CN112737255A - 盘式双转子对转电机及航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盘式双转子对转电机及航行器。所述盘式双转子对转电机包括定子组件和两个相同的转子组件，该两个转子组件对称设置在定子组件两侧。该定子组件包括两个定子绕组，该两个定子绕组对称分布在定子组件两侧，并且该两个定子绕组的相位排布方式相反，当向该两个定子绕组通电时，相应的两个气隙内产生的电枢磁动势转速相同、转向相反，以驱使该两个转子组件以相同速度朝着相反方向旋转，以及，该定子组件两侧的多个定子齿上还安装有传感器。本发明提供的盘式双转子对转电机具有轻量化、功率密度高等优点，能够输出两个方向相反、幅值相等的转矩，并且安装简单，稳定性高，便于控制，在船舶行驶、水下机器人推进等领域具有良好应用前景。

Description

盘式双转子对转电机及航行器

技术领域

本发明涉及一种双转子电机，具体涉及一种盘式双转子对转电机及航行器，属于机电一体化设计领域。

背景技术

航行器常采用对转螺旋桨作为推进装置。相比于使用一个螺旋桨，对转螺旋桨运行更加稳定，有效防止了航行器行驶过程中容易发生的“侧翻”现象。同时，对转螺旋桨充分利用了流体动力学，推进相率更高。工程上通常使用一台常规电机配合行星轮来实现对转螺旋桨的间接驱动。尽管使用该方案的推进装置结构紧凑，机械传动比大，但同时其机械损耗也大，推进效率并不高。

采用双转子对转电机直接驱动对转螺旋桨能够进一步提高推进装置的功率密度和效率。为了提高推进装置性能指标以应对复杂多变的环境，双转子对转电机应满足如下要求：(1)两个转子转速相等；(2)两个转子转速同步；(3)转矩波动小；(4)过载能力较强。

但是，现有双转子对转电机大多是由常规单转子电机改进而来，其中只是将电机通常意义上的定子也作为旋转部件，利用电磁力的反作用力实现和转子间的相对旋转。这种电机定转子转速不相等，难以同步，且电机极易失控。而径向磁通双转子对转电机虽然能实现两个转子以相等的速度反向旋转，但是电机内外两个气隙长度不等，外转子输出效率较低且转矩波动较大，进而影响了电机整体功率密度和性能。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种盘式双转子对转电机及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明的一些实施例提供了一种盘式双转子对转电机，其包括定子组件和两个相同的转子组件，所述两个转子组件沿轴向对称设置在定子组件两侧。

进一步的，所述定子组件包括两个定子绕组，所述两个定子绕组沿轴向对称分布在定子组件两侧，并且所述两个定子绕组的相位排布方式相反，当向所述两个定子绕组通电时，相应的两个气隙内产生的电枢磁动势转速相同、转向相反，以驱使所述两个转子组件以相同速度朝着相反方向旋转，以及，所述定子组件两侧的多个定子齿上还安装有传感器。

进一步的，所述两个转子组件分别通过一个轴承与定子组件配合，使所述两个转子组件能够独立旋转。

在一些实施方式中，设置于所述定子铁芯两侧的定子槽形状相同且槽中心线在轴向上对称。

在一些实施方式中，组成所述两个定子绕组的线圈分别缠绕设置于定子组件两侧的定子齿上，并且相序排布方式相反。

在一些实施方式中，所述转子组件包括背铁和多个永磁体，并且所述转子组件采用表贴式磁极结构。

在一些实施方式中，所述定子组件和两个转子组件被整体密封于一电机壳内，与所述两个转子组件配合的两个转轴的一端伸出所述电机壳，且所述两个转轴之间以及其中一个转轴与电机壳之间均通过动密封机构配合。

在一些实施方式中，所述电机壳内腔还能够与充放油装置连通，所述充放油装置用于对电机壳内腔充油或放油，以使所述盘式双转子对转电机内部与外部压力平衡。

本发明的一些实施例还提供了所述盘式双转子对转电机的用途，例如在制备水下推进器、船舶等航行器中的用途。

本发明以上实施例提供的盘式双转子对转电机之中，通过使用两个旋转方向相反的转子组件(如下简称转子)与单个定子组件(如下简称定子)相配合，在功能上取代了两台单个转子配合单个定子的常规电机，不仅简化了装配结构，而且提高了电机的功率密度。

本发明以上实施例提供的盘式双转子对转电机采用了轴向磁通电机结构，定子两侧齿槽结构对称，两个气隙长度相等且两个转子结构相同，保证了电机结构上整体的对称性和紧凑型；两个相同的定子绕组通以频率、幅值相等的电流，使两个转子的输出转矩相等。

本发明以上实施例提供的盘式双转子对转电机之中，定子绕组使用两个集中绕组，有效减小了绕组端部，且增大了电机的功率密度，同时通过分别控制两个定子绕组，实现了两个转子的独立旋转。

本发明以上实施例提供的盘式双转子对转电机之中，两个转子分别与两个轴承连结，还可以实现直驱功能。

总之，与现有技术相比，本发明以上实施例提供的盘式双转子对转电机具有轻量化、功率密度高等优点，能够输出两个方向相反、幅值相等的转矩，并且安装简单，稳定性高，便于控制，在船舶行驶、水下机器人推进等领域中具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中一种盘式双转子对转电机的组装结构示意图；

图2为实施例1中一种定子组件的结构示意图；

图3为实施例1中一种转子组件的结构示意图；

附图标记说明：定子组件1、第一转子组件2、第二转子组件3、机械动密封机构4、外轴5、内轴6、快速接头7、推力轴承8、角接触轴承9、填料函动密封机构10、霍尔传感器11、固定安装板12、磁钢外盖板13、磁钢内盖板13’、水密接头14、推力轴承15、油封机构16、快速接头17、电机壳18。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和时间，得以提出本发明的技术方案，如下将予以具体说明。

需要说明的是，在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的一些实施例的一个方面提供的一种盘式双转子对转电机包括定子组件、第一转子组件和第二转子组件，所述第一转子组件与第二转子组件相同，并且所述第一转子组件与第二转子组件沿轴向对称设置在定子组件两侧；

所述定子组件包括两个定子绕组，所述两个定子绕组沿轴向对称分布在定子组件两侧，并且所述两个定子绕组的相位排布方式相反，当向所述两个定子绕组通电时，相应的两个气隙内产生的电枢磁动势转速相同、转向相反，以驱使第一转子组件、第二转子组件以相同速度朝着相反方向旋转，以及，所述定子组件两侧的多个定子齿上还安装有传感器；

所述第一转子组件、第二转子组件分别通过一个轴承与定子组件配合，使所述第一转子组件、第二转子组件能够独立旋转。

在一些实施方案中，所述定子组件包括定子铁芯，所述两个定子绕组绕行在定子铁芯上，所述定子铁芯两侧对称设置有与所述两个定子绕组配合的定子槽。

在一些实施方案中，设置于所述定子铁芯两侧的定子槽形状相同且槽中心线在轴向上对称。

在一些实施方案中，分布于所述定子铁芯两侧的多个定子齿也相互对称设置。

在一些实施方案中，组成所述两个定子绕组的线圈分别缠绕设置于定子组件两侧的定子齿上，并且相序排布方式相反。

其中，所述两个定子绕组可以采用集中式、分布式等多种绕组形式。

其中，所述定子铁芯的材质包括但不限于硅钢片、非晶合金等。

较为优选的，所述定子铁芯可以采用低损耗的硅钢片叠压而成，如此可以减小定子部分的涡流损耗。

在一些实施方案中，设置于所述定子铁芯两侧的定子槽的槽宽沿径向保持恒定，而定子齿的齿宽随着径向位置变化呈线性变化趋势，并且外侧齿宽大于内侧齿宽。

在一些实施方案中，所述多个定子齿的中央均开设有安装槽，所述安装槽用于安装所述传感器。进一步的，所述传感器包括旋转编码器、光电编码器、霍尔传感器(数字或模拟霍尔传感器等)或无位置传感器等，且不限于此。以所述传感器为霍尔传感器为例，这种安装方式相对于将传感器安装在定子槽底中央的方式，可以使霍尔传感器与永磁体距离更近，对磁场的检测结果更灵敏，进而可以更好的提高电机运行稳定性。

更具体地，通过安装霍尔传感器，可以向电机驱动器提供换相信号，利于对两个转子组件的功率、转速进行更好的控制，实现两个转子组件的功率平衡和转速平衡。例如，可以利用模拟霍尔传感器分别采集对应于两个转子的模拟量传感信号，再以核心电路分别对两个转子的模拟量传感信号进行计算，同时获得两个转子的转速，使模拟量控制电路依据核心电路计算出的两个转子的转速，分别向两个转子的驱动器输送控制信号。

在一些实施方案中，所述定子组件的轭部套设有固定安装板，所述固定安装板用于将定子组件与定子壳体固定连接。

进一步的，所述固定安装版可以采用高强度铝合金板等，但不限于此。

在一些实施方案中，所述两个气隙的长度相等。

在一些实施方案中，所述转子组件包括背铁和多个永磁体，并且所述转子组件采用表贴式磁极结构。

其中，所述永磁体的材质包括但不限于钕铁硼、镍钴等永磁材料。

作为优选，所述永磁体采用高性能的永磁材料构成，用于提供磁场激励，在定子绕组通电时与定子绕组相互作用。

在一些实施方案中，所述背铁上形成有多个凹槽，所述多个永磁体分别嵌设在所述多个凹槽内，所述多个凹槽呈放射状间隔排列在背铁上。

进一步的，所述凹槽的尺寸与永磁体匹配，用以固定永磁体，以防止其在背铁表面侧移。

在一些实施方案中，所述背铁上还安装有第一固定环和第二固定环，所述第一固定环、第二固定环分别与永磁体的两端固定连接。

其中，所述第一固定环、第二固定环可以采用铝合金环等，且不限于此。

利用所述第一固定环和第二固定环，可以将永磁体固定，以防止其在背铁外侧滑落。

进一步的，所述第一固定环和第二固定环亦可被替代为其它形状的固定板等，所述固定板可以加装在背铁的外周部。

在一些实施方案中，所述第一转子组件、第二转子组件分别与一个第一轴承配合，所述两个第一轴承同轴设置且方向相反，以使所述第一转子组件与第二转子组件实现轴向定位及对转。

在一些实施方案中，所述第一转子组件通过第二轴承与第一转轴配合，所述第二转子组件通过第三推力轴承与第二转轴配合，所述第二转轴同轴套设在第一转轴上，从而使所述第一转子组件与第二转子组件实现径向定位。

在一些实施方案中，所述盘式双转子对转电机还包括第四推力轴承，所述第四推力轴承套设在所述第二转轴上，并用于实现第一转子组件与第二转子组件整体的轴向及径向定位。

在一些实施方案中，所述定子组件、第一转子组件和第二转子组件被整体密封于一电机壳内，所述第一转轴、第二转轴的一端伸出所述电机壳，且所述第一转轴与第二转轴之间以及所述第二转轴与电机壳之间均通过动密封机构配合。

在一些实施方案中，所述第一转轴与第二转轴之间通过油封机构和填料动密封机构实现动密封。

在一些实施方案中，所述第二转轴与电机壳之间通过机械动密封机构实现动密封。

在一些实施方案中，所述电机壳上还设有水密封接头，用于实现所述盘式双转子对转电机的静密封。

在一些实施方案中，所述电机壳两侧还分别装配有至少一个快速接头，所述快速接头与充放油装置配合，用于对电机壳内腔充油或放油，以使所述盘式双转子对转电机内部与外部压力平衡。

所述充放油装置亦可被定义为压力平衡装置，利用其对所述电机内部充入冲绝缘油等，可以实现电机内外的压力平衡，以使所述电机可以在不同压力环境，例如在不同水深应用。

进一步的，所述电机可以是三相电机、多相电机等。

本发明的一些实施例的另一个方面还提供了所述盘式双转子对转电机在制备推进器、航行器中的应用。

例如，本发明的一些实施例提供了一种航行器，其包括所述盘式双转子对转电机以及与所述盘式双转子对转电机连接的对转螺旋桨。

本发明以上实施例提供的盘式双转子对转电机采用单定子与对转双转子一体化设计，具有轻量化、功率密度高和稳定性高等优点，并且自带对转特性，在作为水下推进装置的重要组成部分应用时，能够有效抑制外界扰动，进一步的，通过在电机内部充油能，还能够达到电机内外压力平衡，使其适用于不同的压力环境。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：请参阅图1，本实施例提供的一种盘式双转子对转电机包括一个定子组件1、第一转子组件2和第一转子组件3，该第一转子组件2和第二转子组件3完全相同，并对称分布于定子组件1两侧。

进一步的，该定子组件1可以包括定子铁芯、绕行在铁芯上的两个定子绕组、定子壳体、固定安装板12等。其中，定子铁心两侧开设的定子槽对称设置，与之对应的两个定子绕组对称分布在定子铁心两侧。具体的，该两个定子绕组分别缠绕设置于定子组件两侧的定子齿上，端部排列方式如图2所示，并且两个定子绕组的相序排布方式相反，用于在两侧气隙中产生转动方向相反、转速相等的电枢磁动势，从而驱动两个转子组件以相等的速度反向旋转。

通过采用图2所示结构，即，定子绕组使用两个集中绕组(例如，若以一组硅钢片形成定子铁芯，则在该一组硅钢片两端面切槽，且定子绕组的线圈独立绕在相应的独立铁芯的齿上)，有效减小了绕组端部，增大了电机的功率密度，并且通过分别控制两个定子绕组，可以实现两个转子的独立旋转。

进一步的，该定子铁芯两侧槽形相同，且两侧槽中心线在轴向上对称，从而使定子槽形对两侧转子输出转矩的影响一致，确保了电机驱动过程中的稳定性。其中，该定子铁心两侧槽宽恒定，齿宽随着径向位置变化呈线性变化趋势，外侧齿宽大于内侧齿宽。

进一步的，请继续参阅图2，该定子铁心两侧各有三个定子齿在中央部位开槽，用于安装霍尔传感器。分布于定子铁心两侧的霍尔传感器11可以是对称设置的。通过霍尔传感器检测到的稳定信号，可实现电机驱动器的换向。

进一步的，该定子组件1可以是利用环氧树脂将定子壳体、定子铁芯、定子绕组和固定安装板等灌封在一起而形成。该固定安装板12套设在定子铁芯的轭部，用于实现定子铁芯和定子壳体之间的固定。其中，该固定安装板12可以与定子铁芯焊接固定，并整体装进电机壳体中。该固定安装板12可以由高强度材料制成。

进一步的，该定子组件1分别通过一个轴承与第一转子组件2、第二转子组件3相配合。该两个转子组件分别连接一轴承，不仅可以实现使两个转子组件独立旋转的目的，还可以使两个转子组件实现平稳输出。

本实施例中，第一转子组件2、第二转子组件3可以采用表贴式磁极结构。

其中的任意一个转子组件包括背铁和多个永磁体等。在该转子背铁表面可以依照永磁体的尺寸开设多个凹槽，用以固定永磁体，防止其在背铁表面侧移。并且，还可以在背铁外周加装固定板，以用来固定永磁体，防止永磁体在背铁外侧滑落。

进一步的，参阅图3所示，还可以在转子组件内外两侧连接磁钢外盖板13、磁钢内盖板13’，用以固定永磁体，防止永磁体沿内外两侧滑落。该两个磁钢盖板可以采用非导磁材料制成。

进一步的，再请参阅图1，该第一转子组件2、第二转子组件3通过两个推力轴承8(可以命名为第一轴承)实现轴向定位。该第一转子组件2装配内轴6(可以定义为第一转轴)和角接触轴承9(可以定义为第二轴承)，而该第二转子组件3装配外轴5(可以定义为第二转轴)和第三推力轴承15，从而实现第一转子组件2、第二转子组件3的径向定位。该外轴5上还安装有第四推力轴承17，用于实现两个转子组件整体的轴向及径向定位，最终能够实现双转子对转。

本实施例中，该盘式双转子对转电机还通过机械动密封机构4实现外轴5与电机壳体18的动密封。该内轴6与外轴5之间通过装配油封机构16、填料动密封机构10实现动密封。同时，该盘式双转子对转电机还通过在电机壳体18上装配水密接头14和O型圈等配套密封元件(图中未示出)实现电机的静密封，最终实现该盘式双转子对转电机的全密封。

本实施例中，该盘式双转子对转电机的电机壳体18上还对称装配有两个快速接头17，通过这些快速接头17，可以利用充放油装置对电机内部充、放油(绝缘油)，最终实现电机内部与外部的压力平衡，使之适应不同压力环境。

在本实施例中，当向两个定子绕组同时通以三相电流，则两个转子组件将因电磁作用而反向旋转，且转速相等。

本实施例的盘式双转子对转电机可以应用于深海推进器中，但不限于此，例如还可以应用于空气中推进器或陆地用可实现盘式双转子对转的领域等。

应当理解，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种盘式双转子对转电机，其特征在于包括定子组件(1)、第一转子组件(2)和第二转子组件(3)，所述第一转子组件(2)与第二转子组件(3)相同，并且所述第一转子组件(2)与第二转子组件(3)沿轴向对称设置在定子组件(1)两侧；

所述定子组件(1)包括两个定子绕组，所述两个定子绕组沿轴向对称分布在定子组件(1)两侧，并且所述两个定子绕组的相位排布方式相反，当向所述两个定子绕组通电时，相应的两个气隙内产生的电枢磁动势转速相同、转向相反，以驱使第一转子组件(2)、第二转子组件(3)以相同速度朝着相反方向旋转，以及，所述定子组件(1)两侧的多个定子齿上还安装有传感器(11)；

所述第一转子组件(2)、第二转子组件(3)分别通过轴承与定子组件(1)配合，使所述第一转子组件(2)、第二转子组件(3)能够独立旋转。

2.如权利要求1所述的盘式双转子对转电机，其特征在于：所述定子组件(1)包括定子铁芯，所述两个定子绕组绕行在定子铁芯上，所述定子铁芯两侧对称设置有与所述两个定子绕组配合的定子槽；和/或，设置于所述定子铁芯两侧的定子槽形状相同且槽中心线在轴向上对称；和/或，组成所述两个定子绕组的线圈分别缠绕设置于定子组件(1)两侧的定子齿上，并且相序排布方式相反；和/或，设置于所述定子铁芯两侧的定子槽的槽宽沿径向保持恒定，而定子齿的齿宽随着径向位置变化呈线性变化趋势，并且外侧齿宽大于内侧齿宽；和/或，所述多个定子齿的中央均开设有安装槽，所述安装槽用于安装所述传感器(11)；和/或，所述传感器(11)包括旋转编码器、光电编码器、霍尔传感器或无位置传感器；和/或，所述定子组件(1)的轭部套设有固定安装板(12)，所述固定安装板(12)用于将定子组件(1)与定子壳体固定连接；和/或，所述两个气隙的长度相等。

3.如权利要求1所述的盘式双转子对转电机，其特征在于：所述转子组件包括背铁和多个永磁体，并且所述转子组件采用表贴式磁极结构。

4.如权利要求3所述的盘式双转子对转电机，其特征在于：所述背铁上形成有多个凹槽，所述多个永磁体分别嵌设在所述多个凹槽内，所述多个凹槽呈放射状间隔排列在背铁上；和/或，所述背铁上还安装有第一固定环(13)和第二固定环(13’)，所述第一固定环(13)、第二固定环(13’)分别与永磁体的两端固定连接。

5.如权利要求1所述的盘式双转子对转电机，其特征在于：所述第一转子组件(2)、第二转子组件(3)分别与一个第一轴承(8)配合，所述两个第一轴承(8)同轴设置且方向相反，以使所述第一转子组件(2)与第二转子组件(3)实现轴向定位及对转。

6.如权利要求1所述的盘式双转子对转电机，其特征在于：所述第一转子组件(2)通过第二轴承(9)与第一转轴(6)配合，所述第二转子组件(3)通过第三推力轴承(15)与第二转轴(5)配合，所述第二转轴(5)同轴套设在第一转轴(6)上，从而使所述第一转子组件(2)与第二转子组件(3)实现径向定位。

7.根据权利要求6所述的盘式双转子对转电机，其特征在于还包括第四推力轴承(17)，所述第四推力轴承(17)套设在所述第二转轴(5)上，并用于实现第一转子组件(2)与第二转子组件(3)整体的轴向及径向定位。

8.根据权利要求6所述的盘式双转子对转电机，其特征在于：所述定子组件(1)、第一转子组件(2)和第二转子组件(3)被整体密封于一电机壳(18)内，所述第一转轴(6)、第二转轴(5)的一端伸出所述电机壳，且所述第一转轴(6)与第二转轴(5)之间以及所述第二转轴(5)与电机壳之间均通过动密封机构配合。

9.根据权利要求8所述的盘式双转子对转电机，其特征在于：所述第一转轴(6)与第二转轴(5)之间通过油封机构(16)和填料动密封机构(10)实现动密封；和/或，所述第二转轴(5)与电机壳之间通过机械动密封机构(4)实现动密封；和/或，所述电机壳(18)上还设有水密封接头(14)，用于实现所述盘式双转子对转电机的静密封；和/或，所述电机壳(18)两侧还分别装配有至少一个快速接头(17)，所述快速接头(17)与充放油装置配合，用于对电机壳(18)内腔充油或放油，以使所述盘式双转子对转电机内部与外部压力平衡。

10.一种航行器，其特征在于包括权利要求1-9中任一项所述的盘式双转子对转电机以及与所述盘式双转子对转电机连接的对转螺旋桨。

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