CN114590387A - 一种双电机平行布置的水空两用推进器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于推进器技术领域，特别涉及一种双电机平行布置的水空两用推进器。包括机架、螺旋桨、水下电机、空中电机及离合传动装置，其中水下电机和空中电机平行布置于机架上，螺旋桨设置于空中电机的输出轴上，且螺旋桨通过离合传动装置与水下电机的输出轴连接，通过离合传动装置实现水下电机驱动模式和空中电机驱动模式的切换。本发明采用双电机并通过大减速比、可离合的齿轮实现螺旋桨在空气中高转速、低扭矩运行和水下低转速、高扭矩运行，大幅降低电机设计难度，提高电机运行效率，实现水下和空气中的高效推进，具有结构紧凑、重量轻、推进效率高等特点。

Description

一种双电机平行布置的水空两用推进器
技术领域
本发明属于推进器技术领域，特别涉及一种双电机平行布置的水空两用推进器。
背景技术
水空两栖跨域航行器是一种既可以在水下环境中航行，又可以在空中飞行的新概念航行器，能够极大扩展作业范围和应用领域。为了实现水空两栖跨域航行器在水下和空中两种介质的航行功能，需要具有水下和空中作业功能的推进器。然而，由于水和空气的密度和粘性等特性差异很大，推进器设计方法也存在较大差异。对于同一螺旋桨，在空气中要求电机转速高、转矩小，在水下推进时要求电机转速低、输出转矩大，同一套电机几乎无法同时满足空气中和水中的高效运行需求。采用同一螺旋桨的水空两用推进器需要两种转矩和转速特性的动力源，特别的对于水下动力源要求低转速、大转矩，满足该特性的电机往往体积和重量很大，不利于推进器的紧凑型和轻量化设计，同时要避免空中电机运行时带动水下电机旋转，因为这样一方面会增加空中电机的负载，另一方面会使水下电机线间反向电动势大幅增高，会对电机控制器产生破坏性影响。同时，水空两用推进器还需要具有较高的集成度和紧凑性，降低推进器重量，提高推进器的推重比和系统可靠性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种双电机平行布置的水空两用推进器，该推进器采用空中电机和水下电机平行布置并驱动同一螺旋桨的方案，螺旋桨通过大减速比、可离合的齿轮实现与水下电机的动力接入和分离，进而实现空气中和水下运行状态的切换，满足水下和空中的推进需求，并具有结构紧凑、重量轻、可靠性高等特点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双电机平行布置的水空两用推进器，包括机架、螺旋桨、水下电机、空中电机及离合传动装置，其中水下电机和空中电机平行布置于机架上，螺旋桨设置于空中电机的输出轴上，且螺旋桨通过离合传动装置与水下电机的输出轴连接，通过离合传动装置实现水下电机驱动模式和空中电机驱动模式的切换。
所述离合传动装置包括驱动轴、驱动齿轮、齿圈及离合器，其中驱动轴的一端与所述水下电机的输出端连接，驱动轴的另一端通过离合器与驱动齿轮连接，齿圈固设于所述螺旋桨的外侧，且齿圈与驱动齿轮啮合；
所述离合器通过所述水下电机的驱动，实现驱动齿轮与齿圈的啮合或分离。
所述离合器包括轴套和销，其中轴套套设于所述驱动轴上，且可沿轴向滑动，所述驱动齿轮固设于轴套上；
轴套的侧壁上设有贯穿的螺旋槽；销沿径向设置于所述驱动轴上，且销的两端容置于轴套的螺旋槽内；所述驱动轴转动时，通过销拨动轴套沿轴向移动。
所述齿圈与所述驱动齿轮的齿数比大于10。
所述机架的前端装有环形结构的导流罩，导流罩覆盖在所述水下电机、驱动齿轮和齿圈的外侧，导流罩呈流线型。
所述空中电机设置于所述机架的中心，且所述空中电机的前、后端分别设有导流帽和尾导流锥，其中导流帽与所述螺旋桨连接，尾导流锥与所述机架连接。
所述空中电机和所述水下电机为高功率密度的外转子无刷直流电机。
当在空气中工作时，所述空中电机驱动所述螺旋桨转动，所述水下电机与空中电机同向低速旋转，通过离合器使驱动齿轮与齿圈分离；当在水下工作时，所述空中电机无动力，所述水下电机反向旋转，通过离合器使驱动齿轮与齿圈啮合，螺旋桨由水下电机驱动。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明能够实现水下和空气两种介质中的推进功能，是构建水空两栖跨域航行器的重要组成部分。
2.本发明在空气中使用高转速、低扭矩的空中电机驱动，齿圈与驱动齿轮分离，满足空气中推进需求，且具有较大的推重比。
3.本发明在水下以水下电机为动力，通过驱动齿轮与螺旋桨外齿圈的啮合，实现水下电机扭矩放大，满足螺旋桨的低转速、高扭矩运行，实现水下高效推进。
4.本发明的空中电机和水下电机都采用功率密度高、转速较高的无刷直流电机驱动，具有重量轻、结构紧凑、可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明一种双电机平行布置的水空两用推进器的轴测图；
图2为本发明一种双电机平行布置的水空两用推进器的主视图；
图3为图2去除导流罩后的结构示意图；
图4为图2的A-A剖视图；
图5为本发明中轴套的轴测图；
图6为本发明在水下工作时各部件转向和位置示意图；
图7为本发明在空气中工作时各部件转向和位置示意图。
图中：1为机架，2为导流罩，3为螺旋桨，4为导流帽，5为驱动轴，6为驱动齿轮，7为齿圈，8为轴套，801为螺旋槽，9为销，10为水下电机，11为空中电机，12为尾导流锥。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-4所示，本发明提供的一种双电机平行布置的水空两用推进器，包括机架1、螺旋桨3、水下电机10、空中电机11及离合传动装置，其中水下电机10和空中电机11平行布置于机架1上，螺旋桨3设置于空中电机11的输出轴上，且螺旋桨3通过离合传动装置与水下电机10的输出轴连接，通过离合传动装置实现水下电机驱动模式和空中电机驱动模式的切换。
如图3-4所示，本发明的实施例中，离合传动装置包括驱动轴5、驱动齿轮6、齿圈7及离合器，其中驱动轴5的一端与水下电机10的输出端连接，驱动轴5的另一端通过离合器与驱动齿轮6连接，齿圈7固设于螺旋桨3的外侧，且齿圈7与驱动齿轮6啮合；离合器通过水下电机10的驱动，实现驱动齿轮6与齿圈7的啮合或分离。
本发明的实施例中，离合器包括轴套8和销9，其中轴套8套设于驱动轴5上，且可沿轴向滑动，驱动齿轮6固设于轴套8上，轴套8的侧壁上设有贯穿的螺旋槽801，如图5所示；销9沿径向插装于驱动轴5上，且销9的两端容置于轴套8的螺旋槽801内；驱动轴5正反向转动时，通过销9拨动轴套8沿轴向前后移动。
当水下电机10运行时，驱动轴5的旋转运动通过销9作用在轴套8上，在轴套8的螺旋槽801的作用下使轴套8沿驱动轴5做轴向运动，直到销9运动到轴套8上螺旋槽801的末端。具体地，螺旋槽801的圈数和螺距能够保证轴套8在驱动轴5上的轴向位移量满足驱动齿轮6和齿圈7完全啮合或完全分离。
进一步地，齿圈7和驱动齿轮6采用大齿数比设计，齿圈7与驱动齿轮6的齿数比大于等于10。
如图1-2所示，本发明的实施例中，机架1的前端装有环形结构的导流罩2，导流罩2覆盖在水下电机10、驱动齿轮6和齿圈7的外侧，导流罩2呈流线型。
进一步地，机架1为圆形结构，且一侧凸出有水中电机安装槽。空中电机11固定固定安装在机架1的中心，且空中电机11的前、后端分别设有导流帽4和尾导流锥12，其中导流帽4为流线型且与螺旋桨3连接，尾导流锥12与机架1连接。导流罩2和导流帽4使推进器整体呈流线型，机架1上还有用于与航行器安装的法兰孔。
具体地，空中电机11和水下电机10为高功率密度的外转子无刷直流电机。无刷直流电机具有功率密度大、转速较高的优点，满足推进器的紧凑性、轻量化设计需求。当推进器在空气中工作时，空中电机11驱动螺旋桨3转动，水下电机10与空中电机11同向低速旋转，通过离合器使驱动齿轮6与齿圈7分离；也就是说，水下电机10转向与螺旋桨3产生推力时的转向相同，驱动轴5和销9与水下电机10共同旋转，在轴套8上的螺旋槽801的作用下，轴套8和驱动齿轮6被拉向水下电机10，驱动齿轮5与齿圈7分离。当在水下工作时，空中电机11无动力，水下电机10反向旋转，通过离合器使驱动齿轮6与齿圈7啮合，螺旋桨3由水下电机10驱动。也就是说，水下电机10的转向与螺旋桨3产生推力时的转向相反，在轴套8上的螺旋槽801的作用下，轴套8和驱动齿轮5被推向远离水下电机10，靠近齿圈7的方向，驱动齿轮6与齿圈7啮合，螺旋桨3由水下电机10提供动力。
本发明提供的一种双电机平行布置的水空两用推进器，在空气中和水下的工作原理：
如图6所示，本发明提供的一种双电机平行布置的水空两用推进器，在水下工作时，空中电机11不提供动力，水下电机10的转向与螺旋桨3产生推力时的转向相反，在销9作用于轴套8的螺旋槽801上的作用力之下，轴套8和驱动齿轮6向背离水下电机10的方向运动，驱动齿轮6与齿圈7进入啮合状态，直到销9达到轴套8的螺旋槽801的内侧末端，此时驱动齿轮6和齿圈7完全啮合，水下电机10的动力通过两个啮合齿轮传递到螺旋桨3上，在大齿数比的条件下，水下电机10的转矩得到放大。
如图7所示，本发明提供的一种双电机平行布置的水空两用推进器，在空气中工作时，水下电机10和空中电机11的转向与螺旋桨3产生推力时的转向相同，在销9作用于轴套8的螺旋槽801的作用力之下，轴套8和驱动齿轮6向靠近水下电机10的方向运动，驱动齿轮6与齿圈7进入分离状态，直到销9达到轴套9的螺旋槽801的外侧末端，此时驱动齿轮6和齿圈7完全分离，螺旋桨3完全由空中电机11提供动力。水下电机10采用低转速、几乎零功率输出状态保证轴套8一直靠近水下电机10，即保证驱动齿轮6和齿圈7一直处于分离状态。
本发明的实施例中，水下电机10沿不同转向运行时，销9可通过轴套8上的螺旋槽801驱动轴套8在驱动轴5上滑动，实现驱动齿轮6与齿圈7的啮合和分离。当在空气中工作时，水下电机10和空中电机11同向旋转，驱动齿轮6拉向水下电机10，与齿圈7分离，螺旋桨3由空中电机10驱动；当在水中工作时，空中电机11无动力，水下电机10反向旋转并将驱动齿轮6推出使其与齿圈7啮合，螺旋桨3由水下电机10驱动。本发明采用双电机并通过大减速比、可离合的齿轮组，实现螺旋桨在空气中高转速、低扭矩运行和水下低转速、高扭矩运行，大幅降低电机的体积、重量和设计难度，提高电机运行效率，实现水下和空气中的高效推进，具有结构紧凑、重量轻、推进效率高等特点。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，包括机架(1)、螺旋桨(3)、水下电机(10)、空中电机(11)及离合传动装置，其中水下电机(10)和空中电机(11)平行布置于机架(1)上，螺旋桨(3)设置于空中电机(11)的输出轴上，且螺旋桨(3)通过离合传动装置与水下电机(10)的输出轴连接，通过离合传动装置实现水下电机驱动模式和空中电机驱动模式的切换。
2.根据权利要求1所述的双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，所述离合传动装置包括驱动轴(5)、驱动齿轮(6)、齿圈(7)及离合器，其中驱动轴(5)的一端与所述水下电机(10)的输出端连接，驱动轴(5)的另一端通过离合器与驱动齿轮(6)连接，齿圈(7)固设于所述螺旋桨(3)的外侧，且齿圈(7)与驱动齿轮(6)啮合；
所述离合器通过所述水下电机(10)的驱动，实现驱动齿轮(6)与齿圈(7)的啮合或分离。
3.根据权利要求2所述的双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，所述离合器包括轴套(8)和销(9)，其中轴套(8)套设于所述驱动轴(5)上，且可沿轴向滑动，所述驱动齿轮(6)固设于轴套(8)上；
轴套(8)的侧壁上设有贯穿的螺旋槽(801)；销(9)沿径向设置于所述驱动轴(5)上，且销(9)的两端容置于轴套(8)的螺旋槽(801)内；所述驱动轴(5)转动时，通过销(9)拨动轴套(8)沿轴向移动。
4.根据权利要求2所述的双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，所述齿圈(7)与所述驱动齿轮(6)的齿数比大于10。
5.根据权利要求2所述的双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，所述机架(1)的前端装有环形结构的导流罩(2)，导流罩(2)覆盖在所述水下电机(10)、驱动齿轮(6)和齿圈(7)的外侧，导流罩(2)呈流线型。
6.根据权利要求2所述的双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，所述空中电机(11)设置于所述机架(1)的中心，且所述空中电机(11)的前、后端分别设有导流帽(4)和尾导流锥(12)，其中导流帽(4)与所述螺旋桨(3)连接，尾导流锥(12)与所述机架(1)连接。
7.根据权利要求2所述的双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，所述空中电机(11)和所述水下电机(10)为高功率密度的外转子无刷直流电机。
8.根据权利要求2-7任一项所述的双电机平行布置的水空两用推进器，其特征在于，当在空气中工作时，所述空中电机(11)驱动所述螺旋桨(3)转动，所述水下电机(10)与空中电机(11)同向低速旋转，通过离合器使驱动齿轮(6)与齿圈(7)分离；
当在水下工作时，所述空中电机(11)无动力，所述水下电机(10)反向旋转，通过离合器使驱动齿轮(6)与齿圈(7)啮合，螺旋桨(3)由水下电机(10)驱动。
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