CN106741791A - 全回转式的水下推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全回转式的水下推进器，由推进机构、水平转向机构、竖直转向机构和电子元件组构成。在水平转向机构和竖直转向机构的作用下，推进机构可以绕Y轴和Z轴转动。内部电缆不会因为部件之间的相对转动而发生缠绕，从而实现推进机构可以绕Y轴和Z轴任意角度转动，并且能连续多圈旋转；通过检测水平转向轴位置检测装置、竖直转向轴位置检测装置的输出信号可以确定推进机构绕Y轴、Z轴的角度；第二密封舱上至少有一个水密插接件，可以与潜水器或者外界进行电力和信号传输，还可以实现多个全回转式水下推进器之间的协同作业。本发明灵活性高，结构紧凑，有利于实现潜水器的模块化设计。
Description
技术领域
本发明属于水下设备技术领域，具体地说是一种全回转式的水下推进器。
背景技术
对于潜水器等水下运动设备，水下推进器是其重要组成部分。在现有的技术中，固定式推进器只能提供的单一方向的推力，为实现潜水器运动的可控性与灵活性，需要在不同方向布置多个固定式推进器，或者需要结合固定式推进器与舵，导致潜水器结构复杂、体积庞大。采用矢量推进技术能够提高潜水器的可控性和灵活性。
在中国发明专利申请公开说明书CN101941517A公开了一种摆动式推进器，这种摆动式推进器通过齿条带动齿轮，使推进器的方向可在与摆动轴垂直平面±90°角度范围内调节，从而改变推力的方向。CN103569343A公开了一种水下摆动式推进器，这种水下摆动式推进器的摆动轴由锥齿轮副带动旋转，螺旋桨驱动腔随摆动轴的旋转做水平摆动运动，改变推力的方向。CN105836081A公开了一种并联式水下矢量推进器，这种并联式水下矢量推进器包含三条运动支链，能够实现换向台相对机架做两自由度转动，从而改变推力的方向。
受电缆或者机械结构的限制，这三种水下推进器只能够在一定的角度范围内变化方向，并且推进器在其调节方向上不能连续多圈转动。这使得推进的方向变化范围较小，跨边界调整方向时需转动较大的角度。此外，第三种矢量推进器的传动链长，转动角小，导致其螺旋桨旋转推进效率低。
对于水下安装全回转推进器，CN 102963516A只公开了一种水下安装全回转推进器的平板型密封装备。
发明内容
本发明的目的是针对，旨在提供一种能够在调节方向上全方位、连续转动，从而使潜水器具有更高的灵活性，增强了复杂环境下潜水器的可控性和适应能力的全回转式的水下推进器。
本发明目的的实现方式为，全回转式的水下推进器，由推进机构、水平转向机构、竖直转向机构和电子元件组构成；
所述推进机构的推进电机固定于导流罩内，通过连接器带动螺旋桨正向转动或者反向转动，提供前进或后退方向的推力；
所述水平转向机构的水平转向轴的一端与推进机构固定连接，另一端通过第一联轴器与水平转向电机连接；水平转向轴和第一密封舱之间装有水平转向轴密封件；水平转向轴位置检测装置通过水平转向轴传动装置与水平转向轴连接；所述水平转向电机带动推进机构绕水平轴转动；水平转向轴外的水平转向轴导电滑环有水平转向轴导电滑环外环、水平转向轴导电滑环内环；水平转向轴导电滑环外环通过螺钉固定于第一密封舱内，水平转向轴导电滑环内环随水平转向轴一起转动；
所述竖直转向机构的竖直转向轴的一端与第一密封舱连接，另一端通过第二联轴器与竖直转向电机连接；竖直转向轴和第二密封舱之间还装有竖直转向轴密封件；竖直转向轴位置检测装置通过竖直转向轴传动装置与竖直转向轴连接；所述竖直转向电机带动第一密封舱绕竖直轴转动；竖直转向轴外的竖直转向轴导电滑环有竖直转向轴导电滑环外环、竖直转向轴导电滑环内环；竖直转向轴导电滑环外环通过螺钉固定于第二密封舱内，竖直转向轴导电滑环内环随竖直转向轴一起转动；
电子元件组有推进电机驱动器、水平转向电机驱动器、竖直转向电机驱动器、水平转向轴位置检测装置、竖直转向轴位置检测装置、控制器，各器件通过导线相连；所述推进电机驱动器和水平转向电机驱动器安装于第一密封舱内，竖直转向电机驱动器和控制器安装于第二密封舱内；所述第二电缆通过竖直转向轴导电滑环从第二密封舱传输到第一密封舱，第一电缆通过水平转向轴导电滑环从第一密封舱传输到推进机构；
第二密封舱上至少有一个水密插接件，该水密插接件通过导线与控制器连接。
本发明优点和积极效果为：
1、第二电缆通过竖直转向轴导电滑环从第二密封舱传输到第一密封舱，第一电缆通过水平转向轴导电滑环从第一密封舱传输到推进机构，可以实现推进机构绕Y轴和Z轴任意角度旋转，并且能够连续多圈转动，具有更高的灵活性和可控性，增强了复杂环境下潜水器的可控性和适应能力；
2、通过检测水平转向轴位置检测装置、竖直转向轴位置检测装置的输出信号可以确定推进机构绕Y轴、Z轴旋转的角度；
3、第一传动装置和第二传动装置传动链短，机械效率高；
4、第二密封舱上至少有一个水密插接件，通过该水密插件，本发明可以与潜水器或者外界进行电力和信号传输，还可以实现多个全回转式水下推进器之间的协同作业；
5、结构紧凑，便于安装，有助于实现潜水器的模块化设计。
附图说明
图1是本发明外形结构示意图；
图2是装在第一密封舱和第二密封舱的本发明内部结构示意图；
图3是图1的纵向剖视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。
参照图1、2、3，本发明由推进机构、水平转向机构、竖直转向机构和电子元件组构成。
所述电子元件组有推进电机驱动器22、水平转向电机驱动器8、竖直转向电机驱动器16、水平转向轴位置检测装置28、竖直转向轴位置检测装置13、控制器19，各器件通过导线相连。第一电缆31通过水平转向轴导电滑环26从第一密封舱1传输到推进机构，第二电缆30通过竖直转向轴导电滑环21从第二密封舱2传输到第一密封舱1。
参照图1，推进机构的推进电机5固定于导流罩4内，通过连接器6带动螺旋桨7正向转动或者反向转动，从而提供X轴方向前进方向或者后退方向的推力。推进电机5优选体积小、功率大、防水性能好的直流无刷电机，从而简化了全回转式水下推进器的结构，同时减小其尺寸和重量，进一步提高本发明的灵活性和可控性。
参照图1、2、3，推进电机驱动器22和水平转向电机驱动器8通过螺钉安装于第一密封舱1内。第一密封舱1通过轴承支撑水平转向轴24。水平转向轴的一端与推进机构固定，另一端通过第一联轴器23与第一密封舱内部的水平转向电机9连接，该水平转向电机带动推进机构转动。
水平转向轴24和第一密封舱1之间装有水平转向轴密封件27，防止外界的水泄漏到第一密封舱1内。水平转向轴和第一密封舱之间的密封件27优选机械密封，水平转向轴密封件27有水平转向轴静环271和水平转向轴动环272。采用这样的机械密封装置，确保水平转向轴与第一密封舱之间有可靠的密封性能，从而保护内部的电子元件组和机械零件。水平转向轴静环271固定于第一密封舱1内，水平转向轴动环272随水平转向轴24转动，水平转向轴静环271和水平转向轴动环272之间形成密封面，保证水平转向轴24在转动的时候，外界的水不会泄露到舱内。
水平转向轴24外的水平转向轴导电滑环26有水平转向轴导电滑环外环261、水平转向轴导电滑环内环262。水平转向轴导电滑环外环261通过螺钉固定于第一密封舱1内，水平转向轴导电滑环内环262随水平转向轴24一起转动。
水平转向轴24有水平转向轴通孔242和水平转向轴侧孔241。第一电缆31一端连接水平转向轴导电滑环内环262，通过水平转向轴侧孔241和水平转向轴通孔242另一端连接到推进电机5上。第一电缆31和水平转向轴通孔242之间填充密封胶，防止外界的水泄漏到第一密封舱1内。采用这种方法可以避免第一电缆31因为水平转向轴24的转动而发生缠绕，因此，水平转向电机9可以带动推进电机连续多圈地转动，进而改变推进机构所产生的推力绕水平轴(Y轴)方向转动。
水平转向轴位置检测装置28优选电位器。水平转向轴位置检测28装置通过水平转向轴传动装置与水平转向轴24连接，水平转向轴24通过水平转向轴传动装置带动水平转向轴位置检测装置28旋转。进一步优选的，水平转向轴传动装置采用齿轮传动装置，第一主动齿轮25安装在水平转向轴24上与安装在水平转向轴位置检测装置的第一从动齿轮29啮合。更进一步优选的，该第一主动齿轮25和第一从动齿轮29的传动比为1:1，此时，水平转向轴位置检测装置28所转动的角度等于水平转向轴24所转动的角度，从而简化计算推进机构绕Y轴的角度；通过检测水平转向轴位置检测装置28的输出信号就能够确定推进机构绕Y轴的转角。
当然，水平转向轴位置检测装置28还可以选用编码器，水平转向轴传动装置也可以是同步轮和同步带，还可以不选用传动比为1:1的形式。
所述竖直转向电机18、竖直转向电机驱动器16和控制器19通过螺钉安装于第二密封舱2内。第二密封舱2通过轴承支撑竖直转向轴11。竖直转向轴11的一端与第一密封舱1连接，另一端通过第二联轴器15与竖直转向电机18连接，该竖直转向电机带动第一密封舱1转动。
竖直转向轴11和第二密封舱2之间装有水平转向轴密封件12，防止外界的水泄漏到第一密封舱1和第二密封舱2内。竖直转向轴密封件12有竖直转向轴静环121、竖直转向轴动环122。采用这样的机械密封装置，确保竖直转向轴与第二密封舱之间有可靠的密封性能，从而保护内部的电子元件组和机械零件。竖直转向轴静环121固定于第二密封舱2内，竖直转向轴动环122随竖直转向轴11转动，竖直转向轴静环121和竖直转向轴动环122之间形成密封面，保证竖直转向轴11在转动的时候，外界的水不会泄露到舱内。
竖直转向轴11外的竖直转向轴导电滑环21有竖直转向轴导电滑环外环211、竖直转向轴导电滑环内环212。竖直转向轴导电滑环外环211通过螺钉固定于第二密封舱2内，竖直转向轴导电滑环内环212随竖直转向轴11一起转动。
竖直转向轴11有竖直转向轴侧孔111和竖直转向轴通孔112。第二电缆30一端连接竖直转向轴导电滑环内环212，通过竖直转向轴侧孔111和竖直转向轴通孔112另一端连接到第一密封舱1内部的推进电机驱动器22、水平转向电机驱动器8和水平转向轴位置检测装置28上，用于供电和传递信号。第二电缆30和竖直转向轴通孔112之间填充密封胶，防止外界的水泄漏到第一密封舱1和第二密封舱2内。采用这种方法可以避免第二电缆30因为竖直转向轴11的转动而发生缠绕，因此，竖直转向电机18可以带动第一密封舱1连续多圈地转动，进而改变推进机构所产生的推力绕竖直轴(Z轴)的方向转动。
竖直转向轴位置检测装置13优选电位器。竖直转向轴位置检测装置13通过竖直转向轴传动装置与竖直转向轴11连接，竖直转向轴11通过竖直转向轴传动装置带动竖直转向轴位置检测装置13旋转。进一步优选的，竖直转向轴传动装置采用齿轮传动装置，第二主动齿轮20安装在竖直转向轴11上与安装在竖直转向轴位置检测装置13的第二从动齿轮14啮合。更进一步优选的，第二主动齿轮20和第二从动齿轮14的传动比为1:1，此时，竖直转向轴位置检测装置13所转动的角度等于竖直转向轴11所转动的角度，而简化计算推进机构绕Z轴的角度；通过检测竖直转向轴位置检测装置13的输出信号就能够确定推进机构绕Z轴的转角。
竖直转向轴位置检测装置13也可以采用编码器，竖直转向轴传动装置也可以是同步轮和同步带，还可以不选用传动比为1:1的形式。
控制器19采集水平转向轴位置检测装置28和竖直转向轴位置检测装置13的信号，进而求解推进机构绕Y轴和Z轴的转角。同时，控制器19发送控制信号到推进电机驱动器22、水平转动电机驱动器8和竖直转动电机驱动器16，控制推进电机7、水平转向电机9和竖直转向电机18的正转、反转和停止，进而控制推进机构的推力大小和方向。本发明的推进机构在水平转向机构和竖直转向机构的作用下可以绕Y轴和Z轴任意角度旋转，并且能够连续多圈转动。
为了实现全回转推进器供电和与外界的信号交换，第二密封舱2上至少有一个水密插接件3，该水密插接件3与控制器19连接与外界交换控制信号，可以实现多个全回转式水下推进器之间的协同作业。
Claims (9)
1.全回转式的水下推进器，其特征在于：由推进机构、水平转向机构、竖直转向机构和电子元件组构成；
所述推进机构的推进电机固定于导流罩内，通过连接器带动螺旋桨正向转动或者反向转动，提供前进或后退方向的推力；
所述水平转向机构的水平转向轴的一端与推进机构固定连接，另一端通过第一联轴器与水平转向电机连接；水平转向轴和第一密封舱之间装有水平转向轴密封件；水平转向轴位置检测装置通过水平转向轴传动装置与水平转向轴连接；所述水平转向电机带动推进机构绕水平轴转动；水平转向轴外的水平转向轴导电滑环有水平转向轴导电滑环外环、水平转向轴导电滑环内环；水平转向轴导电滑环外环通过螺钉固定于第一密封舱内，水平转向轴导电滑环内环随水平转向轴一起转动；
所述竖直转向机构的竖直转向轴的一端与第一密封舱连接，另一端通过第二联轴器与竖直转向电机连接；竖直转向轴和第二密封舱之间还装有竖直转向轴密封件；竖直转向轴位置检测装置通过竖直转向轴传动装置与竖直转向轴连接；所述竖直转向电机带动第一密封舱绕竖直轴转动；竖直转向轴外的竖直转向轴导电滑环有竖直转向轴导电滑环外环、竖直转向轴导电滑环内环；竖直转向轴导电滑环外环通过螺钉固定于第二密封舱内，竖直转向轴导电滑环内环随竖直转向轴一起转动；
电子元件组有推进电机驱动器、水平转向电机驱动器、竖直转向电机驱动器、水平转向轴位置检测装置、竖直转向轴位置检测装置、控制器，各器件通过导线相连；所述推进电机驱动器和水平转向电机驱动器安装于第一密封舱内，竖直转向电机驱动器和控制器安装于第二密封舱内；所述第二电缆通过竖直转向轴导电滑环从第二密封舱传输到第一密封舱，第一电缆通过水平转向轴导电滑环从第一密封舱传输到推进机构；
第二密封舱上至少有一个水密插接件，该水密插接件通过导线与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：水平转向轴和第一密封舱之间的密封件为机械密封；水平转向轴密封件有水平转向轴静环和水平转向轴动环，水平转向轴静环固定于一密封舱内，水平转向轴动环随水平转向轴转动，水平转向轴静环和水平转向轴动环之间形成密封面。
3.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：水平转向轴有水平转向轴通孔和水平转向轴侧孔；第一电缆一端连接水平转向轴导电滑环内环，通过水平转向轴侧孔和水平转向轴通孔另一端连接到推进机构的推进电机上；第一电缆和水平转向轴通孔之间填充密封胶。
4.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：水平转向轴位置检测装置为电位器；水平转向轴位置检测装置通过水平转向轴传动装置与水平转向轴连接，水平转向轴通过水平转向轴传动装置带动水平转向轴位置检测装置旋转。
5.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：水平转向轴传动装置采用齿轮传动装置，第一主动齿轮安装在水平转向轴上与安装在水平转向轴位置检测装置的第一从动齿轮啮合；第一主动齿轮和第一从动齿轮的传动比为1:1。
6.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：竖直转向轴和第二密封舱之间的密封件为机械密封；竖直转向轴外的竖直转向轴密封件有竖直转向轴静环、竖直转向轴动环；竖直转向轴静环固定于二密封舱内，竖直转向轴动环随竖直转向轴转动，竖直转向轴静环和竖直转向轴动环之间形成密封面。
7.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：竖直转向轴有竖直转向轴侧孔和竖直转向轴通孔，第二电缆一端连接竖直转向轴导电滑环内环，通过竖直转向轴侧孔和竖直转向轴通孔另一端连接到第一密封舱内部的推进电机驱动器、水平转向电机驱动器和水平转向轴位置检测装置上；第二电缆和竖直转向轴通孔之间填充密封胶。
8.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：竖直转向轴位置检测装置为电位器。竖直转向轴位置检测装置通过竖直转向轴传动装置与竖直转向轴连接，竖直转向轴通过竖直转向轴传动装置带动竖直转向轴位置检测装置旋转。
9.根据权利要求1所述的全回转式的水下推进器，其特征在于：竖直转向轴传动装置采用齿轮传动装置，第二主动齿轮安装在竖直转向轴上与安装在竖直转向轴位置检测装置的第二从动齿轮啮合；第二主动齿轮和第二从动齿轮的传动比为1:1。
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