CN105109650B - 对转无轴轮缘驱动推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对转无轴轮缘驱动推进器，该推进器设有导管组件，其壳体的内腔中装有定子绕组、前转子组件、后转子组件；两转子组件中的转子环在轴向形成锥形配副，嵌入此两转子环外壁中的永磁体极性相反；定子绕组通电后，与所述永磁体同时形成磁性相反的磁场，即单定子驱动双转子旋转，形成双转子环形电机，带动前桨叶和后桨叶对转，产生推力推动船舶前进。本发明具有占用空间小、推进效率高、推力大、横向稳定性好和振动小等优点，特别适合军用舰船和现代民用船舶的推进以及海上平台定位。

Description

对转无轴轮缘驱动推进器

技术领域

本发明属于船舶推进器领域，特别涉及由导管中的单定子同时驱动带桨叶的无轮毂双转子对转，而形成的一种高效率、大推力、稳定性好和集成度高的新型推进器，亦即所谓的对转无轴轮缘驱动推进器。

背景技术

近年来，随着海军国防建设需要和水上贸易的发展，船舶推进装置性能的要求越来越高，传统的轴驱式推进器的劣势逐渐凸显，已经无法更好地满足工作要求。例如传统轴驱式推进器部件多、结构复杂、船舱占用空间大、能量损耗大，振动和噪声控制困难、建造和维护成本高等，这些缺陷导致人们逐渐将目光转向更加先进的无轴推进系统。

目前无轴轮缘驱动推进器为单转子，分为无毂和有毂两种形式。欧洲专利《Shaftless Propeller》(EP1739007A1)、中国专利《船用永磁电机推进器螺旋桨》(CN104326073A)和中国专利《水下空心无榖桨推进器》(CN101546939A)均为单转子无毂式轮缘驱动推进器，这种推进将电机定子设置在圆柱形壳体中，螺旋桨桨叶与电机转子相连后安装在壳体中空部位，电机通电后转子带动桨叶旋转产生推力。这种无毂结构有利于减小阻力和解决杂物或线缆缠绕的问题，但受电机尺寸限制，推进器功率有限。而且桨叶产生的推力一般由转子两端的水润滑动压轴承承担，轴承承载面积受壳体厚度限制，承载能力较小，也限制了大功率无轴推进器的发展。中国专利《无轴驱动式集成电机推进器》(CN102632982A)是一种单转子有毂式轮缘驱动推进器，该推进器还保留有轮毂，安装在轮毂中的轴不旋转，而用于安装支撑轴承和传递推力；这种结构虽然有利于提高轴承的承载能力，但无法消除桨毂和船体的迎面阻力。

为了提高螺旋桨的推进效率，传统的轴驱式推进器也发展了对转螺旋桨，是将两个普通螺旋桨分别装于同心的两根轴上，并以等速或不等速的相反方向旋转。这种结构虽然有利于减小尾流的旋转损失，提高推进效率，但存在轴系复杂，制造难度大，制造和维修费用高等明显缺点。而且这种对转螺旋桨叶梢部位存在较明显的空泡现象。相对与此，本发明提出了一种对转无轴轮缘驱动推进器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了提高无轴轮缘推进器的效率和功率，提供一种由导管中的单定子同时驱动带桨叶的无轮毂双转子对转，形成的一种高效率、大推力、稳定性好和集成度高的对转无轴轮缘驱动推进器。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的对转无轴轮缘驱动推进器，设有导管组件，其壳体的内腔中装有定子绕组、前转子组件、后转子组件。其中：两转子组件中的转子环在轴向形成锥形配副，嵌入此两转子环外壁中的永磁体极性相反；定子绕组通电后，与所述永磁体同时形成磁性相反的磁场，即单定子驱动双转子旋转，形成双转子环形电机。

所述的前转子组件，包括前永磁体、前转子环、前桨叶、前桨叶板、前永磁体防护层，其中：前转子环外壁等间距开设方形槽，前永磁体镶嵌在该方形槽中；前桨叶、前桨叶板固连在一起；与定子绕组相对的前永磁体的一面安装有用于隔离海水对永磁体的侵蚀前永磁体防护层，该防护层外表面可设置波纹或微沟槽。

所述的前桨叶和后转子组件中的后桨叶向内伸出，前、后桨叶的叶背与叶面相对安装，即前桨叶的叶面对着后桨叶的叶背，或者前桨叶的叶面背对着后桨叶的叶面。

所述的后转子组件，包括后永磁体、后转子环、后桨叶、后桨叶板、后永磁体防护层，其中：后永磁体镶嵌在后转子环外壁的槽中，与定子绕组相对的后永磁体的磁极与前永磁体的磁极相反，这样定子与两个转子之间可形成极性相反的磁场；定子防护层与前永磁体防护层和后永磁体防护层之间均存在间隙；工作时，海水经过间隙冷却双转子环形电机。

所述的前转子组件和后转子组件，分别由安装在导管组件两端的轴承组件支撑。

所述的定子绕组，其内壁与前转子组件和后转子组件的外壁相对；定子绕组内壁和与之相对的永磁体面上均设置有防护层。

本发明中，定子绕组通电后，与前后转子环上的永磁体同时形成磁性相反的磁场，即单定子驱动双转子旋转，形成双转子环形电机工作时，定子驱动前后转子进行相反方向旋转，带动前后桨叶同时产生同方向推力，该力作用在转子环端部的滑动轴承上，最后经过与导管连接的旋转件作用在船体上，进而推进船舶前进。

在所述的锥形配副的一个面上开设有利于润滑和减少磨损的呈矩形或人字形螺旋槽；当两转子组件中的转子环相对旋转时，两个锥形面之间形成动压水膜，一方面可传递轴向推力，另一方面可承受径向力。

所述的轴承组件，包括前轴承组件和后轴承组件，其中：前轴承组件包括前轴瓦、前转子承载件，它们的径向截面均呈“L”形；后轴承组件包括后轴瓦和后转子承载件，它们的径向截面均呈“L”形。

对上述的对转无轴轮缘驱动推进器进行下述改变：在该推进器中的单定子驱动双转子桨叶的对转方案中加入轮毂，形成对转有毂式轮缘驱动推进器；所述轮毂含不转的轴、径向轴承和推力轴承。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.所采用的单定子驱动双转子桨叶的对转方案，将电机、双螺旋桨、舵、导管和轴承高度集成在一起，结构非常紧凑，充分吸收了已有的无轴轮缘驱动推进器和对转螺旋桨的优点；

2.后桨叶吸收了前桨叶未被有效利用的涡动能量，转化为有效推力；

3.减小尾流的旋转损失，提高单螺旋桨效率；对转桨叶总叶面积大于单螺旋桨，吸收功率相同时，前者的负荷比后者小，有利于避免空泡产生；

4.前后两桨之间存在转矩平衡，航行器不容易发生横滚，提高了稳定性；空心无毂结构有效避免了桨毂的迎面阻力和缠绕问题。

总之，本发明具有占用空间小、推进效率高、推力大、横向稳定性好和振动小等优点，特别适合军用舰船和现代民用船舶的推进以及海上平台定位。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明的前转子组件局部结构示意图。

图3是本发明的后转子环配合部位的第一种实施例结构示意图。

图4是本发明的后转子环配合部位的第二种实施例结构示意图。

图中：1.定子绕组；2.前永磁体；3.壳体；4.前盖板；5.前导罩；6.前轴瓦；7.前转子承载件；8.前转子环；9.前桨叶；10.后转子环；11.后桨叶；12.后转子承载件；13.后轴瓦；14.后导罩；15.后盖板；16.后永磁体；17.旋转件；18.壳体前密封件；19.壳体与前盖板螺纹连接处；20.前导罩与前盖板外螺纹连接处；21.定子防护层密封圈；22.前盖板与前轴瓦组水平螺纹连接处；23.前导罩与前盖板内螺纹连接处；24.前盖板与前轴瓦组竖直螺纹连接处；25.前转子承载件与前转子环竖直螺纹连接处；26.前转子承载件与前转子环水平螺纹连接处；27.桨叶板与前转子环螺纹连接处；28.前桨叶板；29.前转子环锥形面；30.后转子环锥形面；31.后永磁体防护层；32.定子防护层；33.前永磁体防护层；34.旋转件与壳体螺纹连接处；35.电缆；36.竖直轴线；37.水平轴线；38.矩形浅腔；39.矩形槽封水面；40.人字形浅腔；41.人字槽封水面；42.前径向瓦面；43.前推力瓦面。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供的对转无轴轮缘驱动推进器，其结构如图1和图2所示，由前转子组件、后转子组件、导管组件、定子绕组1、轴承组件五个部分组成，其中：前转子组件和后转子组件分别安装在导管组件的壳体3的内腔中，分别由安装在导管组件两端的轴承组件支撑；定子绕组1安装在导管组件的壳体3的内壁中，定子绕组1的内壁与前转子组件和后转子组件的外壁相对；导管组件通过旋转件17与船体相连。

所述的前转子组件，包括前永磁体2、前转子环8、前桨叶9、前桨叶板28、前永磁体防护层33，其中：前转子环8外壁等间距开设方形槽，前永磁体2镶嵌在该方形槽中。与定子绕组1相对的前永磁体2的一面安装有前永磁体防护层33，该防护层与定子防护层32的材料一样，用于隔离海水对永磁体的侵蚀；该防护层外表面可设置波纹或微沟槽。

所述的后转子组件，包括后永磁体16、后转子环10、后桨叶11、后桨叶板、后永磁体防护层31。其安装与前转子组件相似，其中后永磁体16镶嵌在后转子环10外壁的槽中，与定子绕组1相对的后永磁体16的磁极与前永磁体2的磁极相反，这样定子与两个转子之间可形成极性相反的磁场。定子防护层32与前永磁体防护层33和后永磁体防护层31之间均存在间隙。工作时，海水经过间隙冷却电机。

参见图2，在前转子环8内壁上沿周向等间距设置槽，槽个数与桨叶个数相同，约3～8个。桨叶与桨叶版固连在一起。如桨叶板与前转子环螺纹连接处27，是利用沉头螺钉将前桨叶板28安装在槽中。根据前桨叶板28的大小和连接强度需求来选择沉头螺钉大小和个数。后桨叶板的安装方式与前桨叶板相似，需要注意的是：与转子环内壁槽固连的前桨叶9和后桨叶11向内伸出，前后桨叶的叶背与叶面相对安装，即前桨叶的叶面对着后桨叶的叶背，或者前桨叶的叶面背对着后桨叶的叶面。

上述的前转子组件和后转子组件中，其前转子环8和后转子环10装在导管组件的壳体3的内腔中，在该内腔轴向相邻且形成锥形配副，即前转子环锥形面29与后转子环锥形面30形成摩擦配副，前、后转子环外壁中所嵌入的永磁体极性相反。定子绕组通电后，与前后转子环上的永磁体同时形成磁性相反的磁场，即单定子驱动双转子旋转，形成双转子环形电机工作时，定子驱动前后转子进行相反方向旋转，带动前后桨叶同时产生同方向推力，该力作用在转子环端部的滑动轴承上，最后经过与导管连接的旋转件作用在船体上，进而推进船舶前进。在前后转子环锥形配副的一个面上均开设有螺旋槽，起到润滑和传递推力的作用，减少磨损。前转子环8与后转子环10相对旋转时，两个锥形面之间形成动压水膜，一方面可传递轴向推力，另一方面可承受径向力。以开设在后转子环锥形面30上的螺旋槽为例，本发明给出了两种实施例：矩形槽和人字槽，分别对应图3和图4。矩形槽包括矩形浅腔38和矩形槽封水面39。人字槽包括人字形浅腔40和人字槽封水面41。相对而言，人字槽比矩形槽承载能力更强，但加工难度更大。也可根据性能需要设计组合槽，例如多排矩形槽或矩形槽与人字槽组合等。

所述的导管组件，包括壳体3、前盖板4、前导罩5、后导罩14、后盖板15、旋转件17以及相关密封件和紧固件等。前盖板4、后盖板15分别安装在壳体3的前后两端，与盖板相结合的壳体面上开设有环形槽，此环形槽中安装有壳体前密封件18。壳体与前盖板螺纹连接处19采用沉头螺钉连接。前导罩5安装在前盖板4上，前导罩与前盖板外螺纹连接处20和前导罩与前盖板内螺纹连接处23均采用沉头螺钉连接。前导罩5与壳体3的圆周结合处平齐、无台阶。后盖板15、后导罩14和壳体3的连接方式与前盖板4、前导罩5和壳体3的连接方式相似，在此不赘述。旋转件与壳体螺纹连接处34采用螺栓连接。

所述的定子绕组1为环形的成组电机定子绕组，其安装在导管组件的壳体3的内壁中。壳体3由定子防护层32封闭，封闭部位设置有定子防护层密封圈21；封闭前腔内灌有可固化的材料进行填充，该可固化的材料可以采用环氧树脂或密封胶。定子防护层32用于隔离海水对电机的定子绕组1的侵蚀，要求该防护层对磁场不产生负面影响、厚度不能太大且易于散热。动力源的电缆35穿过壳体3的孔后经过旋转件17的管道接入到船体。

所述的轴承组件，包括前轴承组件和后轴承组件。参见图1和图2，双转子桨叶旋转形成的推力由转子环端部的轴承承担。以前轴承组件为例，包括前轴瓦6、前转子承载件7。前轴瓦6、前转子承载件7的径向截面均呈“L”形，这种结构即可承受径向力又可承受轴向力。前盖板与前轴瓦组水平螺纹连接处22、前盖板与前轴瓦组竖直螺纹连接处24、前转子承载件与前转子环竖直螺纹连接处25和前转子承载件与前转子环水平螺纹连接处26均采用沉头螺钉连接。后轴承组件包括后轴瓦13和后转子承载件12，后轴承组件的安装方式与前轴承组件类似，在此不赘述。轴承采用高承载能力的类型，例如动静压轴承或弹性垫支撑的可倾瓦轴承，前者的承载能力更高，但因为需要水泵而新增了噪声源，可用于大功率民用船舶中。轴瓦含径向瓦和推力瓦，轴瓦基体均采用不锈钢，轴瓦表面(例如前径向瓦面42和前推力瓦面43)采用橡胶或高分子材料。转子承载件采用青铜或者金属合金。

本发明提供的对转无轴轮缘驱动推进器为无毂式对转无轴轮缘驱动推进器，若在其技术方案中加入轮毂，则可以形成有毂式对转无轴轮缘驱动推进器，推力主要由轮毂处的轴承承担。这种实施例有利于增加轴承承载面积，缺点是轮毂会带来迎面阻力，降低推进效率。

本发明提供的对转无轴轮缘驱动推进器，其工作时，通电的定子绕组1分别与前永磁体2和后永磁体16形成两个环形电机，在电磁场的作用下，单定子绕组1同时驱动前转子环8和后转子环10绕水平轴线37进行相反方向旋转，带动前、后桨叶对转，分别产生方向相同的轴向推力。当推力指向后轴承时，后轴瓦13将推力传递到壳体2上，该推力再由旋转件17传导到船体上推进船舶行进。旋转件17上端设置回转机构，实现推进器可绕竖直轴线36进行360°的全方位旋转。

由上述实施例提供的对转无轴轮缘驱动推进器可知，该对转无轴轮缘驱动推进器是一种由导管中的单定子同时驱动带桨叶的无轮毂双转子对转的新型推进器，可以实现对转的核心结构是在前后两个转子环外壁中分别嵌入了极性相反的永磁体，且前后转子环之间形成锥形摩擦副。该对转无轴轮缘驱动推进器与已有推进器相比具有以下的突出效果：

1.传统的无轴轮缘驱动推进器为单转子，功率有限。而本发明的双转子可以大幅提高功率和效率。

2.传统的对转螺旋桨由两根转轴分别驱动，两轴由两个独立动力分别驱动或者由一个动力经过复杂的转化后同时驱动，结构非常复杂，设计、安装和维护成本高；并且其桨毂带来阻力较大、容易缠绕杂物等问题。而本发明由一个定子同时驱动两个转子，无桨毂，结构简单、紧凑。

总之，本发明充分吸收了已有的无轴轮缘驱动推进器和对转螺旋桨的优点，克服了它们的缺陷。

Claims (9)

1.对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是设有导管组件，其壳体的内腔中装有定子绕组、前转子组件、后转子组件；两转子组件中的转子环在轴向形成锥形配副，嵌入此两转子环外壁中的永磁体极性相反；定子绕组通电后，与所述永磁体同时形成磁性相反的磁场，即单定子驱动双转子旋转，形成双转子环形电机；

在所述的锥形配副的一个面上开设有利于润滑和减少磨损的呈矩形或人字形螺旋槽；当两转子组件中的转子环相对旋转时，两个锥形面之间形成动压水膜，一方面可传递轴向推力，另一方面可承受径向力。

2.根据权利要求1所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是所述的前转子组件，包括前永磁体(2)、前转子环(8)、前桨叶(9)、前桨叶板(28)、前永磁体防护层(33)，其中：前转子环(8)外壁等间距开设方形槽，前永磁体(2)镶嵌在该方形槽中；前桨叶(9)、前桨叶板(28)固连在一起；与定子绕组(1)相对的前永磁体(2)的一面安装有用于隔离海水对永磁体的侵蚀前永磁体防护层(33)，该防护层外表面可设置波纹或微沟槽。

3.根据权利要求2所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是所述的前桨叶(9)和后转子组件中的后桨叶(11)向内伸出，前、后桨叶的叶背与叶面相对安装，即前桨叶的叶面对着后桨叶的叶背，或者前桨叶的叶面背对着后桨叶的叶面。

4.根据权利要求1所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是所述的后转子组件，包括后永磁体(16)、后转子环(10)、后桨叶(11)、后桨叶板、后永磁体防护层(31)，其中：后永磁体(16)镶嵌在后转子环(10)外壁的槽中，与定子绕组(1)相对的后永磁体(16)的磁极与前永磁体(2)的磁极相反，这样定子与两个转子之间可形成极性相反的磁场；定子防护层(32)与前永磁体防护层(33)和后永磁体防护层(31)之间均存在间隙；工作时，海水经过间隙冷却双转子环形电机。

5.根据权利要求1所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是所述的前转子组件和后转子组件，分别由安装在导管组件两端的轴承组件支撑。

6.根据权利要求1所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是所述的定子绕组，其内壁与前转子组件和后转子组件的外壁相对；定子绕组内壁和与之相对的永磁体面上均设置有防护层。

7.根据权利要求1所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是定子绕组通电后，与前后转子环上的永磁体同时形成磁性相反的磁场，即单定子驱动双转子旋转，形成双转子环形电机工作时，定子驱动前后转子进行相反方向旋转，带动前桨叶、后桨叶同时产生同方向推力，该力作用在转子环端部的滑动轴承上，最后经过与导管连接的旋转件作用在船体上，进而推进船舶前进。

8.根据权利要求1所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是轴承组件包括前轴承组件和后轴承组件，其中：前轴承组件包括前轴瓦(6)、前转子承载件(7)，它们的径向截面均呈“L”形；后轴承组件包括后轴瓦(13)和后转子承载件(12)，它们的径向截面均呈“L”形。

9.根据权利要求1所述的对转无轴轮缘驱动推进器，其特征是在该对转无轴轮缘驱动推进器的基础上，在其单定子驱动双转子桨叶的对转方案中加入轮毂，形成对转有毂式轮缘驱动推进器；所述轮毂含不转的轴、径向轴承和推力轴承。