CN104443337A - 水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水下吊舱(舵桨)推进装置模型的驱动及推力、扭矩测试系统，适用于采用吊舱(舵桨)的舰船或水下潜器模型推进性能试验，包括驱动模块、测量模块和传输模块。驱动模块采用高功率密度、可工作于水下环境的高效直流电机，转速控制精度要求高；电机旋转轴连接测量模块。测量模块另一端连接螺旋桨，测量模块的应变片微应变直接反映螺旋桨的性能特征，消除了密封圈、齿轮等部件摩擦的影响；传输模块通过非接触耦合方式传输信号和测量模块的应变片全桥线路的输入电压。本发明的技术方案结构精巧、设计紧凑，能够满足新颖外形吊舱推进器的模型试验要求。

Description

水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统

技术领域

本发明属于试验技术领域，涉及一种水下吊舱(舵桨)推进装置模型，具体涉及水下吊舱(舵桨)推进装置模型的驱动及推力、扭矩测试系统。

背景技术

吊舱推进器是一种集推进和操纵功能于一体的新型舰船推进装置，通过位于舱体中的电机直接驱动螺旋桨从而推动舰船运动，吊舱推进器可以整体绕竖直轴旋转360°，控制船舶的操纵性能。

吊舱推进器水动力性能模型试验往往采用垂直传动轴加直角齿轮驱动螺旋桨的方式，结合推力、扭矩动力仪测量推进器水动力特性，通过滑环传输测试数据。这类测试装置的传动轴与桨轴的位置和角度都已固化，一些新颖外形的吊舱推进器模型由于尺度的限制无法采用这类测试装置进行试验。采用新颖外形吊舱推进器的舰船越来越多，试验装置结构上的缺陷使得这类舰船无法开展模型试验，影响了这类舰船的水动力性能预报。

发明专利内容

本发明专利的目的在于提供一种新型吊舱推进模型驱动动力及水动力测量仪器，用于水下吊舱(舵桨、潜器)推进装置模型的驱动及其推力、扭矩的测量以及数据采集、传输的测试系统。

本发明是技术方案据以如下：

水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，适用于采用吊舱(舵桨)的舰船或水下潜器的模型推进试验中为水下吊舱(舵桨)或潜器推进装置的模型提供集直接的驱动模式、无摩擦的推力扭矩测量手段以及非接触耦合式数据传输于一体的测试系统，包括驱动模块、推力扭矩测量模块和数据传输模块，所述驱动模块提供推进器动力输入，使其产生旋转运动，所述测量模块实时测量推进器产生的推力、扭矩应变信号，所述传输模块给测量模块提供电源，同时接受测量模块的数据。

优选的：所述驱动模块采用高功率密度、可工作于水下环境的高效永磁直流电机，所述电机直接驱动螺旋桨。

优选的：所述测量模块一端连接电机旋转轴，另一端连接螺旋桨。

优选的：所述传输模块采用非接触耦合方式。

优选的：所述驱动模块的电机旋转轴通过接口与所述测量模块相连，所述电机壳体设计有纵向和周向定位结构。

优选的：所述测量模块应变片全桥线路的输入电压通过所述传输模块的非接触耦合方式提供，所述应变片的微应变信号经过放大器处理输入到所述传输模块的调制线路，所述应变片直接测量推进器的推力、扭矩。

优选的：所述传输模块将旋转部件中的信号数据传输到固定部件，耦合线路固定部分与电机端部的接口相连，旋转部分与测量模块相连。

优选的：所述传输模块一方面通过非接触耦合方式给测量模块的应变片全桥线路提供输入电压，另一方面接受所述测量模块的测试数据。

本发明专利由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的优点是：

(1)通过电机直接驱动推进器，取消了传统动力仪垂直传动轴和齿轮箱，消除了垂直传动轴、齿轮箱角度位置对吊舱推进器模型外形的限制，适用性更广，各种新颖外形的吊舱推进器(舵桨、潜器)都可以采用该技术进行模型推进试验；

(2)测量模块直接和推进器连接，消除了密封圈、齿轮等机构的摩擦影响，推力、扭矩测量值直接反映了推进器的性能；

(3)传输模块采用非接触耦合技术，一方面可以向应变片全桥线路提供电源，另一方面可以接受测量模块的测试数据，较传统的滑环方式更高效、节省空间。

附图说明

图1是水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统功能模块示意图；

图2是水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明实施中技术方案的具体描述。

图1为水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，包括三大模块：推进器驱动模块1、推力扭矩测量模块2、数据传输模块3。驱动模块1提供推进器动力输入，使其产生旋转运动。测量模块2实时测量推进器产生的推力、扭矩应变信号。传输模块3通过非接触耦合方式给测量模块2提供电源，同时接受测量模块2的数据，通过非接触耦合方式传输数据。

并结合如图2中所示，驱动模块1，包括高功率密度、可水下使用的高性能电机4。电机4由壳体5、端盖6、线圈绕组定子7、磁极8、电机轴9以及与测量模块和传输模块的接口组成。电机4整体进行防水处理。电机壳体5与电机定子7紧密嵌套在一起，前后端盖通过推力轴承将电机旋转轴所承受的力传递到壳体5，壳体5有与吊舱模型定位的卡销，保证电机在吊舱模型内纵向及周向位置固定，准确、有效传递推进器的受力特征。电机旋转轴与磁极固定在一起。

电机4端部有与测量模块2和传输模块3连接的接口。电机4有电源线与直流电源相连，有数据线与驱动器相连。电机4转速的测量，是利用电机4旋转轴上的转速传感器进行测量，将旋转轴上测速齿与传感器间距的变化转换为输出电平信号的高低变化，进而通过对电平进行计算，得到电机实时转速。并在显示板上监控电机转速。测试过程中电机4的转速按试验要求通过驱动器进行调整。

驱动模块1的电机4，功率密度较普通电机高6倍以上，可工作于水下环境，通过电源线连接直流电源，通过编码器调节电机4的转速，转速精度在±1rpm范围内。电机系统选用了永磁直流无刷电机，动力系统设计采用正弦波控制方式；采用具有更小的齿槽转矩和更接近正弦波的反电势波形，提高功率密度和转速精度。

上述电机4外形尺度控制在吊舱模型能够包络的范围内。电机4的驱动器可以无级调速，具有实时监控电机转速功能。

电机4壳体5承受吊舱推进器的所有受力。螺旋桨产生的力作用于电机旋转轴，旋转轴通过推力轴承将力传递到壳体5，推进器其他部件受力直接作用于电机壳体5。电机4整体被包裹在吊舱推进器模型之中，

测量模块2包括推进器推力、扭矩的测量。推力、扭矩的测量是利用应变片微应变传感器组成的全桥电路，将推力、扭矩引起的微应变转换为电量信号，通过信号放大器放大后，与传输模块的调制电路相连，将测量数据采集记录。传感器的全桥电路由传输模块3通过非接触耦合方式提供输入电压。

应变片、全桥电路、调制线路密封在空腔10内，有水密性要求。测量模块2一端通过法兰与驱动模块1电机4旋转轴的接口相连，另一端连接螺旋桨，螺旋桨的纵向位置通过端部的螺丝定位，周向位置通过轴上的键进行定位。

应变片、全桥线路、整形调理及放大器的电源由传输模块3的耦合电源提供。推力传感器能够测量沿桨轴的拉力/压力，扭矩传感器可以测量绕桨轴正向或反向的扭矩。全桥线路与传输模块3的旋转部分连接，一方面利用传输模块3的耦合电源驱动测量模块工作，另一方面，接受测量模块推力、扭矩测量信号。测量模块2直接和螺旋桨相连接，消除了密封圈、齿轮等机构的摩擦影响，测量数据更加可靠。

传输模块3一端与旋转的测量模块相连，和测量模块2一起旋转，另一端与电机4端部的接口相连，和电机4外壳固定在一起。传输模块3通过非接触耦合方式给测量模块2提供电压输入。应变片微应变的电压信号经调制后，以一定的频率从旋转部分11传输到非接触耦合传输模块的固定部分12，从固定部分12通过数据线连接到解码器，再连接数据采集系统。

传输模块3采用非接触式耦合传输方式，传输模块3一方面向测量模块中应变片、全桥线路提供电源，另一方面，采集、传输测量模块2的测试数据。优选传输模块3有2个全桥传感器通道和1个提供电源的电压监控通道。电源通过传输模块3旋转和固定线圈耦合产生。

传输模块3旋转部分与测量模块2相连，传输模块3的数据处理线路密封在测量模块2的空腔10中。环形数据接受端固定部分12安装在电机4端部的专门接口上，应变信号经过调制放大之后，以载波的形式通过非接触耦合方式传输到固定的在电机4端部的接受装置，再通过数据线连接到相应的终端设备，完成数据的采集。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本技术领域的专业人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述说明的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：适用于采用吊舱(舵桨)的舰船或水下潜器的模型推进试验中为水下吊舱(舵桨)或潜器推进装置的模型提供集直接的驱动模式、无摩擦的推力扭矩测量手段以及非接触耦合式数据传输于一体的测试系统，包括驱动模块、推力扭矩测量模块和数据传输模块，所述驱动模块提供推进器动力输入，使其产生旋转运动，所述测量模块实时测量推进器产生的推力、扭矩应变信号，所述传输模块给测量模块提供电源，同时接受测量模块的数据。

2.根据权利要求1所述水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：所述驱动模块采用高功率密度、可工作于水下环境的高效永磁直流电机，所述电机直接驱动螺旋桨。

3.根据权利要求2所述水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：所述测量模块一端连接电机旋转轴，另一端连接螺旋桨。

4.根据权利要求1所述水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：所述传输模块采用非接触耦合方式。

5.根据权利要求2所述水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：所述驱动模块的电机旋转轴通过接口与所述测量模块相连，所述电机壳体设计有纵向和周向定位结构。

6.根据权利要求4所述水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：所述测量模块应变片全桥线路的输入电压通过所述传输模块的非接触耦合方式提供，所述应变片的微应变信号经过放大器处理输入到所述传输模块的调制线路，所述应变片直接测量推进器的推力、扭矩。

7.根据权利要求5所述水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：所述传输模块将旋转部件中的信号数据传输到固定部件，耦合线路固定部分与电机端部的接口相连，旋转部分与测量模块相连。

8.根据权利要求7所述水下吊舱(舵桨)推进装置模型驱动及推力、扭矩测试系统，其特征在于：所述传输模块一方面通过非接触耦合方式给测量模块的应变片全桥线路提供输入电压，另一方面接受所述测量模块的测试数据。