CN107207083B - 用于水下航行器的水下推进装置 - Google Patents

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Abstract

一种水下推进装置，包括：定子，其包括线圈并适合于产生沿轴向方向的受控电磁场；无轴的推进转子，其包括：至少两个板，分别是沿轴向方向同轴隔开并垂直于轴向方向的上部磁化板和下部磁化板，使得线圈位于它们之间，每个板界定中心孔且具有磁化极，磁化极产生磁场，磁场与定子的电磁场相互作用以促使板围绕平行于轴向方向的中心轴线旋转；由其外周和其内周界定的至少一个推进器，推进器接纳在中心孔内并固定到中心孔；从推进器的内周向内突出的多个叶片，当板旋转时，叶片产生沿中心轴线的推力，转子通过间隙与定子轴向隔开，以允许在间隙内形成液压膜，液压膜适合于为转子提供润滑，从而减小转子和定子之间的摩擦并将转子的轴向推力传递到定子。

Description

用于水下航行器的水下推进装置
发明领域
本发明涉及用于水下航行器的水下推进装置。更具体地，其涉及一种具有可以容易地制造的轻的且简单的结构的推进装置。
本发明还涉及配备有这种水下推进装置的水下航行器。
发明背景
无人水下航行器长期以来都是已知的。特别地，在文献US 741 581中公开了一种玩具潜水艇。最近，这种航行器已经被用作遥控的机械装置(drones)，用于在水下环境中执行各种任务，例如管道勘察和调查或军事任务。在文献WO 2014/113121中已经公开了这种应用的示例。
无人水下航行器通常具有小的或微型的尺寸，以便允许它们易于操作以及在有限的空间内储存。然而，这样的微型尺寸可能增加水下航行器对碎片侵入的脆弱性，或者增加水下航行器对所述航行器的推进器中变得缠结的鱼线的脆弱性，这可能显著降低其性能，并且在最坏的情况下会导致其恶化和航行器的损失。另外，可能是具有挑战性的是，确保推进系统的运动部分具有高可靠性的防水和耐压。马达轴周围的动态密封圈可能快速磨损，特别是当暴露于水中的悬浮的砂粒或其它颗粒时。当暴露在水中，特别是在盐水中时，暴露的金属部分也受到腐蚀的影响。失效的密封件通常会导致快速的进水，这将损坏内部部件，并降低航行器浮力，这可能导致整个航行器的完全损失。
过去已经提出了针对这些问题的不同解决方案。
使所述航行器的推进装置的电动马达防水和耐压的一个解决方案是使用O形环和动态密封件，O形环和动态密封件可能快速磨损。用油来填充马达以抵抗外部压力会降低密封件的应力，并减轻水侵入的风险，但这增加马达窄磁隙内的摩擦力，可能会将油释放到环境中，并需要定期维护以更换失去的油。可选地，可以使用马达和推进器之间的磁耦合器，磁耦合器增加了体积和复杂性并限制了转矩。
发明概述
因此，本发明的第一个目的是提供一种用于微型水下航行器的水下推进装置，在该水下推进装置中避免了上面提及的缺点。
本发明的第二个目的是提供一种这样的水下推进装置，该水下推进装置具有紧凑和低轮廓(low profile)的结构，以便减少由马达的体积所引起的阻力，从而提高水下航行器的性能，特别是当推进装置用作姿态控制推力器并垂直于水下航行器的主要行进方向安装时。
本发明的第三个目的是提供一种可以容易地制造的水下推进装置。
以这种观点，本发明涉及一种水下推进装置，该水下推进装置包括：
-定子，其包括圆周排列的线圈并且适合于产生沿轴向方向的受控的电磁场，
-无轴的推进转子，其包括：
-至少两个磁化的环形板，其沿着所述轴向方向同轴地隔开并垂直于所述轴向方向，使得所述圆周排列的线圈位于它们之间，每个板界定中心孔并且具有嵌入其中的圆周排列的径向延伸的磁化极，所述磁化极产生与定子的电磁场相互作用的磁场，以便促使所述板围绕平行于所述轴向方向的中心轴线旋转，
-至少一个环形推进器，该至少一个环形推进器由其外周和其内周界定，所述推进器接纳在所述板的中心孔内并稳固地固定至该中心孔，
-多个推进器叶片，其从所述推进器的内周向内突出，当板旋转时，所述叶片产生沿着中心轴线的推力，
其中所述转子通过间隙与定子轴向地隔开，以便允许在所述间隙内形成液压膜，所述液压膜适合于为转子提供润滑，从而减小转子和定子之间的摩擦，并且将转子的轴向推力传递到定子。
本发明还涉及一种水下航行器，该水下航行器配备有如上所述的水下推进装置。
由于其轴向磁通磁体布置而不是更常见的径向磁通磁体布置，本发明的水下推进装置具有这样的优点，高磁通密度可以在转子的一对磁性板之间实现，而不需要铁芯。这允许定子和转子之间的间隙比常规的径向磁通电动马达更宽，从而减少转子和定子之间的流体动力学摩擦，并且使得该布置更不倾向于因碎片而磨损。
另外，它简化了转子的安装要求。在常规的永磁马达中，任何不平衡都会导致转子和定子中的永磁体之间的大的磁力，该大的磁力使该不平衡增大。为了承受所述力，其它马达设计中的转子通常使用轴承安装在中心轴上。然而，该解决方案增加了诸如鱼线或水生植物的碎屑缠绕在轴上，使转子停转的风险。相反，在本发明中，由于定子中不存在铁芯，除了产生转矩的磁力之外不出现所述磁力，从而消除了对刚性轴承的需要。在本发明中，无轴的转子在水膜上滑动，所述膜形成流体动力轴承，该流体动力轴承将推力传递到定子，同时使用周围的水作为润滑。此外，可能被捕获在隔开转子和定子的间隙内的小碎屑，如砂粒，容易地被该水膜冲洗掉。由于转子不是刚性安装的，并且可以暂时地沿轴向或径向移动，直到颗粒被移出并冲走，因此大大降低了微粒被卡在转子和定子之间而可能导致马达损坏的风险。
最后，本发明的推进装置由于其构成部分的有限数量，可以以最小的装配费用来生产。
附图简述
根据仅通过非限制性示例提供并通过附图示出的本发明的一个实施方案的详细描述，本发明的其它特征和优点将更清楚地显现，在附图中：
图1是配备有本发明的数个推进装置的潜艇(submarine vessel)的透视图；
图2是根据本发明的实施方案的推进装置的透视图；
图3是图2的推进装置的分解透视图；
图4是图2的推进装置在不具有其定子外壳的情况下的透视图；
图5是在图4中示出的推进装置的俯视图；
图6是在图4中示出的推进装置的侧面剖视图；
图7是图2的推进装置的定子外壳的俯视图，示出了增强转子和定子之间的液压膜的槽；
图8是图4中所示的推进装置的定子板的电路板布置图；
图9是根据本发明的另外的实施方案的推进装置的侧向剖视图。
本发明的具体实施方式
参考图1，示出了具有主体110的潜艇100，潜艇100安装有根据本发明的五个推进装置10a、10b。每个推进装置构造成在两个相反的方向中的任一方向上提供受控的推力，由此推进装置可以被控制以配合使船在任何期望的方向上移动。特别地，三个推进装置10a构造成沿着垂直于主体110的纵向轴线XX’的方向提供推力，并且两个推进装置10b构造成沿着平行于所述纵向轴线XX’的方向提供推力。主体110可以有利地具有小的尺寸。特别地，主体的沿着纵向轴线XX’的长度可以优选地小于1.5米，并且更优选小于80厘米。
如图2至图5中所示，每个推进装置10包括牢固地紧固到主体110的定子组件20和位于由定子组件界定的外壳25内的无轴转子组件30。转子组件构造成围绕中心轴线ZZ’在两个相反的方向中的任一方向上旋转。更具体地，定子组件20包括优选由塑料制成的外部防水壳体21，壳体21封装有定子板22。如图6和图8中所示，所述定子板22由多层印刷电路板(PCB)构成，每个PCB层包括由导电材料形成并由非导电介电材料支撑的圆周排列的线圈23。线圈被互连以产生适合于单相或多相供电的电路。定子板22可以通过任何公知的PCB制造方法来制造，并且可以例如与专利US 6 411 002的PCB定子相一致。有利地，定子板22还包括由集成电路芯片形成的控制部分24，集成电路芯片连接到通过任何合适的材料形成在定子板的层中的导电图形26。这样的控制部分24适合于控制线圈23中的电流，以便产生围绕轴线ZZ’旋转的多极电磁场。
如图3和图7中所示，当在轴向方向上观察时，外部壳体21具有与定子板22大体相同的形状。壳体21可有利地比定子板22稍厚，以便界定用于上部环形板31、下部环形板32和环形推进器33的外壳腔25，上部环形板31包含一组磁体，下部环形板32包含一组磁体，所述板31、32和所述推进器33形成转子组件30。因此，所述外壳腔25包括上部盘形子外壳25a和下部盘形子外壳25b，所述子外壳25a、25b具有相对于由定子板22界定的中间平面P的大体对称的形状并被与所述中间平面P大体对齐的中心盘形子外壳25c轴向地隔开。如图2中所示，所述上部子外壳25a和下部子外壳25b的直径D1有利地略大于所述上部磁化的环形板31和下部磁化的环形板32的直径D2，以便在它们之间界定环状间隙，液体W可以在该环状间隙内循环，从而允许转子组件30围绕轴线ZZ’容易地旋转。液体W可以有利地是推进装置在其中运行的环绕的液体，例如但不限于水。由于相同的原因，中心子外壳25c的直径D3可优选地略大于推进器33的直径D4。此外，在使用期间，上部板31和下部板32可以分别有利地沿着轴线ZZ’定位，以便分别与上部子外壳25a的底面25a1、下部子外壳25b的顶面通过液体W可以在其间循环的间隙轴向地隔开，从而在转子30和定子20之间产生液压膜，该液压膜减小了转子30和定子20之间的摩擦，并允许将由推进器33产生的推力传递到所述定子。该间隙可优选小于3mm。如图7中所详细地示出的，上部子外壳25a的底面25a1和侧面25a2、下部子外壳25b的相应的顶面和侧面可以有利地设置有周向隔开的一系列槽27、28，所述槽适合于通过产生在转子30和定子20之间的围绕所述槽的楔形容积来改善由转子30和定子20之间的液体W形成的液压膜。液体W通过转子30的旋转被推入所述楔形容积，这产生从定子排斥转子的轴向力，从而防止定子20和转子30之间的直接接触并允许轴向推力从推进器33传递。
在图9中所示的本发明的另一个实施方案中，壳体21的上部子外壳25a的下表面25a1、相应的下部子外壳25b的顶面25b1可以相对于由壳体的中心盘形子外壳界定的中间平面P有利地略成角度，从而形成朝向中心更薄并且朝向外缘更厚的倒锥形形状。类似地，面向所述底面25a1的上部环形板31的底面311可以有利地平行于所述底面25a1，相应地面向所述顶面25b1的相应的下部环形板32的顶面321可以有利地平行于相应的所述顶面25b1。这样构造的话，推进装置10在其转动时可以具有定子外壳内的转子的改善的自定心。
如图3中所示，转子30的每个磁化板31、32界定中心盘形孔31a、32a，中心盘形孔31a、32a适合于接纳推进器33。特别地，所述孔的直径D5可以有利地大体上等于或稍低于所述推进器的直径D4，以便允许所述推进器通过夹持固定地连接到所述板。有利地，推进器通过夹持的固定连接是通过两个磁化板之间的自然产生的磁吸引力实现的。因此，可以将推进器容易地安装到磁化板或从磁化板拆卸，而无需工具的帮助并且无需额外的连接装置。如图5和图6中所示，每个磁化板31、32具有嵌入其中的圆周排列的径向延伸的磁化极34，所述磁化极产生轴向磁场，该轴向磁场垂直于定子20的线圈23的径向定向的电流。有利地，磁化板31、32还包含环状环36，环状环36有利地由诸如铁的铁质材料制成，在背离定子20的一侧上安装到一组磁体34，以容纳磁体的后部磁场，以便增加穿过定子20的磁通量并减小马达组件外部的磁场，从而减少与水下航行器上的其它设备的干扰。因此，当上部磁化板31和下磁化板32定位在其相应的子外壳25a、25b中时，定子板22定位在所述板31、32之间，使得线圈23定位在相应的所述上部磁化板31径直下方，相应地定位在所述下部磁化板32径直上方，从而使所述磁化板在电磁力的作用下围绕轴线ZZ’旋转。
如图5中所示，推进器33包括从所述推进器的内周向内突出的多个推进器叶片35，当转子30旋转时，所述叶片产生沿轴线ZZ’的推力。所述叶片35可以构造成以便界定具有直径d的圆柱形自由区域37，所述区域37为诸如水生植物或鱼线之类的碎片提供穿越路径，从而防止所述碎屑缠绕在所述推进器叶片周围。
参考附图，上述详细描述说明了本发明而不是限制本发明。存在落入所附权利要求的范围内的许多的可选方案。

Claims (20)

1.一种水下推进装置(10)，其适合于在液体(W)中操作，所述水下推进装置包括：
-定子(20)，其包括圆周排列的线圈(23)并且适合于产生沿轴向方向的受控的电磁场，
-无轴的推进转子(30)，其包括：
-至少两个磁化的环形板，分别是沿着所述轴向方向同轴地隔开并垂直于所述轴向方向的上部磁化板(31)和下部磁化板(32)，使得圆周排列的所述线圈(23)位于它们之间，每个磁化板(31、32)界定中心孔(31a、32a)并且具有嵌入其中的圆周排列的径向延伸的磁化极(34)，所述磁化极(34)产生磁场，所述磁场与所述定子(20)的电磁场相互作用以便促使所述上部磁化板(31)和所述下部磁化板(32)围绕平行于所述轴向方向的中心轴线(ZZ’)旋转，
-至少一个环形推进器(33)，所述环形推进器由其外周和其内周界定，所述环形推进器容纳在所述上部磁化板(31)和所述下部磁化板(32)的中心孔(31a、32a)内并稳固地固定到所述中心孔(31a、32a)，
-多个推进器叶片(35)，其从所述环形推进器(33)的内周向内突出，当所述上部磁化板(31)和所述下部磁化板(32)旋转时，所述推进器叶片(35)产生沿着所述中心轴线(ZZ’)的推力，
其中所述转子(30)通过间隙与所述定子(20)轴向地隔开，所述液体(W)能够在所述间隙内循环，从而允许在所述间隙内形成液压膜，所述液压膜适合于为所述转子提供润滑，从而减小所述转子和所述定子之间的摩擦，并将所述转子的轴向推力传递到所述定子。
2.根据权利要求1所述的推进装置(10)，其中，所述环形推进器(33)的外周具有大体等于或略大于每个磁化板(31、32)的所述中心孔(31a、32a)的直径(D5)的直径(D4)，以便允许所述环形推进器(33)定位在所述中心孔(31a、32a)内并且允许所述环形推进器(33)通过夹持固定连接到所述上部磁化板(31)和所述下部磁化板(32)。
3.根据权利要求1所述的推进装置(10)，其中，所述定子(20)包括定子板(22)，所述定子板包括设置有一层或数层的至少一个印刷电路板，所述线圈(23)在所述至少一个印刷电路板内实现为导电图形。
4.根据权利要求3所述的推进装置(10)，其中，所述定子板(22)包括控制部分(24)，所述控制部分适合于控制由所述线圈(23)接收的电流。
5.根据权利要求4所述的推进装置(10)，其中，所述控制部分(24)由连接到所述定子板(22)的导电图形(26)的集成电路芯片形成。
6.根据权利要求3所述的推进装置(10)，其中，所述定子板(22)封装在防水壳体(21)中。
7.根据权利要求6所述的推进装置(10)，其中，所述壳体(21)界定用于所述转子(30)的外壳(25)。
8.根据权利要求7所述的推进装置(10)，其中，所述外壳(25)包括适合于接纳所述上部磁化板(31)的上部盘形子外壳(25a)和适合于接纳所述下部磁化板(32)的下部盘形子外壳(25b)，所述上部盘形子外壳(25a)和所述下部盘形子外壳(25b)由适合于至少部分地接纳所述环形推进器(33)的中心盘形子外壳(25c)轴向地隔开。
9.根据权利要求8所述的推进装置(10)，其中，所述上部盘形子外壳(25a)和相应的所述下部盘形子外壳(25b)具有比所述上部磁化板(31)和相应的所述下部磁化板(32)的直径(D2)略大的直径(D1)，从而在所述上部盘形子外壳和所述上部磁化板之间，相应的所述下部盘形子外壳和相应的所述下部磁化板之间界定环状间隙，所述液体(W)能够在所述环状间隙内循环。
10.根据权利要求9所述的推进装置(10)，其中，所述上部盘形子外壳(25a)，由底面(25a1)和侧面(25a2)界定，相应的所述下部盘形子外壳(25b)相应地由顶面和侧面界定，所述底面和侧面和相应的所述顶面和侧面设置有一系列圆周隔开的槽(27、28)，所述槽适合于改善所述定子(20)和所述转子(30)之间的液压膜的形成。
11.根据权利要求9所述的推进装置(10)，其中，所述上部盘形子外壳(25a)由底面(25a1)界定，其中所述下部盘形子外壳(25b)由顶面(25b1)界定，所述底面(25a1)和所述顶面(25b1)中的每一个相对于由所述壳体(21)的所述中心盘形子外壳(25c)界定的中间平面(P)成角度，其中所述上部磁化板(31)的底面(311)平行于所述上部盘形子外壳(25a)的所述底面(25a1)，并且其中所述下部磁化板(32)的顶面(321)平行于所述下部盘形子外壳(25b)的所述顶面(25b1)。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的推进装置(10)，其中，所述推进器叶片(35)构造成以便界定圆柱形自由区域(37)，所述圆柱形自由区域形成碎片的穿越路径。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的推进装置(10)，其中，所述转子(30)通过小于3mm的间隙与所述定子(20)轴向地隔开。
14.一种水下航行器(100)，包括至少一个根据权利要求1至13中的任一项所述的推进装置(10)。
15.根据权利要求14所述的水下航行器(100)，包括具有小于1.5米的长度的主体(110)。
16.根据权利要求15所述的水下航行器(100)，其中，所述主体(110)的所述长度小于80cm。
17.根据权利要求14至16中的任一项所述的水下航行器(100)，包括两个或更多个推进装置(10a、10b)的组，所述两个或更多个推进装置(10a、10b)适合于独立地控制其旋转速度，以便提供平行于所述水下航行器的轴线的定向推力以及围绕所述水下航行器的另一个轴线的旋转转矩。
18.根据权利要求14至16中的任一项所述的水下航行器(100)，其中，所述水下航行器的外部壳或壳的部分围绕所述推进装置(10)成形，使得当所述水下航行器移动时，流体动力学阻力减小。
19.根据权利要求14至16中的任一项所述的水下航行器(100)，包括：三个推进装置(10a)，其适合于提供沿着垂直于所述水下航行器(100)的纵向轴线(XX’)的方向的推力以及围绕所述纵向轴线(XX’)的转矩和围绕垂直于所述纵向轴线(XX’)的横向轴线(YY’)的转矩；以及两个推进装置(10b)，其适合于提供沿着平行于所述纵向轴线(XX’)的方向的推力以及围绕垂直于所述纵向轴线(XX’)和所述横向轴线(YY’)的轴线的转矩。
20.一种根据权利要求14至16中任一项所述的水下航行器(100)，其中所述水下航行器是潜艇。
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