CN112478121B - 一种潜航器径向磁力驱动舵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种潜航器径向磁力驱动舵，利用永磁耦合技术中的动力源和负载之间具有非接触传递动力的特点，对动力源实施隔离振动、过载保护、密封防护，实现磁力旋转传动。采用径向型磁力联轴器上的永磁铁沿径向充磁原理，利用径向磁力驱动方式，通过控制舵机的转动角度和方向来控制舵板的转动角度和方向，并提供数十牛米的旋转扭矩。本发明不涉及水下动密封问题，不受密封胶圈的挤压摩擦力，传动过程力矩损耗小，适合用于低能耗潜航器。内部传动结构与外部舵板不直接连接，外部舵板受碰撞或干扰时不会直接损坏内部的传动舵机，它具有磁力缓冲，使用更加的安全可靠。在1500米以内的深水中使用，内部无需填充液压油，满足大多数潜航器的使用需求。

Description

一种潜航器径向磁力驱动舵
技术领域
本发明涉及水下航行器的转向及舵密封技术领域，具体为一种潜航器径向磁力驱动舵。
背景技术
永磁耦合技术具有动力源和负载非接触传递动力的特点，能够对动力源实施隔离振动、过载保护、密封防护，目前主要用于矿山、水泵和风机设备中的磁联轴器，其中磁联轴器主要有轴向磁力联轴器、径向磁力联轴器和混合式磁力联轴器。利用永磁耦合技术实现磁力传动，其传动力矩与磁铁的材料、排布方式、磁极对数、磁极面积等有关。采用径向磁力联轴器原理设计的磁力驱动舵便于实现数十牛米的旋转扭矩，2007年4月15日出版的期刊《磁性材料及器件》“径向型永磁联轴器传动转矩的数值计算”一文中表述，当径向型永磁联轴器外磁转子半径为50mm、内磁转子半径为45mm、磁转子长50mm、磁极对数为8对时，可产生92.8N·m的旋转力矩。
水下潜航器、水面航行体的转向主要依靠舵或差动式推进系统实现。对于航行速度较低的ROV，一般采用安装多个推进器的方式实现转向，而对于水下高速或低能耗潜航器，要求外形壳体具备较好的流线形，从而降低航行阻力实现高速或低能耗航行，因此多数采用舵实现转向。且对于大型水下潜航器UUV、鱼雷等，转向舵需具备提供数十牛米大扭力的能力，来支撑航行过程中舵板受到的水流阻力。
目前水下潜航器上的舵与壳体之间的密封多采用动密封方式，动密封结构在传动过程中受密封胶圈的挤压摩擦力影响，力矩损耗较大，另外多次使用后密封胶圈容易受损，存在密封失效的风险。现有的舵板转轴动密封技术很难在500m水深条件下直接使用，且一般需要填充液压油，而采用填充液压油的方式，密封结构更为复杂。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，发明人进一步的设计研究，采用径向磁耦合传动技术对舵机实施隔离振动、过载保护和密封防护，将径向磁耦合传动机构集成于舵板的内部，且舵机与舵板之间不直接连接，采用磁耦合作用力实现旋转力的传递，将复杂的密封问题简单化设计。
具体的，本发明提供了一种潜航器径向磁力驱动舵，包括舵机、传动机构和舵板，所述舵机安装于潜航器密封壳体内侧，并通过所述传动机构连接着潜航器密封壳体外侧的舵板；所述舵机旋转轴穿过潜航器密封壳体连接着传动机构内的传动杆后端，所述传动杆的外表面径向套穿有内磁转子底座，所述内磁转子底座的外表面径向套穿有内磁转子，所述内磁转子的前端连接着传动杆的前端，所述内磁转子的外表面径向套穿有防水密封罩，所述防水密封罩的外表面径向套穿有石墨铜套，所述石墨铜套的外表面径向套穿有外磁转子，所述外磁转子粘贴于舵板内部并通过外磁转子挡圈进行加固。
进一步的，所述防水密封罩的前端设置有舵板转轴，所述舵板转轴穿过舵板一侧面固定连接着导流板。
进一步的，所述内磁转子和外磁转子均为圆环状，且均由多个长条形的永磁铁拼接而成，相邻两个所述永磁铁之间的磁铁极性相反，且沿径向充磁。
进一步的，所述舵机旋转轴与传动杆通过传动杆后端的槽齿紧固连接。
进一步的，所述传动杆的两端通过轴承将内磁转子底座固定。
进一步的，所述内磁转子底座的后端设置有第一双密封沟槽和第二双密封沟槽，所述第一双密封沟槽固定连接着潜航器密封壳体，所述第二双密封沟槽固定连接着防水密封罩的后端。
进一步的，所述内磁转子的前端面通过螺钉固定于传动杆的前端。
进一步的，所述舵机施加在内磁转子上的扭矩大于内磁转子和外磁转子之间的磁耦合力。
一种潜航器，包括所述的径向磁力驱动舵。
本发明的工作原理：
利用永磁耦合技术中的动力源和负载之间具有非接触传递动力的特点，对动力源实施隔离振动、过载保护、密封防护，实现磁力传动。采用径向型磁力联轴器上的永磁铁沿径向充磁原理，利用径向磁力驱动方式，通过控制舵机的转动角度和方向来控制舵板的转动角度和方向。
本发明的有益效果：
动力源和负载之间具有非接触传递动力的特点，不涉及水下动密封问题，解决了舵板转轴的密封难题，不受密封胶圈的挤压摩擦力，传动过程力矩损耗小，适合用于低能耗潜航器。内部传动结构与外部舵板不直接连接，外部舵板受碰撞或干扰时不会直接损坏内部的传动舵机，它具有磁力缓冲，使用更加的安全可靠。可在1500米以内的深水中使用，内部无需填充液压油，可满足绝大多数潜航器的使用需求。采用磁耦合作用力实现旋转力的传递，可提供数十牛米的旋转扭矩。
附图说明
图1为本发明径向磁力驱动舵组成示意图。
图2为本发明径向磁力驱动舵剖面图。
图3为本发明径向磁力驱动舵安装示意图。
图4为本发明防水密封罩结构示意图。
图5为本发明内磁转子示意图。
图6为本发明外磁转子示意图。
图7为本发明的内磁转子与外磁转子充磁方向示意图。
图8为本发明传动杆示意图。
图9为本发明内磁转子底座示意图。
其中，1—舵机，2—轴承，3—传动杆，301—齿槽，4—内磁转子底座，401—双密封沟槽，402—双密封沟槽，5—内磁转子，6—防水密封罩，601—舵板转轴，7—石墨铜套，8—外磁转子，9—舵板，10—外磁转子挡圈，11—永磁铁，12—螺钉，13—导流板，14—设备密封壳体。
具体实施例
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面参照附图并结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1～3所示，一种潜航器径向磁力驱动舵，包括舵机1、传动机构和舵板9，所述舵机1安装于潜航器密封壳体14内侧，并通过所述传动机构连接着潜航器密封壳体14外侧的舵板9。所述舵机1旋转轴穿过潜航器密封壳体14连接着传动机构上的传动杆3后端，所述传动杆3的外表面径向套穿有内磁转子底座4，并通过两端的轴承2固定，所述内磁转子底座4的外表面径向套穿有内磁转子5，所述内磁转子5的前端连接着传动杆3的前端，所述内磁转子5的外表面径向套穿有防水密封罩6，所述防水密封罩6的外表面径向套穿有石墨铜套7，所述石墨铜套7的外表面径向套装有外磁转子8，所述外磁转子8粘贴于舵板9内部并通过外磁转子挡圈10进行加固。当所述舵机1转动时带动传动杆3转动，当所述传动杆3转动时带动内磁转子5转动，当内磁转子5转动时会通过磁力作用驱动外磁转子8转动，从而带动舵板9转动。
如图4所示，所述防水密封罩6的前端设置有舵板转轴601。如图3所示，所述舵板转轴601穿过舵板9一侧面固定连接着导流板13，所述舵板9通过舵板转轴601和导流板13进行限位。
如图5～7所示，所述内磁转子5和外磁转子8均为圆环状，且均由多个长条形的永磁铁11拼接而成，相邻两个所述永磁铁11之间的磁铁极性相反，且沿径向充磁。
如图8所示，所述舵机1旋转轴与传动杆3通过传动杆3一端槽齿301紧固连接。
如图9所示，所述内磁转子底座4的后端设置有第一双密封沟槽401和第二双密封沟槽402。所述第一双密封沟槽401固定连接着潜航器密封壳体14，用于实现内磁转子底座4和设备密封壳体14之间的密封。所述第二双密封沟槽402固定连接着防水密封罩6的后端，用于实现内磁转子底座4和防水密封罩6之间的密封，确保该驱动舵的内部不进水，从而保证该驱动舵的密封性能。
所述防水密封罩6可采用高强度的钛合金材料，主要用于对内磁转子5进行密封。
所述舵机1施加在内磁转子5上的扭矩大于内磁转子5和外磁转子8之间的磁耦合力，确保舵机1可正常驱动舵板9，而舵板9受外力干扰、碰撞时不会导致舵机1损坏。
该驱动舵所使用的机械加工材料应采用非导磁性材料，使内磁转子5和外磁转子8之间的磁耦合力尽可能大。
一种潜航器，包括所述的径向磁力驱动舵。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种潜航器径向磁力驱动舵，其特征在于，包括舵机(1)、传动机构和舵板(9)，所述舵机(1)安装于潜航器密封壳体(14)内侧，并通过所述传动机构连接着潜航器密封壳体(14)外侧的舵板(9)；所述舵机(1)旋转轴穿过潜航器密封壳体(14)连接着传动机构内的传动杆(3)后端，所述传动杆(3)的外表面径向套穿有内磁转子底座(4)，所述内磁转子底座(4)的外表面径向套穿有内磁转子(5)，所述内磁转子(5)的前端连接着传动杆(3)的前端，所述内磁转子(5)的外表面径向套穿有防水密封罩(6)，所述防水密封罩(6)的外表面径向套穿有石墨铜套(7)，所述石墨铜套(7)的外表面径向套穿有外磁转子(8)，所述外磁转子(8)粘贴于舵板(9)内部并通过外磁转子挡圈(10)进行加固；
所述防水密封罩(6)的前端设置有舵板转轴(601)，所述舵板转轴(601)穿过舵板(9)一侧面固定连接着导流板(13)；
所述内磁转子底座(4)的后端设置有第一双密封沟槽(401)和第二双密封沟槽(402)，所述第一双密封沟槽(401)固定连接着潜航器密封壳体(14)，所述第二双密封沟槽(402)固定连接着防水密封罩(6)的后端。
2.根据权利要求1所述的一种潜航器径向磁力驱动舵，其特征在于，所述内磁转子(5)和外磁转子(8)均为圆环状，且均由多个长条形的永磁铁(11)拼接而成，相邻两个所述永磁铁(11)之间的磁铁极性相反，且沿径向充磁。
3.根据权利要求1～2任一项所述的一种潜航器径向磁力驱动舵，其特征在于，所述舵机(1)旋转轴与传动杆(3)通过传动杆(3)后端的槽齿(301)紧固连接。
4.根据权利要求1～2任一项所述的一种潜航器径向磁力驱动舵，其特征在于，所述传动杆(3)的两端通过轴承(2)将内磁转子底座(4)固定。
5.根据权利要求1～2任一项所述的一种潜航器径向磁力驱动舵，其特征在于，所述内磁转子(5)的前端面通过螺钉(12)固定于传动杆(3)的前端。
6.根据权利要求2所述的一种潜航器径向磁力驱动舵，其特征在于，所述舵机(1)施加在内磁转子(5)上的扭矩大于内磁转子(5)和外磁转子(8)之间的磁耦合力。
7.一种潜航器，其特征在于，包含有如权利要求1至6任一项所述的径向磁力驱动舵。
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