CN106672186A - 一种全开放式双体对转水下推进系统 - Google Patents
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Abstract
一种全开放式双体对转水下推进系统，由前、后两台推进电机组成。两台电机共用一个机壳，机壳通过前端的支撑梁与航行器外壳一体化铸造成型。玻璃钢套筒与电机两侧端盖形成封闭空间，两台电机的定子封闭在封闭空间内，封闭空间内用环氧浇灌填充。电机的转子轭、螺旋桨、轮毂为一体化结构。螺旋桨位于转子轭和轮毂之间，轮毂内部嵌装轴承，转子轭表面贴有磁钢，磁钢与玻璃钢套筒之间形成气隙，水流从气隙中流过。两台电机的轴承共用一个电机轴，电机轴固定于航行器尾部。两台电机的轴承按照前后次序套装在电机轴上。前后两台电机带动各自螺旋桨相互反向旋转，共同产生向后推力驱动航行器前进，同时两台电机的旋转力矩相互抵消，保证航行器姿态平稳。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下推进系统。
背景技术
随着近年来电力电子器件、电机设计技术及新能源和新材料等高新技术的发展，水下航行装置的电力推进系统也正在经历巨大变革。水下驱动电机作为水下航行装置电力推进系统的核心组成部分，其结构是航行器推进系统设计过程中必须考虑的重要方面之一。一种好的电机结构，不但可以保证航行器的平稳灵活运行，而且可以节省航行装置的空间，减小系统的整体尺寸和重量，提高系统运行的可靠性。
一般来说，对于大型船舶，水下驱动设备可以做的相对较大，除了功率密度较低以外，其他性能基本可以满足；而对与小型的水下自主航行器(如水下机器人、鱼雷等)而言，与其配套的水下驱动电机主要面临两个问题。一是整个机体的运行姿态不能保证，往往由于螺旋桨旋转扭矩过大，航行器出现横向翻滚的状况；二是驱动装置散热能力差，功率密度和效率相对较低。
CN102195403A公布了一种大气隙低噪声机桨一体化永磁推进装置，该装置包括基座、推进电机和螺旋桨。推进电机包括定子和转子，定子和转子之间形成大气隙；定子与基座连接，螺旋桨与电机为一体化结构，螺旋桨直接嵌在转子内部。该发明的推进装置主要为吊舱式结构，体积较大，适用于大型船舶、潜艇等场合，无法满足小型航行器对推进系统体积重量的限制要求。此外，该推进装置为单转结构，推进过程会产生横滚力，会破坏小型航行器的姿态稳定。
针对小型航行器的推进问题，目前普遍采用的是高速电机带减速齿轮箱的推进方式。该结构采用转速高达10000rpm的高速电机，通过减速齿轮箱将速度将为两个反向旋转的低速运动，进而带动两个螺旋桨旋转产生推力。该结构采用高速方案提高了电机的功率密度，同时也解决了单螺旋桨的旋转扭矩问题。但是，仍存在以下缺点：
1)高速电机噪声大，高频电磁谐波严重，电磁辐射对航行器内部灵敏元器件造成电磁干扰，降低了航行器的整体运行精度。
2)减速齿轮箱为纯机械部件，高速情况下发热严重，故障率高。
文献《带对转螺旋桨的对转永磁无刷直流电动机研究》(《微特电机》2010年第11期，页码：62-64,76)提出了一种适用于小型航行器推进的定转子对转电机结构，该结构定转子同时带有两个螺旋桨反向旋转，螺旋桨的旋转扭矩相互抵消，解决了单螺旋桨的旋转扭矩问题。但由于这种结构定转子都是运动的，因此只能采用传统的自然换热或风冷对其进行冷却，散热能力差，功率密度低。
发明内容
本发明的目的是克服现有水下推进系统散热效果差、工作范围小、可靠性低、电磁干扰严重、体积重量大等缺点，提出一种双体对转水下推进系统。本发明采用全开放式结构，安装在航行器外部，电机与螺旋桨一体化，定子和转子分别单独实心密封，水流直接流过电机，散热能力好、工作范围宽，适应性强，不仅可以降低航行器的整体重量，提高其内部空间利用率，而且可以有效避免电机对航行器内部敏感元器件的电磁干扰，提高系统的整体可靠性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明全开放式双体对转水下推进系统主要由前、后两台推进电机组成。前推进电机和后推进电机前后布置。所述前推进电机和后推进电机的结构相同，分别由定子铁心、绕组、永磁体、转子轭、螺旋桨、轮毂和轴承组成。本发明推进系统安装在航行器的外部。
所述前推进电机和后推进电机共用一个机壳和密封套筒。所述机壳为圆筒状贯通式全开放结构，通过支撑梁与航行器一体化铸造成型。所述支撑梁为中空结构，电机电源线从支撑梁内部穿出。所述密封套筒为玻璃钢材质，位于两台推进电机定子铁芯的内侧，套筒与两侧端盖形成封闭空间，两台电机的定子封闭在封闭空间内，封闭空间内用环氧浇灌填充，实现实心密封。
所述前推进电机和后推进电机的转子轭、螺旋桨、轮毂为一体化结构，一次性铸造成型。螺旋桨位于转子轭和轮毂之间，轮毂内部嵌装轴承，转子轭表面贴有磁钢，磁钢与玻璃钢套筒之间形成气隙。
所述前推进电机和后推进电机共用一个电机轴，所述电机轴为中空结构，通过螺栓固定于航行器尾部；两台电机的轴承按照前后次序套装在同一个轴上，前推进电机的轴承在前，后推进电机的轴承在后，确保两台电机的螺旋桨的扭角方向相反。
本发明的工作原理及工作过程为：
本发明推进系统在水下运行时，前后两台推进电机由同一个控制器供电，在各自的定子绕组中产生相互反向的旋转磁场，与转子轭表面磁钢产生的磁场相互作用，将各自转子牵入同步转速，进而带动各自的螺旋桨相互反向旋转。由于本推进系统为全开放结构，在两个螺旋桨的旋转作用下，系统前部的水流被吸入电机，一部分直接流过气隙，对电机定子进行了充分冷却，一部分在螺旋桨的推动作用下从电机后部喷出，驱动航行器前进。
本发明的有益效果为：
1、本发明为全开放结构，水流直接流过气隙，提高了电机的冷却效果；同时，定转子均采用单独实心密封，不存在任何空腔，可以在水下任意深度运行，工作范围更广，适应性更强。
2、本发明为对转结构，一方面，由于前后两台推进电机的螺旋桨反向安装，因此二者均产生向后的推力，成倍增加了航行器的前进速度。另一方面，由于两个螺旋桨相互反向旋转，二者产生的旋转力矩刚好相互抵消，从而避免了航行器横滚，保证了航行器的姿态平稳。
3、本发明为双体结构，两台推进电机既可以同步控制，同时工作，也可以单独控制，独立工作，大大提高了推进系统的可靠性和冗余性。
4、本发明为电机与螺旋桨一体化结构，安装在航行器外部，一方面，有效避免了电磁辐射对航行器内部灵敏元器件的电磁干扰；另一方面，大大减小了航行器的体积和重量，进而在一定程度上提高了航行器的灵活性。
附图说明
图1是本发明全开放式双体对转水下推进系统的结构示意图，图中：101第一定子铁芯、102第一定子绕组、103第一磁钢、104第一转子轭、105第一螺旋桨、106第一轮毂、107第一轴承、201第二定子铁芯、202第二定子绕组、203第二磁钢、204第二转子轭、205第二螺旋桨、206第二轮毂、207第二轴承、3机壳、4航行器、5支撑梁、6端盖、7套筒、8电机轴、9环氧、10电源线；
图2是本发明全开放式双体对转水下推进系统的前视图和后视图，其中，图2a为本发明全开放式双体对转水下推进系统的前视图；图2b为本发明全开放式双体对转水下推进系统的后视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明全开放式双体对转水下推进系统包括前推进电机和后推进电机。前推进电机由第一定子铁芯101、第一定子绕组102、第一磁钢103、第一转子轭104、第一螺旋桨105、第一轮毂106和第一轴承107组成；后推进电机由第二定子铁芯201、第二定子绕组202、第二磁钢203、第二转子轭204、第二螺旋桨205、第二轮毂206和第二轴承207组成。
如图1和图2a、图2b所示，前推进电机和后推进电机共用一个机壳3和密封套筒7。机壳3为圆筒状贯通式全开放结构，通过多个支撑梁5与航行器4一体化铸造成型，图2a和图2b所示为4个支撑梁5。支撑梁5为中空结构，电源线10从支撑梁5内穿出。密封套筒7为玻璃钢材质，套筒7与两侧端盖6形成封闭空间，将第一定子铁芯101、第一定子绕组102、第二定子铁芯201、第二定子绕组202封闭在所述封闭空间内，封闭空间内用环氧9浇灌填充，实现实心密封。
如图1和图2a、图2b所示，第一转子轭104、第一螺旋桨105、第一轮毂106为一体化结构，第一螺旋桨105位于第一转子轭104和第一轮毂106之间，由多个叶片组成，图2、图2b所示为6个。第一轮毂106内部嵌装第一轴承107。第二转子轭204、第二螺旋桨205、第二轮毂206为一体化结构，第二螺旋桨205位于第二转子轭204和第二轮毂206之间，由多个叶片组成，图2、图2b所示为7个。第二轮毂206内部嵌装第二轴承207。
如图1和图2a、图2b所示，前推进电机和后推进电机共用一个电机轴8。电机轴8为中空结构，通过螺栓固定于航行器4的尾部。第一轴承107和第二轴承207按照前后次序套装在电机轴8上，第一轴承107在前，第二轴承207在后，确保第一螺旋桨105和第二螺旋桨205的扭角方向相反。
Claims (3)
1.一种全开放式双体对转水下推进系统，所述水下推进系统包括前推进电机和后推进电机，前推进电机和后推进电机的结构相同；前推进电机和后推进电机的螺旋桨反向安装，其特征在于：所述前推进电机包括第一定子铁芯(101)、第一定子绕组(102)、第一磁钢(103)、第一转子轭(104)、第一螺旋桨(105)、第一轮毂(106)，以及第一轴承(107)；所述的第一转子轭(104)、第一螺旋桨(105)和第一轮毂(106)为一体化结构；第一螺旋桨(105)位于第一转子轭(104)和第一轮毂(106)之间，第一转子轭(104)表面贴有第一磁钢(103)，第一轮毂(106)内部嵌装第一轴承(107)；所述后推进电机包括第二定子铁芯(201)、第二定子绕组(202)、第二磁钢(203)、第二转子轭(204)、第二螺旋桨(205)、第二轮毂(206)，以及第二轴承(207)；所述的第二转子轭(204)、第二螺旋桨(205)、第二轮毂(206)为一体化结构；第二螺旋桨(205)位于第二转子轭(204)和第二轮毂(206)之间，第二转子轭(204)表面贴有第二磁钢(203)，第二轮毂(206)内部嵌装第二轴承(207)；所述的水下推进系统安装在航行器的外部。
2.根据权利要求1所述的全开放式双体对转水下推进系统，其特征在于：前推进电机和后推进电机共用一个机壳(3)和密封套筒(7)；所述机壳(3)为圆筒状贯通式全开放结构，通过支撑梁(5)与航行器(4)一体化铸造成型；所述支撑梁(5)为中空结构，电源线(10)从支撑梁(5)内部穿出；所述密封套筒(7)为玻璃钢材质，位于第一定子铁芯(101)和第二定子铁芯(201)内侧，套筒(7)与两侧端盖(6)形成封闭空间，第一定子铁芯(101)、第一定子绕组(102)、第二定子铁芯(201)和第二定子绕组(202)封闭在所述封闭空间内，封闭空间内用环氧(9)浇灌填充，实现实心密封。
3.根据权利要求1所述的全开放式双体对转水下推进系统，其特征在于：前推进电机和后推进电机共用一个电机轴(8)；所述电机轴(8)为中空结构，通过螺栓固定于航行器(4)尾部；所述的第一轴承(107)和第二轴承(207)按照前后次序套装在电机轴(8)上，第一轴承(107)在前，第二轴承(207)在后，保证第一螺旋桨(105)和第二螺旋桨(205)的扭角方向相反。
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