CN113815832A - 轮缘驱动的半浸式推进器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了轮缘驱动的半浸式推进器，包括支架组件、流线型转子环、半浸式螺旋桨、扇形定子，所述扇形定子的上部与支架组件相连接；所述流线型转子环内设有永磁体，所述流线型转子环的内侧与半浸式螺旋桨相连接；所述半浸式螺旋桨内侧与桨叶板相连接，所述桨叶板安装在轮毂上；所述轮毂通过水润滑轴承组件与桨叶板和支架组件相配置，定子绕组通电后，与所述永磁体匹配作用，带动所述半浸式螺旋桨旋转，产生推力推动船舶前进。本发明具有结构简单紧凑、推进效率高和噪声振动小等优点，适合应用于高速船舶的推进系统中。

Description

轮缘驱动的半浸式推进器
技术领域
本发明属于船舶推进器领域，特别涉及一种结构简单紧凑的轮缘驱动推进器。
背景技术
近年来，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，传统的轴驱式推进器的劣势逐渐凸显，已经无法更好地满足工作要求。例如：潜艇的轴系穿透耐压壳使其制造成本高昂，轴系产生的振动和噪声严重制约了潜艇的隐身能力；大型运输船舶的船体与推进轴系存在复杂的耦合动力学关系；船体变形引起推进轴系不对中，易导致轴承润滑失效、密封破坏、轴系振动剧烈、联结法兰螺栓断裂，甚至主机曲轴断裂等恶性事故；推进轴系占据了很大的船舶空间，减少了货物运量。这些缺陷导致人们逐渐将目光转向更加先进的推进系统。
目前轮缘驱动推进器为单转子，分为无毂和有毂两种形式。中国专利《船用永磁电机推进器螺旋桨》(CN104326073A)和中国专利《水下空心无榖桨推进器》(CN101546939A)均为单转子无毂式轮缘驱动推进器，这种推进将电机定子设置在圆柱形壳体中，螺旋桨桨叶与电机转子相连后安装在壳体中空部位，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线缆缠绕的问题，但受电机尺寸限制，推进器功率有限。而且现有的轮缘驱动推进器桨叶产生的推力一般由转子两端的轴承承担，轴承承载面积受壳体厚度限制，承载能力较小，推进器全部浸入水中，存在转子搅拌水，水摩擦阻力大和湍流问题，也限制了大功率轮缘推进器的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了提高螺旋桨的推进效率，改善电机气隙在水中引起的转子搅拌水，水摩擦阻力大的问题，提供一种结构简单紧凑、推进效率高和噪声振动小的轮缘驱动的半浸式推进器。
本发明提供一种轮缘驱动的半浸式推进器，包括支架组件、流线型转子环、半浸式螺旋桨、扇形定子，所述扇形定子的上部与支架组件相连接；所述流线型转子环内设有永磁体，所述流线型转子环的内侧与半浸式螺旋桨相连接；所述半浸式螺旋桨内侧与桨叶板相连接，所述桨叶板安装在轮毂上；所述轮毂通过水润滑轴承组件与桨叶板和支架组件相配置，所述扇形定子内的定子绕组通电后，与所述永磁体匹配作用，带动所述半浸式螺旋桨旋转，产生推力推动船舶前进。
进一步，所述支架组件，包括支架、基座、立柱、轮毂套筒，其中：所述支架从基座中向下伸出，与所述轮毂套筒相连；所述轮毂套筒里面的轮毂通过所述水润滑轴承组件与桨叶板相配置。
进一步，所述半浸式螺旋桨外侧与所述流线型转子环相连接，所述半浸式螺旋桨内侧与桨叶板相连接，所述流线型转子环内设有永磁体，与所述扇形定子形成半浸式扇形电机结构，所述定子绕组通电后，带动所述半浸式螺旋桨旋转。
进一步，所述支架组件、桨叶板和轮毂还设置有用于隔离海水侵蚀的涂层。
进一步，所述轮毂从轮毂套筒中插入，所述水润滑轴承组件两端分别支撑桨叶板和轮毂，所述轮毂通过锁紧螺母与轮毂套筒紧固连接。
进一步，所述扇形定子与流线型转子环形成半浸式扇形电机结构，其电机气隙部分暴露在空气环境中。具体的，所述流线型转子环上半部分在空气中，下半部分在水中，其流线翼型结构可减小空气阻力及水阻力。
进一步，所述定子绕组安装在扇形定子的壳体内壁的槽中，所述壳体由定子防护层封闭，封闭部位设置有定子防护层密封圈。
进一步，所述永磁体嵌入在流线型转子环外壁的槽中，所述流线型转子环外壁与所述扇形定子的壳体内壁相对应靠近；所述永磁体表面设置有永磁体防护层。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1.与传统的机械轴系推进装置相比，本发明的半浸式推进器取消齿轮箱、传动轴系、密封等中间环节，将电机、螺桨、支架和轴承高度集成在一起，结构更简单紧凑，功率密度更高。
2.传统轮缘驱动推进器电机气隙完全都浸在水中导致的水摩擦阻力大和湍流多，与现有普通的轮缘驱动推进装置相比，本发明的半浸式电机定子和电机气隙可部分暴露在空气环境中，提高螺旋桨的推进效率，改善了电机气隙在水中引起的转子搅拌水，水摩擦阻力大的问题。通过与现有普通的轮缘驱动推进装置实验比较，减少了6％的水摩擦阻力。
3.流线型转子环上半部分在空气中，下半部分在水中，其流线翼型设计可以大大减小空气阻力及水阻力，减小叶梢外缘的空泡产生，大大减小了噪声和振动，通过实验比较，噪声减少3DB。
总之，本发明具有结构简单紧凑、推进效率高和噪声振动小、成本更低，使用寿命更长等优点，适合应用于高速船舶的推进系统中。
附图说明
图1是本发明轮缘驱动的半浸式推进器的总体结构正面示意图。
图2是本发明轮缘驱动的半浸式推进器的总体结构侧面示意图。
图3是本发明的流线型转子环在流体(水或空气)中的受力示意图。
图中：1.定子绕组；2.永磁体；3.支架；4.水润滑轴承组件；5.轮毂套筒；6.桨叶板；7.轮毂；9.基座；10.立柱；11.扇形定子；12.流线型转子环；13.锁紧螺母；14.半浸式螺旋桨；15.定子防护层；16.永磁体防护层；17.竖直轴线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不仅局限于下面的实施例。
本发明提供的轮缘驱动半浸式推进器，其结构如图1-3所示，包括支架组件、流线型转子环12、半浸式螺旋桨14、扇形定子11，所述扇形定子的上部与支架组件相连接；所述流线型转子环内设有永磁体2，所述流线型转子环12的内侧与半浸式螺旋桨14相连接；所述半浸式螺旋桨内侧与桨叶板6相连接，所述桨叶板安装在轮毂7上；所述轮毂通过多个水润滑轴承组件4与桨叶板6和支架组件相配置连接，推进器通过基座9与船体相连，定子绕组1通电后，与所述永磁体2匹配作用，带动所述半浸式螺旋桨14旋转，产生推力推动船舶前进。
如图2所示，参考竖直轴线17方向，所述支架组件，包括支架3、基座9、立柱10、轮毂套筒5，其中支架3从基座9中伸出，与轮毂套筒5相连；轮毂7通过多个水润滑轴承组件4与桨叶板6和支架组件相配置，支架组件、桨叶板6和轮毂7部分工作于水下，都涂有用于隔离海水侵蚀的保护涂层，该保护涂层与永磁体防护层16、定子防护层15的材料一样。
所述的定子绕组1为扇形的成组电机定子绕组，其安装在扇形定子11的壳体内壁的槽中，壳体由定子防护层15封闭，封闭部位设置有定子防护层密封圈；封闭前腔内灌有可固化的材料进行填充，该可固化的材料可以采用环氧树脂或密封胶。定子防护层15用于隔离海水对电机的定子绕组1的侵蚀，要求该防护层对磁场不产生负面影响、厚度不能太大且易于散热。动力源的电缆经过基座9的管道接入到船体。
所述的转子环组件，包括永磁体2、流线型转子环12，其中永磁体2镶嵌在流线型转子环12外壁的槽中，与定子绕组1形成半浸式扇形电机结构，与定子绕组1相对的永磁体2的一面安装有永磁体防护层16，用于隔离海水对永磁体的侵蚀。所述流线型转子环12外壁与所述扇形定子11的壳体内壁相对应靠近，定子防护层15与永磁体防护层16之间存在间隙，工作时，电机气隙在空气环境中，改善了传统轮缘驱动推进器电机气隙完全都在水中导致的水摩擦阻力和湍流问题。
参见图3，所述的流线型转子环12上半部分在空气中，下半部分在水中，其流线翼型设计可以大大减小空气阻力及水阻力，垂直方向和水平方向受力更小。通过与现有普通的轮缘驱动推进装置实验比较，减少了6％的水摩擦阻力。
所述的轮毂7从轮毂套筒5和桨叶板6中插入，水润滑轴承组件4两端分别支撑桨叶板6和轮毂套筒5，用于防止轮毂7和桨叶板6、轮毂套筒5的磨损，并传递推力到支架3上，轮毂7通过锁紧螺母13与轮毂套筒5紧固；水润滑轴承组件4两端分别支撑轮毂7和桨叶板6，用于防止轮毂7和桨叶板6的磨损。
水润滑轴承组件采用高承载能力的类型，例如动静压轴承或弹性垫支撑的可倾瓦轴承，前者的承载能力更高，但因为需要水泵而新增了噪声源，可用于大功率民用船舶中。轴瓦基体均采用不锈钢，轴瓦表面采用橡胶或高分子材料。转子承载件采用青铜或者金属合金。
本发明提供的轮缘驱动半浸式推进器，其工作时定子绕组1通电后，带动半浸式螺旋桨14旋转，产生轴向推力。半浸式螺旋桨14将推力传递到桨叶板6上，该推力再由轮毂传递到支架3上，并由基座9传导到船体上推进船舶行进。基座9上端设置回转机构，实现推进器可绕竖直轴线17进行360度的全方位旋转。
由上述实施例提供的轮缘驱动半浸式推进器可知，该轮缘驱动半浸式推进器是一种由半浸式扇形电机驱动半浸式螺旋桨的新型推进器。该轮缘驱动半浸式推进器与已有推进器相比具有以下的突出效果：
1.与传统的机械轴系推进装置相比，本发明的半浸式推进器取消齿轮箱、传动轴系、密封等中间环节，将电机、螺桨、支架和轴承高度集成在一起，结构更简单紧凑，功率密度更高。
2.传统轮缘驱动推进器电机气隙完全都在水中导致的水摩擦阻力大和湍流多，与现有普通的轮缘驱动推进装置相比，本发明的半浸式电机定子和电机气隙可部分暴露在空气环境中，提高螺旋桨的推进效率，改善了电机气隙在水中引起的转子搅拌水，水摩擦阻力大的问题。通过与现有普通的轮缘驱动推进装置实验比较，减少了6％的水摩擦阻力。
3.流线型转子环上半部分在空气中，下半部分在水中，其流线翼型设计可以大大减小空气阻力及水阻力，减小叶梢外缘的空泡产生，大大减小了噪声和振动，通过实验比较，噪声减少3DB。
总之，本发明推进器具有结构简单紧凑、推进效率高和噪声振动小等优点，比现有推进器性能更好，成本更低，使用寿命更长，非常适合应用于高速船舶的推进系统中。

Claims (9)

1.轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是包括支架组件、流线型转子环(12)、半浸式螺旋桨(14)、扇形定子(11)，所述扇形定子的上部与支架组件相连接；所述流线型转子环(12)内设有永磁体(2)，所述流线型转子环(12)的内侧与半浸式螺旋桨(14)相连接；所述半浸式螺旋桨内侧与桨叶板(6)相连接，所述桨叶板安装在轮毂(7)上；所述轮毂通过水润滑轴承组件(4)与桨叶板(6)和支架组件相配置，所述扇形定子(11)内的定子绕组(1)通电后，与所述永磁体(2)匹配作用，带动所述半浸式螺旋桨(14)旋转，产生推力推动船舶前进。
2.根据权利要求1所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是所述支架组件，包括支架(3)、基座(9)、立柱(10)、轮毂套筒(5)，其中：所述支架(3)从基座(9)中向下伸出，与所述轮毂套筒(5)相连；所述轮毂套筒(5)里面的轮毂(7)通过所述水润滑轴承组件(4)与桨叶板(6)相配置。
3.根据权利要求1所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是所述半浸式螺旋桨(14)外侧与所述流线型转子环(12)相连接，所述半浸式螺旋桨(14)内侧与桨叶板(6)相连接，所述流线型转子环(12)内设有永磁体(2)，与所述扇形定子(11)形成半浸式扇形电机结构，所述定子绕组(1)通电后，带动所述半浸式螺旋桨(14)旋转。
4.根据权利要求1所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是，所述支架组件、桨叶板(6)和轮毂(7)上还设置有用于隔离海水侵蚀的涂层。
5.根据权利要求1所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是，所述轮毂(7)从轮毂套筒(5)中插入，所述水润滑轴承组件(4)两端分别支撑桨叶板(6)和轮毂(7)，所述轮毂(7)通过锁紧螺母(13)与轮毂套筒(5)紧固连接。
6.根据权利要求1所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是，所述扇形定子(11)与流线型转子环(12)形成半浸式扇形电机结构，其电机气隙部分暴露在空气环境中。
7.根据权利要求6所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是，所述流线型转子环(12)上半部分在空气中，下半部分在水中。
8.根据权利要求1所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是，所述定子绕组(1)安装在扇形定子(11)的壳体内壁的槽中，所述壳体由定子防护层(15)封闭，封闭部位设置有定子防护层密封圈。
9.根据权利要求1所述轮缘驱动的半浸式推进器，其特征是，所述永磁体(2)嵌入在流线型转子环(12)外壁的槽中，所述流线型转子环(12)外壁与所述扇形定子(11)的壳体内壁相对应靠近；所述永磁体(2)表面设置有永磁体防护层(16)。
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