CN102803063B - 推力发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明是配置于水中，通过喷射水以产生推力的推力发生装置（10），具备与转子主体（43）的一侧的侧面及外周面相对配置，支承推力方向及径向的负荷的第1水润滑轴承（40）、与转子主体（43）的另一侧的侧面及外周面相对配置，支承推力方向及径向的负荷的第2水润滑轴承（41）、向螺旋桨叶片（13b）的一侧的流路开口的第1取水口（37a）、向螺旋桨叶片（13b）的另一侧的流路开口的第2取水口（38a）、将流入第1取水口（37a）的水引向第2水润滑轴承（41）的第1导水管（37）、以及将流入第2取水口（38a）的水引向第1水润滑轴承（40）的第2导水管（38）。

Description

推力发生装置

相关申请

本申请主张2009年6月25日向日本特许厅提交的专利申请2009－150524的优先权。在此以引用方式参照其全部内容形成本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及产生船舶等的推进力用的推力发生装置。

背景技术

近年来船舶由于能源资源不足等问题，要求产生推力用的推力系统提高效率。船舶的推进系统中，各种原动机中狄塞尔内燃机的热效率是最好的，使得狄塞尔内燃机直接或通过减速机与作为推力发生装置的螺旋桨耦合的推进方式成为推进方式的主流。但是，狄塞尔内燃机受到环境性能方面污染大气的批评。因此，为保护环境，狄塞尔内燃机采取的环境对策是，用电动机驱动螺旋桨产生推力，这种电气推进方式开始受到人们的关注。例如，美国专利第6692319号公报公开了在环状电动机转子上设置向径向内侧突出的螺旋桨叶片的潜水艇用的环状推进装置。如果采用这种推进装置，则能够利用由电动机驱动的螺旋桨叶片的旋转喷射水流，产生推力。

发明内容

在用电动机使螺旋桨叶片旋转的推进装置的情况下，由于电动机发热产生热损耗效率下降。因此在电气推进系统的情况下，电动机产生的热如何冷却是很重要的。但是，上述环状推进装置的情况下，由于电动机形成一体，如果想要追加对电动机进行冷却用的冷却装置，会导致推进装置自体复杂化和大型化，这不是人们所想要的。

因此本发明的目的在于，提供能够以简单的结构实现良好的冷却性能的推力发生装置。

本发明的推力发生装置，是配置于液体中，通过喷射液体以产生推力的推力发生装置，其特征在于，具备：设置多个线圈的环状的定子；具有多个磁体、由安装所述磁体的磁性构件构成的转子芯、及安装所述转子芯的环状的转子主体的可正反向旋转的转子；在所述转子主体的径向内侧成一整体设置的螺旋桨叶片；在夹着所述转子主体的一侧配置，面对所述转子主体的一侧的侧面及外周面，支承推力方向及径向的负荷的第1液体润滑轴承、在夹着所述转子主体的另一侧配置，面对所述转子主体的另一侧的侧面及外周面，支承推力方向及径向的负荷的第2液体润滑轴承、向夹着所述螺旋桨叶片的一侧的流路开口的第1取液口、向夹着所述螺旋桨叶片的另一侧的流路开口的第2取液口、将流入所述第1取液口的液体引向所述第2液体润滑轴承的第1导液管、以及将流入所述第2取液口的液体引入所述第1液体润滑轴承的第2导液管。

如果采用上述结构，则在螺旋桨叶片正向旋转时，从螺旋桨叶片的一侧向另一侧喷射液体，第2取液口形成高压，因此可利用压力差，从第2取液口通过第2导液管向第1液体润滑轴承提供液体。在螺旋桨叶片反向旋转时，从螺旋桨叶片的另一侧向一侧喷射液体，第1取液口形成高压，因此可利用压力差从第1取液口通过第1导液管向第2液体润滑轴承提供液体。从而，在螺旋桨叶片与转子一起正反向旋转的结构中，能够利用该液体对第1及第2液体润滑轴承与转子主体之间的滑动面进行润滑，同时对配置于其近旁，因涡电流而发热的转子芯进行冷却。

而且，在螺旋桨叶片正向旋转时，从螺旋桨叶片的一侧向另一侧喷射液体，因此、在其反作用力的作用下，螺旋桨叶片及转子趋向于从所述另一侧向所述一侧，向接近第1液润体滑轴承的方向移动，那时如上所述从第2取液口通过第2导液管向第1液体润滑轴承提供液体，因此第1液润滑轴承与转子主体之间能够得到合适的润滑。螺旋桨叶片逆向旋转时，从螺旋桨叶片的旋转轴线方向的所述另一侧向所述一侧喷射液体，因此在该反作用力的作用下，螺旋桨叶片及转子趋向于从所述一侧向所述另一侧，向接近第2液体润滑轴承的方向移动，那时如上所述从第1取液口通过第1导液管向第2液体润滑轴承提供液体，因此第2液体润滑轴承与转子主体之间能够得到合适的润滑。因此，在螺旋桨叶片与转子一起正反向旋转的结构中，对于每一旋转方向，能够以简单的结构可靠地对不同地方的面压高的部分进行可靠的润滑。

也可以在所述第1导液管及所述第2导液管，分别设置只允许从所述第1取液口及所述第2取液口向所述第2液体润滑轴承及所述第1液体润滑轴承流动的单向阀。

如果采用上述结构，则使水从第1及第2取液口向第2及第1液体润滑轴承单向流动的情况得到补偿，因此液体不容易滞留于第1及第2导液管内部，能够提高冷却性能。

也可以是，所述定子具有外罩壳、配置于所述外罩壳的内周侧的内罩壳、在所述外罩壳与所述内罩壳之间形成的冷却空间、以及使所述冷却空间与配置有所述螺旋桨叶片的主流路连通的连通口。

如果采用上述结构，则将通过主流路流动的液体经连通口引向定子内的冷却空间，因此能够利用该冷却空间内的液体对线圈等发热构件进行冷却。而且由于冷却空间通过连通口与新的液体流过的主流路连通，因此能够抑制冷却空间内的液体的温度升高。因而，不设置特别的冷却装置，以简单的结构就能够提高冷却性能。

也可以是，所述连通口分别配置于所述螺旋桨叶片的两侧。

如果采用上述结构，则螺旋桨叶片旋转时，其下游侧比上游侧压力高，因此主流路的液体从螺旋桨叶片的下游侧的连通口流入冷却空间内，冷却空间内的液体向螺旋桨叶片的上游侧，从连通口向主流路流出。借助于此，利用压力差抑制液体在冷却空间内的滞留，能够提高冷却性能。

也可以是，所述外罩壳为管状，所述内罩壳配置于所述转子主体两侧，具有越是离开所述转子主体越是扩大直径的漏斗状的整流罩，在所述整流罩直径扩大的一侧的端部与所述外罩壳之间形成间隙作为所述连通口。

如果采用上述结构，则只要在整流罩的外端部与外罩壳之间设置间隙，就能够形成连接主流路与冷却空间的连通口，因此能够以简单的结构提高冷却性能。

附图说明

图1是表示本发明第1实施形态的推力发生装置的纵剖面图；

图2是从图1的左侧看到的图1所示的推力发生装置的情况；

图3是说明图1所示的推力发生装置在船体上搭载的状态的剖面图；

图4是表示本发明第2实施形态的推力发生装置的纵剖面图；

图5是从图4的左侧看到的图4所示的推力发生装置的情况。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。

第1实施形态

如图1及图2所示，第1实施形态的推力发生装置10，具备固定于船体的环状的定子11、可相对于该定子11在正反方向上旋转的环状的转子12、成一整体设置于转子12的径向内侧的螺旋桨构件13、以及成一整体设置于螺旋桨构件13的径向内侧的前端，配置于转子12的旋转轴线X上的轮毂14。

定子11具备环状的外罩壳21、以及配置于其内周侧的环状内罩壳22，它们之间形成的大致为圆筒状的空间作为冷却空间S1。外罩壳21为部分形成电缆插通孔21a的圆筒管状，电缆插通孔21a利用盖23关闭。内罩壳22用螺栓将第1～第4壳体24～27、支持环28、29以及整流罩30、31相互连结形成。内罩壳22（具体地说是第2壳体25）用螺栓可装卸地固定于从外罩壳21向径向内侧突出的托架39。还有，托架39在周方向上部分设置，没有将冷却空间S1加以区隔。

第1壳体24与第2壳体25相互之间用螺栓连结，形成线圈收容空间S2。在线圈收容空间S2，配置作为磁束的通路的磁性构件构成的定子芯32，定子芯32上卷绕电枢线圈33。该电枢线圈33通过电缆34、35连接于船体内设置的电源（未图示）。电缆34、35在冷却空间S1中用防水连接头34a、35a相互连接，船体侧的电缆35水密地贯通盖23。在与第2壳体25的定子芯32的内周面对应的部分，设置环状切口部25a，环状切口部25a用具有绝缘性及耐水性的，涡电流损耗小的材料构成的薄壁的罩壳（can）36水密封。

第3及第4壳体26、27具有用螺栓固定于第2壳体25的凸缘部26a、27a、以及从该凸缘部26a、27a的内周端向旋转轴线X方向的外侧延伸的圆筒部26b、27b。一对支持环28、29用螺栓固定于圆筒部26b、27b的外侧端部，分别支持第1及第2导水管37、38（导液管）的一端部。第1和第2导水管37、38的一端部的开口即第1及第2取水口37a、38a（取液口）位于与支持环28、29的内周面相同的面上，向主流路R开口。（还有，在图1中，第2导水管38的与第1导水管37重叠的地方部分断开图示省略，第1导水管37的与连接头34a、35a重叠的地方部分断开图示省略。）

整流罩30、31形成向背离与支持环28、29接近的一侧的内端部30a、31a的一侧的外端部30b、31b直径逐步扩大的形状。整流罩30、31的内端部30a、31a用螺栓固定于支持环28、29。也就是说，整流罩30、31与外罩壳21间接地可装卸地形成一体。整流罩30、31的外端部30b、31b与外罩壳21之间隔着间隙C1、C2。在整流罩30、31上，与将其固定于支持环28、29的螺栓的延长轴线重叠的位置上形成孔30c、31c。而且，间隙C1、C2及孔30c、31c具有使冷却空间S1与主流路R连通的连通口的作用。

定子11与转子12之间设置第1和第2水润滑轴承40、41（液体润滑轴承），旋转自如地支持转子12。第1及第2水润滑轴承40、41与下述转子主体43的旋转轴线X方向的两侧面及外周面相对配置，支承作用于转子主体43的推力方向及径向的负荷。第1及第2水润滑轴承40、41具有凸缘部40a、41a、以及从该凸缘部40a、41a的内周端向旋转轴线X方向外侧延伸的圆筒部40b、41b。在第1及第2水润滑轴承40、41的与转子主体43之间的滑动面上热喷涂陶瓷。但是，也可以是，第1及第2水润滑轴承40、41本身采用固体陶瓷，也可以是，只在第1及第2水润滑轴承40、41的与转子主体43之间的滑动的部分分别安装陶瓷构件。

第1及第2水润滑轴承40、41与第3及第4壳体26、27之间形成暂时贮水的环状的缓冲空间S3、S4。在第3及第4壳体26、27上，通过单向阀46、47连接第2及第1导水管38、37的另一端部，第2及第1导水管38、37内的流路通过单向阀46、47与缓冲空间S3、S4连通。该单向阀46、47只允许从第2及第1取水口38a、37a向第1及第2水润滑轴承40、41流动。因此，从第1及第2取水口37a、38a流向第1及第2导水管37、38内的水通过单向阀47、46，被引向缓冲空间S4、S3。第1及第2水润滑轴承40、41的凸缘部40a、41a上，在周方向上等间隔形成多个排出孔40c、41c，这些排出孔40c、41c的一端与缓冲空间S3、S4连通，其另一端向转子主体43开口。

转子12具备转子主体43、外嵌于转子主体43，由涂布防蚀膜的磁性构件形成的环状的转子芯44、以及安装于转子芯44，被电枢线圈33产生的磁力作用的永久磁体45。转子芯44与定子芯32配置于相对的位置上，通过改变对电枢线圈33的供电方式，可以使转子12的旋转方向逆转。转子主体43具备：具有面对第1水润滑轴承40的侧面及外周面的第1构件48、具有面对第2水润滑轴承41的侧面及外周面的第2构件49、以及具有与转子芯44的内周面接触的支持面的第3构件50。

第1～第3构件48～50可装卸地相互之间以螺栓固定。第1及第2构件48、49具有凸缘部48a、49a、从该凸缘部48a、49a的内周端向旋转轴线X方向的外侧延伸的圆筒部48b、49b。第1及第2构件48、49的凸缘部48a、49a的旋转轴线X方向的外方的侧面形成面对第1及第2水润滑轴承40、41的凸缘部40a、41a的推力方向滑动面。第1及第2构件48、49的圆筒部48b、49b的外周面形成面对第1及第2水润滑轴承40、41的圆筒部40b、41b的径向滑动面。也就是说，第3构件50上不存在面对第1及第2水润滑轴承40、41的滑动面，转子主体43的全部滑动面设置于用螺栓在第3构件50上安装或卸下的第1及第2构件48、49。第1及第2构件48、49的凸缘部48a、49a比第3构件50更向径向外侧突出。在第1及第2构件48、49的凸缘部48a、49a与第3构件50的外周面（支持面）之间形成的环状凹部外嵌配置转子芯44。

第3构件50的内周面上，用螺栓可装卸地固定螺旋桨构件13。螺旋桨构件13具有在第3构件50上内嵌固定的外圆筒部13a、从外圆筒部13a的内周面开始在周方向上保持等间隔的，向径向内侧突出的多个螺旋桨叶片13b、以及系住多个螺旋桨叶片13b的径向内侧的前端的内圆筒部13c。内圆筒部13c的旋转轴线X方向的两侧端部，被往前端直径慢慢缩小的弹头形状的一对分立轮毂51、52的直径扩大的一端所夹持。在一分立轮毂51的内部，设置具有向另一方开口的螺栓孔的螺栓安装部51a，在另一分立轮毂52的内部，设置具有与螺栓安装部51a的螺栓孔匹配的螺栓孔的螺栓安装部52a。而且，通过将螺栓53拧紧在螺栓安装部51a、52a的螺栓孔中，分立轮毂51、52压接夹持内圆筒部13c相互形成一体。因此，借助于内圆筒部13c与分立轮毂51、52，形成向旋转轴线X方向的两侧慢慢缩小直径的流线型的中空构件即轮毂14。而且，通过适当取下螺栓，能够使转子主体43、螺旋桨叶片13b、分立轮毂51、52相互脱离开来。

配置螺旋桨叶片13b的主流路R，由外圆筒部13a、第1及第2构件48、49、支持环28、29及整流罩30、31的各内周面划定。主流路R具有圆柱状部分、与该旋转轴线X方向的两侧连接，向旋转轴线X方向的两侧直径逐步扩大的扩径状部分，第1及第2取水口37a、38a配置于该圆柱状部分与扩径状部分之间的边界部分。

推力发生装置10被安装于能够在水上或水中相对水移动的移动体，适合作为例如产生大型船舶的左右方向的推力的横向推进器使用。具体地说，如图3所示，在船体60上设置在左右方向上贯通的开口61、62，圆筒壁63、64从该开口61、62向船体内侧突出。该一对圆筒壁63、64的相对端相互保持间距，推力发生装置10的外罩壳21的两端被焊接固定于该相对端。

下面对推力发生装置10的动作进行说明。对电枢线圈33供电产生的磁场作用于永久磁体45，转子12、螺旋桨构件13及轮毂14成一整体地旋转。螺旋桨叶片13b正向旋转时，从螺旋桨叶片13b向图1中的右侧喷射水，因此第2取水口38a近旁比螺旋桨叶片13b的图1中的左侧（上游侧）压力高。借助于该压力差，在不使用泵的情况下，主流路R的水就通过第2取水口38a流入第2导水管38，该第2导水管38内的水通过单向阀46被引向缓冲空间S3。然后，缓冲空间S3的水从排出孔40c向转子主体43的第1构件48排出。该水对第1构件48和第1水润滑轴承40之间的滑动面进行润滑和冷却，其一部分水从第1构件48与支持环28之间的间隙流往主流路R。其余的水通过转子芯44的外周面与罩壳（can）36之间的间隙对第2构件49与第2水润滑轴承41之间的滑动面进行润滑和冷却。又，螺旋桨叶片13b正向旋转时，从螺旋桨叶片13b向图1中的右侧喷射水，因此，在其反作用力的作用下，转子主体43要从图1中的右侧向左侧，向接近第1水润滑轴承40的方向移动。但是，那时从第2取水口38a流入第2导水管38的水从第1水润滑轴承40的排出孔40c向转子主体43排出，因此用该排出的水能够支持转子主体43，第1水润滑轴承40与转子主体43之间能够得到适当的润滑。

另一方面，螺旋桨叶片13b反向旋转时，从螺旋桨叶片13b向图1中的左侧喷射水，因此第1取水口37a的近旁比螺旋桨叶片13b的图1中的右侧（上游侧）压力高。借助于该压力差，在没有泵的情况下主流路R的水通过第1取水口37a流入第1导水管37，该第1导水管37内的水通过单向阀47被引入缓冲空间S4。然后，缓冲空间S4的水从排出孔41c向转子主体43的第2构件49排出。该水对第2构件49与第2水润滑轴承41之间的滑动面间隙润滑和冷却，其一部分水从第2构件49与支持环29之间的间隙流入主流路R。其余的水通过转子芯44的外周面与罩壳36之间的间隙对第1构件48与第1水润滑轴承40之间的滑动面进行润滑和冷却。又，螺旋桨叶片13b一旦逆向旋转，就从螺旋桨叶片13b向图1中的左侧喷射水，因此在其反作用力的作用下，转子主体43要从图1中的左侧向右侧，向接近第2水润滑轴承41的方向移动。但是，那时从第1取水口37a流往第1导水管37的水从第2水润滑轴承41的排出孔41c向转子主体43排出，因此可以用该排出的水支持转子主体43，第2水润滑轴承41与转子主体43之间能够得到适当的润滑。

如上所述进行，在螺旋桨叶片13b与转子12一起正向旋转和反向旋转的结构中，第1及第2水润滑轴承40、41与转子主体43之间的滑动面可以用水润滑，同时能够对设置于其近旁，因涡电流而发热的转子芯44等进行冷却。又，螺旋桨叶片13b正向旋转时面压升高的地方（第1构件48与第1水润滑轴承40之间的滑动面）与螺旋桨叶片13b逆向旋转时面压升高的地方（第2构件49与第2水润滑轴承41之间的滑动面）不同，但是可以根据螺旋桨叶片13b的旋转方向用简单的结构可靠地对面压高的部分进行润滑。

又在第1及第2导水管37、38设置单向阀46、47，因此水从第1及第2取水口37a、38a向第2及第1水润滑轴承41、40单向流动得到补偿，在第1及第2导水管37、38内部水不容易滞留，冷却性能得到提高。而且，流过主流路R的水以间隙C1、C2及孔30c、31c为连通口，由于进入外罩壳21与内罩壳22之间形成的冷却空间S1，能够利用该冷却空间S1内的水对线圈33、定子芯32及转子芯44等进行冷却。而且，冷却空间S1由于与新的水流动的主流路R连通，因此能够抑制冷却空间S1内的水的温度升高。又，作为连通口的间隙C1、C2及孔30c、31c，从螺旋桨叶片13b看来，分开配置于上游和下游，因此可利用其压力差促进冷却空间S1内的水的更换。

下面对推力发生装置10的维修保养工作进行说明。例如，由于第1及第2水润滑轴承40、41与转子主体43之间的滑动面的劣化，将第1及第2构件48、49或第1及第2水润滑轴承40、41替换为新零件的维修保养的情况下，适当松开螺栓，将整流罩30、31、支持环28、29、第3及第4壳体26、27相互分开。这样一来，就容易对第1及第2水润滑轴承40、41及转子主体43进行维修保养。

对于转子主体43，适当地松开螺栓，从第3构件50上卸下第1及第2构件48、49，将该第1及第2构件48、49替换为新的零件，固定于第3构件50。这样一来，不将转子芯44从第3构件50上拉出来，保持转子芯44外嵌于第3构件50的状态也能够进行转子主体43的全部滑动面的替换工作。因此，操作者不必担心转子芯44的防蚀膜剥离，更便于进行维修保养。

又，转子主体43、螺旋桨构件13、分立轮毂51、52，由于用螺栓相互可装卸地固定在一起，因此在螺旋桨叶片13b发生破损等情况下，可以将螺旋桨构件13从转子主体43及分立轮毂51、52上取下，能够容易地替换螺旋桨构件13，维修保养更方便。

第2实施形态

如图4及图5所示，第2实施形态的推力发生装置110的定子111，具备环状的外罩壳121、以及配置于其内周侧的环状的内罩壳22，在它们之间形成的圆筒状空间作为冷却空间S1。外罩壳121具备具有上表面开口130i的壳体主体130、以及封闭该壳体主体130的上表面开口130i的盖131。还有，推力发生装置110的外罩壳121以外的零部件群与第1实施形态相同，因此标以相同的符号并省略其详细说明。

壳体主体130具备左右相对的垂直壁部130a、130b、为形成垂直壁部130a、130b的侧面开口130f、130g而向旋转轴线X方向外侧突出的内圆筒部130d、130e、以及在垂直壁部130a、130b的上端形成的凸缘部130h。而且由内圆筒部130d、130e、支持环28，29、转子主体43及外圆筒部13a的各内周面划定主流路R。盖131用螺栓B可装卸地固定于壳体主体130的凸缘部130h。盖131是在一部分形成电缆插通孔131a的平板，用盖23封闭电缆插通孔131。

壳体主体130与支持环28、29之间形成间隙C3、C4。该间隙C3、C4起使冷却空间S1与主流路R连通的连通口的作用。内罩壳22（具体地说，第2壳体25）与外罩壳121的盖131通过托架39连接，没有在壳体主体130上固定。因此，在维修保养时将螺栓B取下，只要将盖131从壳体主体130上卸下，就能够将推力发生装置110的除外罩壳121以外的零部件群通过上面的开口130i从上方取出。

还有，上述各实施形态的推力发生装置以安装于通常的大型船舶的推力发生装置为例，但是只要是安装于水上或水中的能够相对于水移动的移动体上的推力发生装置即可，也可以使用于潜水艇、拖船、水上的一定位置上停留的调查船、水上采油平台等。又，上述各实施形态中，作为对水润滑轴承供水的压力源不使用泵，但是也可以在部分时间（例如开始驱动螺旋桨叶片启动时或强制对水润滑轴承供水时）使用泵。

Claims (5)

1.一种推力发生装置，是配置于液体中，通过喷射液体以产生推力的推力发生装置，其特征在于，具备：

设置多个线圈的环状的定子、

具有多个磁体、由安装所述磁体的磁性构件构成的转子芯、及安装所述转子芯的环状的转子主体的可正反向旋转的转子、

在所述转子主体的径向内侧成一整体设置的螺旋桨叶片、

在夹着所述转子主体的一侧配置，面对所述转子主体的一侧的侧面及外周面，支承推力方向及径向的负荷的第1液体润滑轴承、

在夹着所述转子主体的另一侧配置，面对所述转子主体的另一侧的侧面及外周面，支承推力方向及径向的负荷的第2液体润滑轴承、

向夹着所述螺旋桨叶片的一侧且夹着所述转子主体的所述一侧的流路开口的第1取液口、

向夹着所述螺旋桨叶片的另一侧且夹着所述转子主体的所述另一侧的流路开口的第2取液口、

将流入所述第1取液口的液体引向所述第2液体润滑轴承的第1导液管、以及

将流入所述第2取液口的液体引入所述第1液体润滑轴承的第2导液管。

2.根据权利要求1所述的推力发生装置，其特征在于，

在所述第1导液管及所述第2导液管，分别设置只允许从所述第1取液口及所述第2取液口向所述第2液体润滑轴承及所述第1液体润滑轴承流动的单向阀。

3.根据权利要求1所述的推力发生装置，其特征在于，

所述定子具有外罩壳、配置于所述外罩壳的内周侧的内罩壳、在所述外罩壳与所述内罩壳之间形成的冷却空间、以及使所述冷却空间与配置有所述螺旋桨叶片的主流路连通的连通口。

4.根据权利要求3所述的推力发生装置，其特征在于，所述连通口分别配置于所述螺旋桨叶片两侧。

5.根据权利要求3所述的推力发生装置，其特征在于，

所述外罩壳为管状，

所述内罩壳配置于所述转子主体的两侧，具有越是离开所述转子主体越是扩大直径的漏斗状的整流罩，

在所述整流罩直径扩大的一侧的端部与所述外罩壳之间形成间隙作为所述连通口。