CN103818535A - 集成电机推进装置 - Google Patents

Abstract

集成电机推进装置，包括均由硅钢片叠加而成的内定子及外转子，内定子及外转子均为凸极结构，内定子的凸极齿上绕接有励磁绕组，内定子内部沿周向嵌接有多个永磁体，永磁体对应励磁绕组设置，在内定子与外转子之间设有导磁密封罩，导磁密封罩的两端分别与端盖一、端盖二固接且密封，内定子位于由导磁密封罩、端盖一及端盖二形成的密封空间一内，且内定子的两端分别与端盖一、端盖二固接；外转子的两端分别通过水润滑轴承可转动地支撑在端盖一、端盖二上，端盖一、端盖二与对应的水润滑轴承之间分别设有橡胶减震器，螺旋桨与外转子固接。本发明将电机与螺旋桨成一体结构，减小了体积、重量，有效降低振动与噪声，提高了推进效率及工作可靠性。

Description

集成电机推进装置

技术领域

本发明涉及水下推进装置，具体涉及通过将螺旋桨叶与电机转子固定连接从而使电机与推进装置即成为一体的推进装置，尤其涉及适用于深海移动工作站的永磁推进装置。

背景技术

水下推动装置是一种广泛使用的动力装置，用来推动船舶、船艇、潜水器、深海移动工作站、海上工作平台等水面/水下载物进行航行运动以及姿态调整。

目前，水下推动装置一般由单独的电动机与螺旋桨组合而成，如中国专利ZL200620055186.1公开的“一种电动水下推进器”，由于电机与螺旋桨为相互独立的组成部分，电机需要通过联轴器、磁力耦合等传动装置来驱动螺旋桨，因此这类设备结构复杂、耗材料多，在动力传输过程中耗损大，噪音高，并且螺旋桨基本上是直接固定在电机动力轴上，因此，在密封时需要采用动密封结构，而动密封结构存在加工精度高、密封效果差的问题，在深海环境下，采用动密封结构的推进装置的工作可靠性差且不便检修。

随着电力推进的出现，现有技术中出现了机桨一体化的电机推进装置，这种推进装置通常采用无刷直流电机驱动，但是使用无刷直流电机驱动在低速工况下的效率较低，现有技术中为了提高低速工况的效率并提供足够大的转矩往往需要额外配置齿轮减速器，齿轮减速器的配置不但增加了推进装置的体积和重量，在运行过程中还会产生较大的振动噪声，严重影响声呐和某些精密传感器的正常工作，另一方面，现有用于深海移动工作站中的机桨一体化的电机推进装置还存在如下缺陷：第一，深海移动工作站搭载的多套推进电机的控制装置一般安装在一个耐压密封的驱动罐中，驱动罐与不同位置的推进电机之间采用水密接插件和电缆连接，驱动罐中各台驱动装置散热条件差，电磁干扰问题严重，系统可靠性差，水密电缆中位置传感器的信号线路传输距离过长，干扰极其严重，严重影响推进装置的工作可靠性；第二，不具备压力补偿功能，致使需要较大厚度及气隙的电机密封壳，影响电机的传动效率；第三，需使用转子位置传感器实时监测转子位置，然而现有转子位置传感器故障率高，影响了推进装置的工作可靠性。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种集成电机推进装置，其使电机与螺旋桨成一体结构，体积小，重量轻，噪音低，推进效率高，密封结构简单且密封效果好，工作可靠性高。

本发明的技术方案如下：

集成电机推进装置，包括内定子、外转子及螺旋桨，内定子及外转子均由硅钢片叠加而成，内定子及外转子均为凸极结构，内定子的凸极齿上绕接有励磁绕组，内定子内部沿周向嵌接有多个永磁体，永磁体对应励磁绕组设置，在内定子与外转子之间设有导磁密封罩，导磁密封罩的两端分别与端盖一、端盖二固接且密封，内定子位于由导磁密封罩、端盖一及端盖二形成的密封空间一内，且内定子的两端分别与端盖一、端盖二固接；外转子的两端分别通过水润滑轴承可转动地支撑在端盖一、端盖二上，端盖一、端盖二与对应的水润滑轴承之间分别设有橡胶减震器，螺旋桨与外转子固接。

其进一步技术方案为：

所述外转子的两端设有梯形滑轨，外转子通过所述梯形滑轨与水润滑轴承的梯形凹槽间隙配合。

所述水润滑轴承采用赛龙材料。

所述水润滑轴承与外转子的配合面上设有环形槽，允许流体进入所述环形槽中并润滑所述水润滑轴承。

所述端盖一与壳体一固接，且二者之间密封连接形成密封空间二，控制电路板固装在壳体一内，励磁绕组的引线通过电气接插件连接至控制电路板，电气接插件装在端盖一上，端盖一上设有通孔，所述通孔使密封空间一与密封空间二连通，控制电路板的控制电路通过水密接插件引出。

所述控制电路板上设有功率模块，功率模块与壳体一之间均匀涂覆有导热硅脂。

所述螺旋桨的外周设有整流罩，整流罩固定支撑在端盖一和/或端盖二上。

所述螺旋桨的外周设有整流罩，整流罩通过支杆固定支撑在壳体一上。

所述端盖二与壳体二固接，且二者之间密封，壳体二带有与外部相通的轴向通孔，所述轴向通孔向壳体二内部延伸，压力补偿膜通过压紧环压装在壳体二内，且压力补偿膜覆盖住所述轴向通孔，压紧环与壳体二固接，压力补偿膜与所述轴向通孔延伸段的外壁之间设有弹簧，端盖二、壳体二及压力补偿膜之间形成密封空间三，端盖二上设有通孔，所述通孔使密封空间一与密封空间三连通。

本发明的技术效果：

1、本发明采用外转子、内定子上镶嵌永磁体的双凸极电机，以提高气隙的磁通密度来增大输出转矩，大大提高了转矩体积比，与同等功率的无刷直流电机相比，不需要额外配置齿轮减速器，体积更小，重量更轻、低速大转矩工况效率更高，并且在推力面和径向支承面上设置了橡胶减振器，显著降低了推进装置的振动噪声。

2、本发明将螺旋桨与外转子连接为一体，使电机与螺旋桨成一体结构，省去了电机与螺旋桨之间的动力传输装置，省去了传统的主传动轴，从而避免了中间传动环节的能量损失，有效降低了装置运行时的噪声与振动；采用带有环形槽的水润滑轴承，使流体进入环形槽中并润滑所述水润滑轴承，可以保证在外转子与水润滑轴承之间形成稳定的润滑膜，从而可以大大减少水润滑轴承的磨损，并减少噪声与振动；另一方面，由于省去了传统的主传动轴，由此避免了主传动轴密封问题，不需要采用现有技术中的加工精度高、密封效果差的动密封结构或配置额外的磁力耦合器，因而大大提高了系统工作可靠性和推进效率，同时降低了推进装置的体积、重量和成本。

3、本发明所述推进装置集成设置有带有控制电路板的控制装置，进一步提高了系统一体化集成度，取消了传统的推进驱动罐，避免多套控制装置之间的电磁干扰，同时控制装置采用脉冲检测方法识别转子位置，取消了故障率极高的转子位置传感器的使用，大大提高了系统工作可靠性，同时还节省了水密接插件和水密电缆的数量，降低了成本。

4、本发明所述推进装置通过压力补偿结构的集成设置，通过橡胶压力补偿膜及压缩弹簧的设置，使得下水后，推进装置内的油压与外部海水压力总是保持平衡，而且根据水下最大工作深度，可以调整压力补偿结构的预先充油量，压力补偿结构的设置可减小导磁密封罩的厚度和气隙，提高推进装置的传动效率。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为图2的B-B剖视图。

其中：1、内定子；2、外转子；3、螺旋桨；4、励磁绕组；5、永磁体；6、导磁密封罩；7、端盖一；8、端盖二；9、水润滑轴承；10、橡胶减震器；11、整流罩；12、壳体一；13、密封空间二；14、控制电路板；141、功率模块；15、电气接插件；16、密封空间一；17、水密接插件；18、支杆；19、壳体二；20、压力补偿膜；21、压紧环；22、弹簧；23、密封空间三；24、平键、25、引线；26、辅支撑轴。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1、图2，本发明包括内定子1、外转子2及螺旋桨3，内定子1及外转子2均由硅钢片叠加而成，见图3，内定子1及外转子2均为凸极结构，且内定子1及外转子2的基本结构的配合关系为6n/4n，其中，n为正整数，且n≥1，即内定子1在圆周上均匀分布有6n个向外的凸极，外转子在圆周上均匀分布有4n个向内的凸极，作为一个实施例，图3给出了当n取2时的定转子配合的结构形式，内定子1的凸极齿上绕接有励磁绕组4，同相励磁绕组4的缠绕方向相反，内定子1内部沿周向嵌接有多个永磁体5，永磁体5对应励磁绕组4设置，永磁体5优选采用径向充磁，励磁绕组4通电时产生的磁通方向对对应的永磁体5产生磁通方向一致，如此，能够提高气隙的磁通密度来增大输出转矩，在内定子1与外转子2之间设有导磁密封罩6，导磁密封罩6的两端分别与端盖一7、端盖二8固接，且导磁密封罩6与端盖一7、端盖二8之间采用O型密封圈密封装配，内定子1位于由导磁密封罩6、端盖一7及端盖二8形成的密封空间一16内，且内定子1的两端分别与端盖一7、端盖二8通过平键24固定安装；外转子2的两端分别通过水润滑轴承9可转动地支撑在端盖一7、端盖二8上，端盖一7、端盖二8与对应的水润滑轴承9之间分别设有橡胶减震器10，具体地，外转子2的两端设有梯形滑轨，外转子2通过所述梯形滑轨与水润滑轴承9的梯形凹槽间隙配合，两个水润滑轴承9与对应装配的端盖一7、端盖二8之间则通过过盈配合装配，以限制水润滑轴承9周向旋转；螺旋桨3通过紧定螺钉安装在外转子2的外毂。

进一步地，所述水润滑轴承9采用赛龙材料，水润滑轴承9与外转子2的配合面上设有环形槽，允许流体进入所述环形槽中并润滑水润滑轴承9，如此，当外转子2稳定运行时，保证在外转子2与水润滑轴承9之间形成稳定的润滑膜，比如油膜、或者其它流体介质的润滑膜，从而可以大大减少推力轴承的磨损，并减少噪声与振动。

进一步地，将控制装置集成设置由定转子及螺旋桨形成的推进装置上，具体地，所述端盖一7与壳体一12固接，且二者之间通过O型密封圈密封连接由此形成密封空间二13，控制电路板14固装在壳体一12内，励磁绕组4的引线25通过电气接插件15连接至控制电路板14，电气接插件15装在端盖一7上，端盖一7上设有通孔，所述通孔使密封空间一16与密封空间二13连通，确保补偿油路通畅；控制电路板14的控制电路通过水密接插件17引出，控制电路板14上的功率模块141与壳体一12采用紧固螺钉紧固安装且二者之间均匀涂覆有导热硅脂，以达到充分散热的目的。

进一步地，所述本发明增设有压力补偿结构，具体地，所述端盖二8与壳体二19固接，且二者之间采用O型密封圈密封装配，壳体二19带有与外部相通的轴向通孔，所述轴向通孔向壳体二19内部延伸，压力补偿膜20通过压紧环21压装在壳体二19内，且压力补偿膜20覆盖住所述轴向通孔，压紧环21与壳体二19固接，压力补偿膜20与所述轴向通孔延伸段的外壁之间设有防锈蚀的弹簧22，端盖二8、壳体二19及压力补偿膜20之间形成密封空间三23，压力补偿膜20优选采用橡胶材料，弹簧22优选采用不锈钢，端盖二8上设有通孔，通孔使密封空间一16与密封空间三23连通，确保补偿油路通畅。

为了阻断水流的径向流动、提高推进效率，所述螺旋桨3的外周设有整流罩11，在整个推进装置未集成设置推进装置及压力补偿结构的情况下，所述整流罩11固定支撑在端盖一7和/或端盖二8上；在整个推进装置未集成设置推进装置和/或压力补偿结构的情况下，所述整流罩11通过支杆18固定支撑在壳体一12和/或壳体二19上。

在使用大型推进装置的情况下，由于此时螺旋桨3的直径很大，螺旋桨很重，通常需要采用辅支撑轴来起支撑作用，辅支撑轴26两端分别固定支撑在端盖一7、端盖二8上，内定子1套装在辅支撑轴26上，辅支撑轴26的设置主要适用于大兴推进装置，能够改善装置的动平衡性能，同时还可以有效降低噪声与振动。

以深海移动工作站的应用为示例，本发明的运行方式如下：

见图2，下水前，对密封空间一16及密封空间三23内充满变压器油，使得弹簧22处于预压紧状态以储备一定内压，下水后，由于压力补偿膜20及弹簧22的压力补偿作用，密封空间一16及密封空间三23的油压与外部海水压力总是保持平衡，本发明所述推进装置通过壳体一12的端部法兰与深海移动工作站的艇体固定安装，工作时，深海移动工作站通过水密接插件17为本发明所述推进装置提供电力及控制信号，控制电路板14进行转子位置辨识后，对励磁绕组4进行换相控制和电流斩波控制，调节外转子2转速和螺旋桨3产生的推力，在内定子1和外转子2之间的气隙中形成旋转磁场，驱动转子旋转并带动螺旋桨产生水动力，并分别通过外转子2两端的水润滑轴承9传递前进、后退的推力。

本发明所述控制电路板14对励磁绕组4的换相控制无需附加现有技术中的转子位置传感器，通过向内定子1的所有非激励相绕组中注入方波电压脉冲，检测其电流脉冲响应信号计算不同转子位置下各相绕组的非饱和电感，根据预先测定的电感在线性区域内与转子位置角度的一一对应关系，采用函数拟合方法实时地解算出转子位置，由此实现实时监测并识别转子位置，从而调节外转子2转速和螺旋桨3产生的推力，与现有技术相比，无需使用故障率高的转子位置传感器，提高了推进装置的工作可靠性。

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，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。 

Claims (9)

1.集成电机推进装置，包括内定子（1）、外转子（2）及螺旋桨（3），内定子（1）及外转子（2）均由硅钢片叠加而成，其特征在于：内定子（1）及外转子（2）均为凸极结构，内定子（1）的凸极齿上绕接有励磁绕组（4），内定子（1）内部沿周向嵌接有多个永磁体（5），永磁体（5）对应励磁绕组（4）设置，在内定子（1）与外转子（2）之间设有导磁密封罩（6），导磁密封罩（6）的两端分别与端盖一（7）、端盖二（8）固接且密封，内定子（1）位于由导磁密封罩（6）、端盖一（7）及端盖二（8）形成的密封空间一（16）内，且内定子（1）的两端分别与端盖一（7）、端盖二（8）固接；外转子（2）的两端分别通过水润滑轴承（9）可转动地支撑在端盖一（7）、端盖二（8）上，端盖一（7）、端盖二（8）与对应的水润滑轴承（9）之间分别设有橡胶减震器（10），螺旋桨（3）与外转子（2）固接。

2.按权利要求1所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述外转子（2）的两端设有梯形滑轨，外转子（2）通过所述梯形滑轨与水润滑轴承（9）的梯形凹槽间隙配合。

3.按权利要求1所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述水润滑轴承（9）采用赛龙材料。

4.按权利要求1所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述水润滑轴承（9）与外转子（2）的配合面上设有环形槽，允许流体进入所述环形槽中并润滑所述水润滑轴承（9）。

5.按权利要求1所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述端盖一（7）与壳体一（12）固接，且二者之间密封连接形成密封空间二（13），控制电路板（14）固装在壳体一（12）内，励磁绕组（4）的引线通过电气接插件（15）连接至控制电路板（14），电气接插件（15）装在端盖一（7）上，端盖一（7）上设有通孔，所述通孔使密封空间一（16）与密封空间二（13）连通，控制电路板（14）的控制电路通过水密接插件（17）引出。

6.按权利要求5所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述控制电路板（14）上设有功率模块（141），功率模块（141）与壳体一（12）之间均匀涂覆有导热硅脂。

7.按权利要求1所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述螺旋桨（3）的外周设有整流罩（11），整流罩（11）固定支撑在端盖一（7）和/或端盖二（8）上。

8.按权利要求5所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述螺旋桨（3）的外周设有整流罩（11），整流罩（11）通过支杆（18）固定支撑在壳体一（12）上。

9.按权利要求1至8任一权利要求所述的集成电机推进装置，其特征在于：所述端盖二（8）与壳体二（19）固接，且二者之间密封，壳体二（19）带有与外部相通的轴向通孔，所述轴向通孔向壳体二（19）内部延伸，压力补偿膜（20）通过压紧环（21）压装在壳体二（19）内，且压力补偿膜（20）覆盖住所述轴向通孔，压紧环（21）与壳体二（19）固接，压力补偿膜（20）与所述轴向通孔延伸段的外壁之间设有弹簧（22），端盖二（8）、壳体二（19）及压力补偿膜（20）之间形成密封空间三（23），端盖二（8）上设有通孔，所述通孔使密封空间一（16）与密封空间三（23）连通。

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