CN109018269B - 一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置，包括：导流罩、支撑架、推进器主体和安装板；导流罩通过支撑架与推进器主体相连并固定，以保护高速旋转的螺旋桨；螺旋桨通过旋转轴与推进器主体连接；推进器主体通过安装板固定在水下机器人的主体框架结构上。本发明可用于水下机器人的水平运动和旋转运动等，实现了对水下机器人的运动控制；具有结构简单紧凑，效率高，功率密度大，可靠性高，低噪声的特点，动力调节相应快，调节能力强的优势。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，尤其涉及一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置。
背景技术
水下机器人(ROV，Remote Operated Vehicle)是一种可在水中移动，通过遥控，使用机械臂或者其他工具替代或辅助人去完成水下作业的装置，在海底勘测和作业领域具有广泛应用前景。根据ROV的作业任务的需要，对ROV上的推进器装置的体积，效率，功率密度，耐压性，稳定性等方面提出了较高要求，由于ROV在作业过程中需要悬停，平移等运动，要求ROV平台上装配的推进器具有快速性，精准可控性。此外，大深度水下机器人的推进器装置需要考虑装备本身的耐压设计，在3000米(压强30MPa)的作业深度下，具有足够耐压特性；同时考虑到推进器转动轴的存在，高压作业环境下的动密封设计也提出了较高要求，满足高压强下密封的同时也要满足低损耗，高效率以及摩擦热效应等要求。在高压环境下，推进器的设计也是装置稳定和精准的重中之重。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置，用于水下机器人的水平运动和旋转运动等，实现了对水下机器人的运动控制。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置，包括：导流罩(1)、支撑架(2)、推进器主体(100)和安装板(10)；其中，所述推进器主体(100)，包括：固定箍(3)、无刷直流电机(4)、推进器胀套(5)、前端密封盖(6)、螺旋桨(7)、胀套挡圈(8)和挡环(9)；
导流罩(1)通过支撑架(2)与推进器主体(100)相连并固定，以保护高速旋转的螺旋桨(7)；
螺旋桨(7)通过旋转轴与推进器主体(100)连接；
推进器主体(100)通过安装板(10)固定在水下机器人的主体框架结构上。
在上述大深度全电驱动水下机器人的推进装置中，
支撑架(2)与导流罩(1)的内劲板通过螺钉相连并固定；
支撑架(2)的叶片插入毂体并焊接为一体，毂体通过螺钉与推进器主体(100)的无刷直流电机(4)固定；
挡环(9)设置在毂体的端口处，通过卡槽卡住固定；
螺旋桨(7)与前端密封盖(6)贴合并固定连接；
螺旋桨(7)的中间芯孔处设置有推进器胀套(5)，以实现螺旋桨(7)与无刷直流电机(4)的旋转轴固定，可随着旋转轴的转动进行旋转运动；
固定箍(3)缠绕在无刷直流电机(4)的中部卡箍槽内，通过收紧来固定无刷直流电机(4)。
在上述大深度全电驱动水下机器人的推进装置中，胀套挡圈(8)设置在螺旋桨(7)与推进器胀套(5)之间，以确保无刷直流电机(4)的旋转轴与螺旋桨(7)相对固定联结，实现动力传导。
在上述大深度全电驱动水下机器人的推进装置中，还包括：油量补偿管(11)；
油量补偿管(11)位于无刷直流电机(4)后部，固定在无刷直流电机(4)的外壳上，并穿过无刷直流电机(4)的外壳与无刷直流电机(4)的内部连接。
在上述大深度全电驱动水下机器人的推进装置中，
导流罩(1)以支撑架(2)为基准，完成设计后两者不可拆卸；
支撑架(2)与导流罩(1)的内劲板通过螺钉相连，并用耐压复合材料将两者相邻面缠绕加强；导流罩(1)的内外蒙皮连接处通过在内蒙皮上开坡口方式进行补强。
在上述大深度全电驱动水下机器人的推进装置中，
支撑架(2)的叶片插入毂体后，接口处修复补强成一整体，并在叶片根部设置R5圆角；叶片迎水端面进行水动力优化，横截面为水滴型；整体表面进行阳极氧化处理。
在上述大深度全电驱动水下机器人的推进装置中，螺旋桨(7)包含4个叶片；其中，螺旋桨(7)的直径为314mm，0.7R处的螺距为346.34mm，盘面比为0.65，叶片倾斜角为26.3°，叶片根部连接处设置R15圆角。
在上述大深度全电驱动水下机器人的推进装置中，挡环(9)固定在支撑架(2)的底座上，以防止水下作用时水流搅动起来的泥沙进入到转动机构中；其中，可通过调整挡环(9)与螺旋桨(7)之间的间隙，以防止静止状态下挡环(9)和高速旋转的螺旋桨(7)之间的间隙过大或者过小。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，优化了气隙磁密，降低了反电势中的谐波含量，抑制了电机的齿槽定位力矩和负载时的转矩波动。
(2)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，采用高性能稀土永磁磁钢，提高了电机的过载能力。采用粘接和表面被覆的形式固定磁钢，提升了转子可靠性。
(3)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，通过合理设计散热路径，保证了电机及驱动器的工作温升在合理范围之内。
(4)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，采用分数槽绕组来提高电机的功率密度和降低电机定位力矩。
(5)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，采用组合式集成化定子结构，每个齿为一个单元，分别制造，然后集成。能有效地提高电机的槽满率、减小端端部长度。
(6)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，采用充油补偿结构来提高电机的承压能力。采用弹簧活塞式的压力补偿器使得电机内压高于外压，提高电机的可靠性。
(7)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，采用矢量控制来抑制推进电机的转速波动。
(8)本发明所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，采用承压式驱动器来简化系统结构，可直接外挂的方式与平台固定，简化了安装和拆卸的流程。
附图说明
图1是本发明实施例中一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置的剖面图；
图2是图1的左视图；
图3是本发明实施例中一种支撑架的正视图和剖面图；
图4是本发明实施例中一种导流罩的剖面图和正视图；
图5是本发明实施例中一种螺旋桨的剖面图和正视图；
图6是本发明实施例中一种无刷直流电机的结构示意图；
其中，1-导流罩，2-支撑架，100-推进器主体、3-固定箍，4-无刷直流电机，5-推进器胀套，6-前端密封盖，7-螺旋桨，8-胀套挡圈，9-挡环，10-安装板，11-油量补偿管，41-动密封连接机构，42-液压补偿输油管，43-稀土永磁磁钢。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置推进器主体通过安装板固定在水下机器人(ROV)的主体框架结构上；通过水密接头与控制舱和能源舱相连；导流罩通过支撑架与推进器主体相连并固定，从而保护高速旋转的螺旋桨；螺旋桨通过旋转轴与推进器主体相连接，并由旋转轴将转动传递给螺旋桨，通过控制螺旋桨的转速来控制电机的功率和ROV的运动速度；螺旋桨考虑了水动力影响，采用较高效率的外形设计；支撑件充分考虑了水动力的影响，采用流线形外形设计；推进器主体通过动密封实现大深度水密。本发明具有结构简单紧凑，效率高，功率密度大，可靠性高，低噪声的特点，动力调节相应快，调节能力强的优势。
如图1～6，在本实施例中，该大深度全电驱动水下机器人的推进装置，具体可以包括：导流罩1、支撑架2、推进器主体100和安装板10。其中，所述推进器主体100具体可以包括：固定箍3、无刷直流电机4、推进器胀套5、前端密封盖6、螺旋桨7、胀套挡圈8和挡环9。
优选的，导流罩1通过支撑架2与推进器主体100相连并固定，以保护高速旋转的螺旋桨7；螺旋桨7通过旋转轴与推进器主体100连接；推进器主体100通过安装板10固定在水下机器人的主体框架结构上。
在本发明的一优选实施例中，支撑架2与导流罩1的内劲板通过螺钉相连并固定；支撑架2的叶片插入毂体并焊接为一体，毂体通过螺钉与推进器主体100的无刷直流电机4固定；挡环9设置在毂体的端口处，通过卡槽卡住固定；螺旋桨7与端密封盖6贴合并固定连接；螺旋桨7的中间芯孔处设置有推进器胀套5，以实现螺旋桨7与无刷直流电机4的旋转轴固定，可随着旋转轴的转动进行旋转运动；固定箍3缠绕在无刷直流电机4的中部卡箍槽内，通过收紧来固定无刷直流电机4。
在本发明的一优选实施例中，胀套挡圈8设置在螺旋桨7与推进器胀套5之间，以确保无刷直流电机4的旋转轴与螺旋桨7相对固定联结，实现动力传导。
在本发明的一优选实施例中，该大深度全电驱动水下机器人的推进装置还可以包括：油量补偿管11。其中，油量补偿管11位于无刷直流电机4后部，固定在无刷直流电机4的外壳上，并穿过无刷直流电机4的外壳与无刷直流电机4的内部连接。
在本发明的一优选实施例中，导流罩1以支撑架2为基准，完成设计后两者不可拆卸；支撑架2与导流罩1的内劲板通过螺钉相连，并用耐压复合材料将两者相邻面缠绕加强；导流罩1的内外蒙皮连接处通过在内蒙皮上开坡口方式进行补强。
在本发明的一优选实施例中，支撑架2的叶片插入毂体后，接口处修复补强成一整体，并在叶片根部设置R5圆角；叶片迎水端面进行水动力优化，横截面为水滴型；整体表面进行阳极氧化处理。
在本发明的一优选实施例中，螺旋桨7包含4个叶片；其中，螺旋桨7的直径为314mm，0.7R处的螺距为346.34mm，盘面比为0.65，叶片倾斜角为26.3°，叶片根部连接处设置R15圆角。
在本发明的一优选实施例中，挡环9固定在支撑架2的底座上，以防止水下作用时水流搅动起来的泥沙进入到转动机构中；其中，可通过调整挡环9与螺旋桨7之间的间隙，以防止静止状态下挡环9和高速旋转的螺旋桨7之间的间隙过大或者过小。
在本发明的一优选实施例中，无刷直流电机可以由电机耐压壳体、驱动器和控制器等组成、其中，电机耐压壳体可以采用钛合金，电机转子可采用高性能的稀土永磁磁钢43。优选的，稀土永磁磁钢43置于液压油中，采用粘接和表面被覆的形式固定磁钢，外加玻璃丝带绑扎加固。电机定子由电磁线圈和铁心压装在机壳内而形成，电磁线圈浸绝缘漆后置于液压油中，绝缘漆采用聚酰亚胺漆；槽绝缘采用NHN聚酰亚胺薄膜。无刷直流电机的动密封连接机构41位于电机的旋转轴根部。机械密封经过特殊设计，在满足一定水压条件下无故障运行时间达到要求，动密封采用非平衡结构，以便防止海水进入电机内部，旋转型机械密封动环密封面的最大外径为80mm。
无刷直流电机的耐压壳体内部采用充油方式填充，所充油为低温航空液压油，粘度较低，可降低电机转子的功率损耗，而推进器内部油损耗通过采用活塞与弹簧复合式补偿结构，补偿器的内压高于外压且存在大约0.2至0.4个大气压的压力差；补偿器由皮囊，弹簧，活塞，补偿器壳体组成。活塞行程为112mm，膜片材料为耐油橡胶，补偿量为1600ml。螺栓和弹簧选用316L不锈钢，螺栓外侧有刻度线，可以在充油时起到指示作用。活塞和弹簧选用耐海水铝合金，且经过阳极氧化处理。压力补偿器壳体采用尼龙，可耐海水腐蚀，同时保证螺栓顺畅滑动。弹簧为圆柱螺旋压弹簧，材料选择钛合金。采用主副螺栓共同支撑结构且主副螺栓上均有压缩簧，避免弹簧压缩造成活塞偏移。
无刷直流电机本体与驱动器一体化设计，驱动器紧邻电机本体，缩小了推进器的整体体积。驱动器加入了欠压、过压、过流，过热、短路、泄漏等保护电路，提升了推进系统的可靠性。整个驱动系统是以Microchip公司的16位单片机dsPIC4011为控制核心，外围电路主要包括功率驱动电路、转子位置检测电路、电流检测电路、通讯电路及信号采集及保护电路。
进一步的，补偿器可通过液压补偿输油管42同时为多个推进器装置提供油压补偿。在ROV的平台应用中，可根据平台的运动需求配置多个水下推进器为平台的不同运动平面提供动力，通过不同平面和角度的多个推进器组合作用，可使得ROV平台具有前后平移，左右平移，上升下潜以及横滚等水下机动动作。同时，由于动密封装置存在微量的液压油泄漏，设计指标为小于3ml/L(低压差环境)，在平台上配置一个补偿器为多个推进器装置提供油压补偿。从而，可以确保ROV平台在3000米大深度条件下提供稳定的动力输出。
在本发明的一优选实施例中，无刷直流电机4的轴直径为60mm，转速为1500r/min。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种大深度全电驱动水下机器人的推进装置，其特征在于，包括：导流罩(1)、支撑架(2)、推进器主体(100)和安装板(10)；其中，所述推进器主体(100)，包括：固定箍(3)、无刷直流电机(4)、推进器胀套(5)、前端密封盖(6)、螺旋桨(7)、胀套挡圈(8)和挡环(9)；
导流罩(1)通过支撑架(2)与推进器主体(100)相连并固定，以保护高速旋转的螺旋桨(7)；螺旋桨(7)通过旋转轴与推进器主体(100)连接；推进器主体(100)通过安装板(10)固定在水下机器人的主体框架结构上；
支撑架(2)与导流罩(1)的内劲板通过螺钉相连并固定；支撑架(2)的叶片插入毂体并焊接为一体，毂体通过螺钉与推进器主体(100)的无刷直流电机(4)固定；挡环(9)设置在毂体的端口处，通过卡槽卡住固定；螺旋桨(7)与前端密封盖(6)贴合并固定连接；螺旋桨(7)的中间芯孔处设置有推进器胀套(5)，以实现螺旋桨(7)与无刷直流电机(4)的旋转轴固定，可随着旋转轴的转动进行旋转运动；
固定箍(3)缠绕在无刷直流电机(4)的中部卡箍槽内，通过收紧来固定无刷直流电机(4)；胀套挡圈(8)设置在螺旋桨(7)与推进器胀套(5)之间，以确保无刷直流电机(4)的旋转轴与螺旋桨(7)相对固定联结，实现动力传导；
导流罩(1)以支撑架(2)为基准，完成设计后两者不可拆卸；其中，支撑架(2)与导流罩(1)的内劲板通过螺钉相连，并用耐压复合材料将两者相邻面缠绕加强；导流罩(1)的内外蒙皮连接处通过在内蒙皮上开坡口方式进行补强；
支撑架(2)的叶片插入毂体后，接口处修复补强成一整体，并在叶片根部设置R5圆角；叶片迎水端面进行水动力优化，横截面为水滴型；整体表面进行阳极氧化处理；
挡环(9)固定在支撑架(2)的底座上，以防止水下作用时水流搅动起来的泥沙进入到转动机构中；其中，可通过调整挡环(9)与螺旋桨(7)之间的间隙，以防止静止状态下挡环(9)和高速旋转的螺旋桨(7)之间的间隙过大或者过小；
无刷直流电机由电机耐压壳体、驱动器和控制器组成；其中，电机耐压壳体采用钛合金，电机转子采用高性能的稀土永磁磁钢；稀土永磁磁钢置于液压油中，采用粘接和表面被覆的形式固定磁钢，外加玻璃丝带绑扎加固；电机定子由电磁线圈和铁心压装在机壳内而形成，电磁线圈浸绝缘漆后置于液压油中，绝缘漆采用聚酰亚胺漆；槽绝缘采用NHN聚酰亚胺薄膜；无刷直流电机的动密封连接机构位于电机的旋转轴根部；
无刷直流电机的耐压壳体内部采用充油方式填充，所充油为低温航空液压油；推进器内部油损耗通过采用活塞与弹簧复合式补偿结构，补偿器的内压高于外压且存在0.2至0.4个大气压的压力差；补偿器由皮囊，弹簧，活塞，补偿器壳体组成；活塞行程为112mm，膜片材料为耐油橡胶，补偿量为1600ml；螺栓和弹簧选用316L不锈钢，螺栓外侧有刻度线，在充油时起到指示作用；活塞和弹簧选用耐海水铝合金，且经过阳极氧化处理；压力补偿器壳体采用尼龙，可耐海水腐蚀，同时保证螺栓顺畅滑动；弹簧为圆柱螺旋压弹簧，材料选择钛合金；采用主副螺栓共同支撑结构且主副螺栓上均有压缩簧，避免弹簧压缩造成活塞偏移；
无刷直流电机本体与驱动器一体化设计，驱动器紧邻电机本体，缩小了推进器的整体体积；驱动器加入了欠压、过压、过流，过热、短路、泄漏保护电路。
2.根据权利要求1所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，其特征在于，还包括：油量补偿管(11)；
油量补偿管(11)位于无刷直流电机(4)后部，固定在无刷直流电机(4)的外壳上，并穿过无刷直流电机(4)的外壳与无刷直流电机(4)的内部连接。
3.根据权利要求1所述的大深度全电驱动水下机器人的推进装置，其特征在于，螺旋桨(7)包含4个叶片；其中，螺旋桨(7)的直径为314mm，0.7R处的螺距为346.34mm，盘面比为0.65，叶片倾斜角为26.3°，叶片根部连接处设置R15圆角。
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