CN107499487A - 基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，包括导管，导管内沿导管轴向依次布设有两个的转轮组件；其中，转轮组件均包括依次套设于导管内的定子、转子和螺旋桨，定子与导管连接固定，转子的两端通过轴承安设于导管上，螺旋桨随转子转动，两个转轮组件中的螺旋桨旋向相反。结构紧凑，形成功率密度高，推重比大，推进与发电同步进行，提高能量的利用率，提高了稳定性，使用寿命长，震动噪声小，特别适合于无人水下航行器的使用。

Description

基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置

技术领域

本发明涉及船舶推进技术领域，具体涉及一种基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置。

背景技术

随着先进船舶科技的发展，各种高性能船舶对其推进器要求越来越高，比如游船要求推进器高速和噪声低，潜艇要求推进器噪声低并希望解决推进轴穿过耐压舱带来成本高的问题，潜航器要求推进器高效节能，传统的轴系推进器所固有的结构形式限制已越来越达不到要求，无轴轮缘驱动推进器应运而生。它将电机-螺旋桨-水润滑轴承集成一体，取消了传统的轴系和密封装置，可以整体吊装在船体之外，除了节省船舱空间外，还具有能量密度高、振动噪声低、无油泄露污染风险等优点，目前该推进器正受到各国广泛关注。

目前无轴轮缘驱动推进器大多为单转子，分为无毂有毂两种形式。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《水下空心无毂桨推进器》(CN101546939A)均为单转子无毂式轮缘驱动推进器，这种推进器将电机定子设置在导管中，螺旋桨桨叶与电机转子相连，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者线缆缠绕的问题，但受电机尺寸限制，推进器功率有限。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，但无法消除桨毂的迎面阻力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，结构紧凑，形成功率密度高，推重比大，推进与发电同步进行，提高能量的利用率，提高了稳定性，使用寿命长，震动噪声小，特别适合于无人水下航行器的使用。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，包括导管，导管内沿导管轴向依次布设有两个的转轮组件；其中，转轮组件均包括依次套设于导管内的定子、转子和螺旋桨，定子与导管连接固定，转子的两端通过轴承安设于导管上，螺旋桨随转子转动，两个转轮组件中的螺旋桨旋向相反。

按照上述技术方案，转子包括转子永磁体和转子环，转子环外壁上设有凹槽，转子永磁体镶嵌于凹槽内，定子包括线圈绕组，线圈绕组上设有霍尔元件。

按照上述技术方案，转子永磁体外和线圈绕组外均设有防护层。

按照上述技术方案，防护层的材料为树脂增强纤维。

按照上述技术方案，所述轴承为水润滑轴承。

按照上述技术方案，螺旋桨包括多个桨叶，桨叶的根部连接有桨叶板，桨叶板通过螺钉与转子连接。

按照上述技术方案，导管的外壁上开设有多个通孔。

按照上述技术方案，螺旋桨上设有压力传感器。

进一步地，定子和转子之间留有间隙，间隙内设有除杂装置，除杂装置包括清理杆，清理杆的下端面连接有硬毛刷，硬毛刷下端面与转子外表面接触。

按照上述技术方案，螺旋桨叶的材料为碳纤维增强塑料。

本发明具有以下有益效果：

本装置中两个对转形式转轮组件，分别与电动机和发电机连接，集成于一体，结构紧凑，形成功率密度高，推重比大，推进与发电同步进行，后端浆叶能吸收未被前端浆叶有效利用的涡动能，转换为电能，另外还能吸收水流动能发电，提高能量的利用率，两个前后设置的螺旋桨实现扭矩平衡，不易发生横滚，提高了稳定性，空心无轮毂双转子对转结构有效避免了桨毂的迎面阻力和缠绕问题，使用寿命长，震动噪声小，特别适合于无人水下航行器的使用。

附图说明

图1是本发明实施例中基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置的立面图；

图2是本发明实施例中基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置的模型剖面图；

图3是本发明实施例中基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置的剖视图；

图4是图3的局部示意图；

图5是本发明实施例中正常工作或静止待命时水下航行器的示意图；

图6是本发明实施例中上浮或下潜时水下航行器的示意图。

图中，1-导罩，2-前盖板，3-导罩与壳体连接处，4-壳体，5-主定子，6-主定子防护层，7-主转子永磁体，8-主转子防护层，9-主转子环，10-主轴承系统，11-主桨叶板，12-主桨叶，13-中间盖板连接处，14-前后壳体连接处，15-后壳体，16-副定子，17-副定子防护层，18-副转子永磁体，19-副转子防护层，20-副转子环，21-副桨叶板，22-副桨叶，23-后盖板，24-导罩与盖板连接处，25-导罩与壳体连接处，26-副轴承系统，27-传感器，28-通孔，29-水平轴线，30-推进器，31-线缆，32-水下航行器，32-除杂装置，33-连接法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图6所示，本发明提供的一个实施例中的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，包括导管，导管内沿导管轴向依次布设有两个的转轮组件，两个转轮组件分别与电动机和发电机连接；

其中，转轮组件均包括依次套设于导管内的定子、转子和螺旋桨，定子与导管连接固定，转子的两端通过轴承安设于导管上，螺旋桨随转子转动，两个转轮组件中的螺旋桨旋向相反。

进一步地，定子套装于导管内壁，转子套设于定子内，转子的两端通过轴承与导管连接，螺旋桨设置于转子内。

进一步地，转子包括转子永磁体和转子环，转子环外壁上设有凹槽，转子永磁体镶嵌于凹槽内。

进一步地，转子永磁体外设有防护层；起防侵蚀和水密封作用。

进一步地，定子包括线圈绕组，线圈绕组上设有霍尔元件。

进一步地，线圈绕组外设有防护层。

进一步地，所述的线圈绕组为硅钢片线圈绕组。

进一步地，所述轴承为水润滑轴承。

进一步地，螺旋桨包括多个桨叶，桨叶的根部连接有桨叶板，桨叶板通过螺钉与转子连接。

进一步地，导管的外壁上开设有多个通孔28。

进一步地，导管包括两个导罩1和壳体4，两个导罩1分别通过螺钉与壳体4的两端连接，壳体4的前端和后端分别设有前盖板2和后盖板23，壳体4的内壁设有中间盖板，中间盖板设置于前盖板2和后盖板23之间，主转子的两端分别通过轴承与前端板和中间盖板连接，副转子的两端分别通过轴承与中间盖板和后盖板23连接，导罩1的材料为碳纤维增强塑料。

进一步地，螺旋桨上设有压力传感器27；通过受力判断来流方向，根据来流方向做出调整充分利用其动能进行转化。

进一步地，螺旋桨叶的材料为碳纤维增强塑料。

进一步地，定子和转子之间留有间隙，间隙内设有除杂装置32，除杂装置32包括清理杆，清理杆的下端面连接有硬毛刷，硬毛刷下端面与转子外表面接触；清理杆为条形支撑架，清理杆的两端与轴承连接固定，清理杆的材料为复合塑料，当推进器30工作时，固定在静止轴承上的除杂装置与高速旋转的转子环形成相对运动，通过阻挡和洗刷作用，将吸附在转子环表面的铁磁性杂质及粘附的微生物和杂草等刷落由流经间隙的水流带走。

进一步地，导管上端设有连接法兰33，通过连接法兰33与潜艇或水下装备(如水下航行器)连接。

进一步地，如图5～图6所示，本装置一般作为潜艇或水下装备的推进器30，设置于水下航行器的底部，两个的转轮组件分别为主转轮组和副转轮组，主转轮组和副转轮组沿推进方向依次分布，主转轮组包括主螺旋桨、主转子和主定子5，主转子包括主转子永磁体7和主转子环9；副转轮组包括副螺旋桨、副转子和副定子16，副转子包括副转子永磁体18和副转子环20。

本发明的一个实施例中，本发明的工作原理：

本发明提供的基于无轴对转轮缘驱动的发电和推进一体化的装置，其结构如图1～2所示，本装置的基本构件包括主螺旋桨、副螺旋桨、主转子、副转子，主定子5、副定子16，导管以及水润滑轴承。

主转子永磁体7和副转子永磁体18分别粘附于主转子环9和副转子环20上，主螺旋桨和副螺旋桨分别与主转子环9和副转子环20连接并向内伸出构成轮缘驱动形式，主桨叶12和副桨叶22旋向相反形成对转结构。主定子5和副定子16沿轴向安装于导管内壁，分别与主转子永磁体7、副转子永磁体18构成电动机和发电机的基本结构。另外定子绕组和转子永磁体还有特殊的防护材料覆盖，导罩1上开有小孔，与电机内部连接，形成冷却水道。轴承上安装有间隙杂质清理装置。

所述的螺旋桨是以加强型有机高分子材料制造的无轴轮缘驱动桨叶，桨叶根部是带有桨叶板，桨叶板上钻有螺孔，可以通过螺钉与转子环连接。为了方便起见，桨叶都是分别加工的，这样就算单个桨叶损坏也不用将整个螺旋桨拆卸下来，主螺旋桨和副螺旋桨中分别为主桨叶12和副桨叶22，主桨叶12和副桨叶22分别连接有主桨叶板11和副桨叶板21。

转子环外壁上开有与转子永磁体形状对应的槽，转子永磁体则镶嵌在槽中粘合固定；由于在工作时电机的内部会水进入，因此主转子永磁体7和副转子永磁体18外面分别包裹有主转子防护层8和副转子防护层19以防止侵蚀。

所述的主定子5和副定子16是沿轴向固定在导罩1内壁，由硅钢片线圈绕组及霍尔元件组成的结构，为了防止入水造成霍尔元件短路使其无法侦测磁铁磁极及线圈因高温使线圈裸露造成短路，主定子5和副定子16上分别设有主定子防护层6和副定子防护层17，主定子防护层6和副定子防护层17均由特殊材料如树脂等构成，具水密封效果。

进一步地，间隙内部有杆状的除杂装置。该装置两端是竖直的条形支撑架，通过螺钉与径向轴承连接固定，水平的清理杆连接两端支撑架形成整体结构，清理杆下端连有硬毛刷且与转子环表面接触。该装置由高强度且具有一定塑性变形能力复合塑料制成，可避免对转子环造成损伤。当推进器30工作时，固定在静止轴承上的除杂装置与高速旋转的转子环形成相对运动，通过阻挡和洗刷作用，将吸附在转子环表面的铁磁性杂质及粘附的微生物和杂草等刷落由流经间隙的水流带走。

所述的导管是指由加强型有机高分子材料形成以减轻重量减小负荷并且有足够的强度韧性的导罩1和壳体4组成的，为了拆装方便，导罩1分为前后两块，中间由螺钉连接。另外导罩上特殊的地方还开有通孔28与电机内部连接方便冷水进入冷却电机发热部件。

所述的轴承系统10和26则指的是采用水润滑轴承代替传统推进器30中的油润滑轴承的轴承系统，一方面该轴承系统利用的是天然环境中的水作为介质，无需额外的添加润滑剂，不会对环境造成污染；另一方面该轴承系统无需密封，不会发生润滑剂泄漏等问题。

本发明的一个实施例中，如图5所示，水下航行器处于正常工作状态，此时主推进装置开始工作，后面的发电机也在工作，并且由于它们的组合是对转螺旋桨，因此发电机构在能量收集的同时也对推进器30整体也有促进作用，效率也更高；两组螺旋桨形成对转形式，在工作时副桨叶22可以有效地改善流过主桨叶后的尾流场，从而壁面空泡气蚀等的产生，并且由两组定子和转子构成发电机与电动机一体化的结构，无论在何种工况下，发电机都可以利用流过副桨叶22的水流的动能进行发电并将电能储存起来备用，另外为了提高发电的效率，桨叶上可以安装监测水流流向的传感器27，在航行器待命时发电机的桨叶有更大的迎流面积从而更有效地利用水流的动能进行电能的转换；而电动机则在需要的时候实现航行器的前行，从而实现航行器的驱动前进以及进行电能收集双重功能。

水下机器人在水中处于潜伏静止状态，此时主推进装置停止工作，而只由发电装置工作。这时安装在桨叶上的传感器27便可以发挥作用，即实时监测水流状态，自动进行调整适应水流方向，最大限度的利用水的动能用来发电。

如图6所示，水下机器人处于下潜或上浮状态，此时主推进装置可工作可不工作，水流经过主推进装置后由后面的发电机构改善流场，并且在水流的带动下，发电装置开始工作，将水流的动能吸收进行发电并将电能储存起来以供推进装置在需要的时候使用。

航行器工作时，电机会不可避免的发热，如果热量不及时的引导出去，会影响电机的工作效率，更有甚者会影响其使用寿命以及整个推进器30的正常工作。因航行器的工作环境为水下，整个电机内部会有水通过以润滑和散热，这使得水中的磁性杂质会不可避免地吸附在永磁体转子上，造成间隙堵塞，增大间隙内的摩擦功耗；当杂质积累过多导致流量大大减少时，会出现电机散热难的问题，严重会影响电机的使用寿命和推进器30的性能。为了克服这以难题，采取了两个措施：1.在导罩上特定位置开设有小孔与电机内部连接，使得电机内部发热部件充分与冷水接触充分冷却，提高电机效率及其使用寿命；2.在间隙内增设间隙除杂装置，该装置由径向轴承承载，为细小的条状物，下端为硬毛刷，利用转子环旋转的作用力将吸附在间隙内壁的杂质进行清理。

由于该装置取消了传统推进装置所需要的中间轴系等传动机构，结构更简单紧凑，而且由于提高了效率，因此功率密度更大；另外可以根据需要将螺旋桨叶及导罩由传统的金属材料代替为高分子材料，在保证了足够强度的情况下有更轻的重量，因此同样功率下可以推动重量更大的航行器。而且因为主、副两桨之间存在扭矩平衡，航行器行进时不易发生横滚，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。

本发明的工作过程是：根据航行器的工作状态调整推进器30的工作状态，即当航行器需要前进时推进器30开始工作，反之推进器30停止工作，但能量收集装置可以一直工作进行发电并贮存。特别适合水下机器人这种对速度要求不高且消耗较小的航行器，如果航行器工作时间适中甚至可以完全由发电装置提供全部能量，这样可以保证其在水下较长的工作周期。

综上所述，在充分吸收轮缘驱动低噪音、高功率密度等优点的基础上，将发电机和电动机集成一体，形成一种结构紧凑、功能多样的装置。与传统只具有推进功能的推进器30相比，本发明既能产生推力又能吸收水流动能发电；航行器行进时，推进与发电同步进行，副桨叶22吸收了未被主桨叶有效利用的涡动能，转换为电能，提高能量的利用率；航行器行进时，主、副两桨之间存在扭矩平衡，使航行器不易发生横滚，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；装置安装方式灵活，如在潜航器下潜或者上浮过程中，将装置叶面放平，回收水力能；如航行器静止时，调整装置位置使其叶面与水流方向垂直，回收水力能；本发明具有结构紧凑、能量利用率高、使用寿命长、振动噪声小等优点，特别适合无人水下航行器等使用。

基于上述应用背景以及无轴轮缘驱动推进器30的优点，本发明提出了一种基于无轴对转轮缘驱动的发电与推进一体化装置，该装置沿轴向并排设置一个轮缘驱动发电机和轮缘驱动电动机，两电机的转向相反，两组无桨毂的桨叶相对安装。电动机带动主桨叶旋转产生推力推进航行器前进，其尾流驱动副桨叶22，进而驱动发电机回收尾流能量；此外，当推进部件不工作时，水流经过导管也会驱动后桨叶带动发电机手机水流动能，该能量被存储起来供航行器使用。该装置特别适用于航行器等需要长期航行且能量供应困难的航行器。两幅轮缘驱动电机组合形成的对转形式形成的一种体积小重量轻、功率密度高、能量自给和应用方式灵活同时具有水力发电和推进两种功能的船舶装置，也就是基于对转无轴轮缘驱动发电与推进一体化装置。提高航行器推进器30的推力和效率，并使推进器30同时产生推力和能量回收自发电功能，提供一种在导管中同时安装电动机和发电机，实现无轮毂双转子对转，形成一种功率密度高、推重比大、稳定性好的对转无轴轮缘驱动发电与推进一体化装置。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，包括导管，导管内沿导管轴向依次布设有两个的转轮组件；其中，转轮组件均包括依次套设于导管内的定子、转子和螺旋桨，定子与导管连接固定，转子的两端通过轴承安设于导管上，螺旋桨随转子转动，两个转轮组件中的螺旋桨旋向相反。

2.根据权利要求1所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，转子包括转子永磁体和转子环，转子环外壁上设有凹槽，转子永磁体镶嵌于凹槽内，定子包括线圈绕组，线圈绕组上设有霍尔元件。

3.根据权利要求2所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，转子永磁体外和线圈绕组外均设有防护层。

4.根据权利要求3所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，防护层的材料为树脂增强纤维。

5.根据权利要求1所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，所述轴承为水润滑轴承。

6.根据权利要求1所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，螺旋桨包括多个桨叶，桨叶的根部连接有桨叶板，桨叶板通过螺钉与转子连接。

7.根据权利要求1所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，导管的外壁上开设有多个通孔。

8.根据权利要求1所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，螺旋桨上设有压力传感器。

9.根据权利要求1所述的基于无轴对转轮缘驱动推进与发电一体化装置，其特征在于，定子和转子之间留有间隙，间隙内设有除杂装置，除杂装置包括清理杆，清理杆的下端面连接有硬毛刷，硬毛刷下端面与转子外表面接触。