沟槽，橡胶套（17）外表面开有螺旋型沟槽。
4.按照权利要求1所述的无轴驱动式集成电机推进器，其特征在于：后置定子桨榖（51）通过螺纹连接（53）旋紧在实心非旋转轴（8）上。
5.按照权利要求1所述的无轴驱动式集成电机推进器，其特征在于：所述前置定子（3）与后置定子（5）为预旋式，其展向各个剖面的攻角各不相同；或者是非预旋式，其展向各个剖面相对来流方向攻角为零。
6.按照权利要求1所述的无轴驱动式集成电机推进器，其特征在于：导管（1）为长导管，其长度范围为0.7～1.0倍螺旋桨直径，为加速或减速型导管。
7.按照权利要求1所述的无轴驱动式集成电机推进器，其特征在于：动力源电缆（9）穿过实心非旋转轴（8）的内孔、前置定子（3）与定子绕组（7）连接。
8.按照权利要求1所述的无轴驱动式集成电机推进器，其特征在于：螺旋桨周向轮缘（43）与导管（1）之间安装有水润滑轴承（13）。
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