CN113978669A - 一种基于磁齿轮复合电机的自主水下航行器推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁齿轮复合电机的自主水下航行器推进装置，包括外罩、对转螺旋桨、磁齿轮复合电机和对转螺旋桨轴承，其中，磁齿轮复合电机的电机轴承与对转螺旋桨轴承连接并固定在一起，电机轴承输出转矩，传递给同轴连接的对转螺旋桨轴承，带动两个螺旋桨叶旋转；磁齿轮复合电机包括内定子、高速内转子、调磁环、低速外转子四部分，定子铁心表面开设斜肩圆底槽，定子铁心为空心，其内放置电机轴承；定子绕组使用整数槽分布绕组方式；高速内转子采用V型永磁体，V型永磁体采用径向充磁方式，在V型永磁体之间设置有空气隔磁槽。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主水下航行器的推进装置，具体使用基于磁场调制原理的磁齿轮复合电机。
背景技术
自主水下航行器(简称AUV)具有用于海下作战、海洋调研、海底打捞救援等广泛用途。随着科学技术的提升，AUV的活动范围、作业效率、机动性能、续航能力都显著提升，正在成为海洋技术研究的前沿。AUV推进装置是为其前进、悬停、倒航等机动提供推力的各种装置的集合，是AUV的基本装置，推进装置的性能和质量高低对AUV起着关键性作用。
目前，常用作水下航行器推进电机的有：永磁无刷直流电机、永磁有刷直流电机、直流伺服电机等。基于以上推进电机的AUV综合性能还有提升的空间。由于AUV的特殊工作环境，需要确保AUV作业时安静低噪来保障其隐蔽性及作战性能。同时，由于AUV的体积容量限制，要求AUV推进电机有尽可能高的转矩密度和功率密度。作为其动力来源的推进电机是其辐射噪声的主要来源，因此，设计一款推进装置在保障高转矩密度、高效率的同时兼顾尽可能小的振动噪声对AUV的发展进步有很大的意义和实用价值。
发明内容
为了满足AUV推进电机高性能要求，本发明提出一种基于磁齿轮复合电机的自主水下航行器推进装置，将磁齿轮复合电机应用于驱动自主水下航行器，安装于自主水下航行器尾部，内嵌于电机/推进器一体化装置。本发明提供一种利用磁场调制原理工作的磁齿轮复合电机，配合逆变器将自载蓄电池的直流电逆变成三相交流供给推动，采用电磁力传递扭矩，具有运行平稳、振动噪声小、过载保护、高转矩密度等众多优势。使用磁齿轮复合电机为直接使用环境能源的AUV提供了可行方案。技术方案如下：
一种基于磁齿轮复合电机的自主水下航行器推进装置，包括外罩、对转螺旋桨、磁齿轮复合电机和对转螺旋桨轴承，其中，
磁齿轮复合电机的电机轴承与对转螺旋桨轴承连接并固定在一起，电机轴承输出转矩，传递给同轴连接的对转螺旋桨轴承，带动两个螺旋桨叶旋转；
外罩，用于保护对转螺旋桨并减少行进阻力；
磁齿轮复合电机包括内定子、高速内转子、调磁环、低速外转子四部分，最内层的定子铁心，使用硅钢片叠压而成，定子铁心表面开设斜肩圆底槽，定子铁心为空心，其内放置电机轴承；定子绕组使用整数槽分布绕组方式；高速内转子采用内嵌的V形排列的永磁体，称之为V型永磁体，V型永磁体采用径向充磁方式，在V型永磁体之间设置有空气隔磁槽；调磁环采用硅钢片叠加的方式叠成多个导磁铁块，将各导磁铁块固定在支架上；低速外转子永磁体采用表贴式的方式固定在最外侧的低速外转子铁心表面；磁齿轮高速内转子产生的空间谐波经过调磁环调制后，形成的谐波次数与低速外转子子永磁体磁场的谐波次数相同，使得内外转子能够完成能量转换，形成恒定的转矩输出。
导磁铁块的径向厚度应当为V型永磁体径向厚度的3倍。
本发明的有益效果如下：
1)该磁齿轮复合电机可以用于直接驱动AUV，使用磁齿轮替换机械齿轮，避免了机械振动噪声，提高了AUV作业的隐蔽性和可靠性。
2)该磁齿轮复合电机高速内转子铁心内嵌V型永磁体，提高磁阻转矩，改善了电磁性能，与表贴式永磁体相比，提高了结构强度。
3)该磁齿轮复合电机基于磁场调制原理工作，采用电磁力传递转矩，具有高转矩密度、过载保护、高效率的优势。
4)该磁齿轮复合电机放置于电机/推进器一体化装置内，有效保护了电机的工作环境，集成化的设计更易于商业化和集中管理，提高AUV舱内空间分布的合理性。
5)该磁齿轮复合电机不仅适用于蓄电池供电AUV,也可以应用于使用环境能源供电的太阳能AUV、温差能AUV、波浪能AUV等新型AUV中。
附图说明
图1为本发明的自主水下航行器推进装置及辅助设备结构布置图；
图2为本发明的自主水下航行器电机/推进器一体化模块结构图；
图3为本发明的自主水下航行器推进用磁齿轮复合电机径向结构拓扑图。
附图说明如下
1.升降舵2.舵机3.控制电路4.电机/推进器一体化装置5.方向舵6.密封舱7.动作杆8.舵柄9.链杆10.逆变器11.外罩12.对转螺旋桨13.磁齿轮复合电机14.蓄电池15.对转螺旋桨轴承16.桨叶17.低速外转子铁心18.低速外转子永磁体19.导磁铁块20.V型永磁体21.定子铁心22.定子绕组23.高速内转子24.电机轴承25.玻璃丝布环氧树脂块26.空气隔磁槽27.斜肩圆底槽
具体实施方式
如图1所示，AUV的推进装置分布在整个AUV本体的尾部，在AUV前端安装升降舵1、舵机2，在尾端安装方向舵5，并配备相应舵机2，舵机2通过推拉动作杆7控制舵柄8动作，带动与舵叶2相连的链杆9，通过控制升降舵1或方向舵5的舵叶偏转，改变AUV航行的方向，确保AUV在水下可以进行自由地三维空间运动。并且可以通过控制电路3直接将指令信号传递给各执行机构，实现自主化航行。尾部中心的电机/推进器一体化装置4是核心动力来源，电机包括内定子、高速内转子、调磁环、低速外转子四部分。其中内定子开有24个斜肩圆底槽，槽内放置左右双层叠绕组。高速内转子使用4对V型永磁体，采用径向充磁方式，N、S磁极交错排布。将V型永磁体嵌入内转子铁心，V型永磁体两端开有空气隔磁槽。调磁环由27块导磁铁块和玻璃丝布环氧树脂制成的支架组合而成，固定在支架上，具有旋转能力；低速外转子内侧交替贴有23对永磁体，采用径向充磁方式。内定子绕组产生的磁场与高速内转子V型永磁体的磁场相互耦合作用，经过调磁环的调制，在内外气隙产生一系列空间谐波磁场，外转子永磁体极对数与调制出的幅值最大的异步空间谐波磁场的极对数相同，在低速外转子上产生稳定的低速大转矩，可以直接用于驱动自主水下航行器。
将本发明提出的磁齿轮复合电机内置于电机/推进器一体化装置，装置内配备蓄电池、逆变器、滤波器、磁齿轮复合电机等部件。电机/一体化装置内的蓄电池提供稳定直流电，经过逆变器及滤波器等装置变换给磁齿轮复合电机提供三相交流电，保证稳定转矩输出。转矩输出轴延伸，与对转螺旋桨的轴承连接并固定。磁齿轮复合电机外转子旋转可以带动对转螺旋桨旋转，给自主水下航行器提供推动力，并实现自主航行。
本发明的基于磁齿轮复合电机的自主水下航行器推进装置，即电机/推进器一体化装置4(图2)，包括逆变器10、外罩11、对转螺旋桨12、磁齿轮复合电机13、蓄电池14、对转螺旋桨轴承15。AUV推进用的磁齿轮复合电机13的电机轴承23与对转螺旋桨轴承15连接并固定在一起，可以同步转动，电机轴承23输出转矩，传递给同轴连接的对转螺旋桨轴承15，对转螺旋桨轴承15获得旋转力矩，对转螺旋桨12的桨叶16推动水流向后，水给桨叶16以反转用力，两螺旋桨叶16正反方向旋转，桨叶16产生的扭矩、涡流相互抵消，将涡流造成的能量损耗降到最低。外部加装外罩11，保护对转螺旋桨12并减少行进阻力，延长装置使用寿命并提高装置可靠性，加装外罩11，起到了抑制对转螺旋桨12旋转噪声的作用，有益于AUV的工作环境。蓄电池14提供的稳定直流通过逆变器10逆变成三相交流电加在定子绕组22上，驱动磁齿轮复合电机10。
图3是本发明的自主水下航行器推进用磁齿轮复合电机径向结构拓扑图，由图可知，磁齿轮复合电机13具有三层结构，最内层的定子铁心21，使用硅钢片叠压而成，定子铁心21表面开二十四个斜肩圆底槽27，与其他槽型相比，此槽型减低了工艺难度，并增加了定子轭厚，降低了电机电磁振动噪声。为减小电机重量，定子铁心21正中间挖空，放置电机轴承24。定子绕组22使用整数槽分布绕组方式，削弱齿谐波幅值，改善电势波形，并削弱磁导改变在磁极表面产生的脉振。通以逆变器10逆变得的三相交流电，建立圆形旋转磁场，经过最内层气隙，与V型永磁体20的磁场耦合，驱动高速内转子23旋转。高速内转子23本发明采用内嵌的V形排列的永磁体20，称之为V型永磁体，V型永磁体20采用径向充磁方式，在V型永磁体20之间使用空气隔磁槽26限制漏磁。与传统的“一”字形永磁体相比，其q轴磁路更宽，磁阻更小，磁阻转矩更大，所以有更好的电磁性能；与表贴式永磁体相比，提高了结构强度。本发明的调磁环需要有足够的机械强度同时满足电磁性能要求，采用硅钢片叠加的方式叠成导磁铁块19，将各导磁铁块19连接在一起以减少这一部分的损耗，其他没有导磁铁块19处使用玻璃丝布环氧树脂25作为整个调磁环的支架，在减轻重量的同时保证了机械强度。本发明中，导磁铁块19的径向厚度18mm，为V型永磁体20径向厚度的3倍。低速外转子永磁体18采用表贴式的方式固定在低速外转子铁心17表面，为了避免磁饱和现象及磁阻过大导致的转矩密度小，本发明此处永磁体径向厚度取6mm。磁齿轮高速内转子23产生的空间谐波经过导磁铁块19调制后，形成的谐波次数与低速外转子子永磁体18磁场的谐波次数相同，使得内外转子能够完成能量转换，形成恒定的转矩输出。当内外转子上永磁体极对数与导磁铁块的个数越少且转子上永磁体的极数与导磁铁块的最小公倍数越大，磁齿轮复合电机的齿槽转矩越小。故本发明内转子极对数取4对极，外转子取23对极，导磁铁块个数取27。相比于其它类型电机，磁齿轮复合电机无机械振动摩擦、体积小、无噪声，使用低速大转矩的传动方式，有效提高永磁同步电机的输出转矩密度，符合AUV推进电机的设计要求，具有一定的实用价值。
Claims (2)
1.一种基于磁齿轮复合电机的自主水下航行器推进装置，包括外罩、对转螺旋桨、磁齿轮复合电机和对转螺旋桨轴承，其中，
磁齿轮复合电机的电机轴承与对转螺旋桨轴承连接并固定在一起，电机轴承输出转矩，传递给同轴连接的对转螺旋桨轴承，带动两个螺旋桨叶旋转；
外罩，用于保护对转螺旋桨并减少行进阻力；
磁齿轮复合电机包括内定子、高速内转子、调磁环、低速外转子四部分，最内层的定子铁心，使用硅钢片叠压而成，定子铁心表面开设斜肩圆底槽，定子铁心为空心，其内放置电机轴承；定子绕组使用整数槽分布绕组方式；高速内转子采用内嵌的V形排列的永磁体，称之为V型永磁体，V型永磁体采用径向充磁方式，在V型永磁体之间设置有空气隔磁槽；调磁环采用硅钢片叠加的方式叠成多个导磁铁块，将各导磁铁块固定在支架上；低速外转子永磁体采用表贴式的方式固定在最外侧的低速外转子铁心表面；磁齿轮高速内转子产生的空间谐波经过调磁环调制后，形成的谐波次数与低速外转子子永磁体磁场的谐波次数相同，使得内外转子能够完成能量转换，形成恒定的转矩输出。
2.根据权利要求所述1的推进装置，其特征在于，导磁铁块的径向厚度为V型永磁体径向厚度的3倍。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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