CN114620213B - 一种磁悬浮水下轮缘推进器 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种磁悬浮水下轮缘推进器。包括机壳及设置于机壳内的电机定子、电机转子、转子衬套及螺旋桨，其中机壳的前后分别端设有前端盖和后端盖，电机定子与机壳连接，电机转子设置于衬套上且与电机定子相对应；衬套的两端均通过轴向磁轴承和径向磁轴承与机壳连接；螺旋桨同轴安装在转子衬套的内侧，并且与转子衬套连接。本发明的电机转子直接驱动螺旋桨，无传动环节，传动效率高，同时采用主动磁轴承，螺旋桨产生的激振力不会通过结构传递到推进器定子部分，推进器整体振动较小，在水下可实现安静推进，同时结构上均采用了灌封工艺，推进器能够长期工作于深水环境中。

Description

一种磁悬浮水下轮缘推进器

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，特别涉及一种磁悬浮水下轮缘推进器。

背景技术

水下机器人具备操作性高、灵活性好、安全等多方面独特优势,通常作为海洋资源开发的主要装备,推进器作为水下机器人的关键部件，决定着水下机器人的整体性能。

然而随着对水下机器人体积、静音航行提出了更高的要求，也对水下推进器提出了高效、低噪的要求。传统的电力推进形式为电机轴端加装减速器，减速器驱动螺旋桨，由于复杂的传动系统导致推进器部分结构复杂、占用空间大且效率低，不能满足高效运行的要求。现有的轮缘推进器通常采用滑动轴承，由于轴承产生的机械损耗及振动噪声较大，不能满足静音航行的需求。

因此，设计一种使用磁悬浮轴承、具有高效、低噪声的水下轮缘推进器是很有必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种磁悬浮水下轮缘推进器，并且具有高效、低噪等特点。该轮缘推进器使用磁悬浮轴承，消除了轴承的机械损耗及机械噪声，提高了推进器的效率，降低了推进器的噪声，整体磁悬浮轴承铁芯绕线后均采用环氧树脂进行灌封，可长时间运行与水下环境。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁悬浮水下轮缘推进器，包括机壳及设置于所述机壳内的电机定子、电机转子、转子衬套及螺旋桨，其中机壳的前后分别端设有前端盖和后端盖，所述电机定子与所述机壳连接，所述电机转子设置于所述衬套上且与所述电机定子相对应；所述衬套的两端均通过轴向磁轴承和径向磁轴承与所述机壳连接；所述螺旋桨同轴安装在所述转子衬套的内侧，并且与所述转子衬套连接。

所述转子衬套的两端分别设有保护轴承，所述保护轴承设置于所述轴向磁轴承的外侧并且与所述轴向磁轴承连接。

所述电机转子包括电机转子铁芯和设置于所述电机转子铁芯外侧的磁钢，所述磁钢、电机转子铁芯及转子衬套采用环氧树脂灌封为一体；

所述电机定子包括电机定子铁芯和电机定子绕组，所述电机定子绕组缠绕于所述电机定子铁芯上后采用环氧树脂灌封。

所述轴向磁轴承包括轴向磁轴承铁芯、轴向磁轴承线圈及轴向磁轴承转子，其中轴向磁轴承转子与所述转子衬套连接，所述轴向磁轴承线圈缠绕于轴向磁轴承铁芯上，所述轴向磁轴承铁芯与所述机壳连接。

所述轴向磁轴承铁芯与所述轴向磁轴承转子之间具有固定气隙；所述轴向磁轴承铁芯和所述轴向磁轴承转子的材料采用导磁钢材；所述轴向磁轴承线圈安装在所述轴向磁轴承铁芯上后采用环氧树脂灌封。

所述径向磁轴承包括径向磁轴承定子、径向磁轴承转子及位置传感器，其中径向磁轴承定子与所述机壳连接，所述径向磁轴承转子与所述转子衬套连接并且与所述径向磁轴承定子相对应；所述径向磁轴承定子和径向磁轴承转子分别采用环氧树脂灌封；所述位置传感器用于检测所述径向磁轴承定子与所述径向磁轴承转子之间的径向间隙。

所述位置传感器包括传感器定子和传感器转子，其中传感器定子与所述机壳连接，所述传感器转子与所述转子衬套连接并且与所述传感器定子相对应；所述传感器定子和传感器转子分别采用环氧树脂灌封。

所述螺旋桨的轮毂前后分别设有前导流锥和后导流锥；所述转子衬套的内侧设有与所述前端盖连接的导管。

所述转子衬套上套装有平衡环，所述平衡环上均布若干螺纹孔，通过在螺纹孔内装入若干平衡块实现整体转子的动平衡精度的调整。

所述后端盖上设有转速传感器。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明的轮缘推进器使用了主动控制磁轴承，轴向轴承可抵消螺旋桨产生推力的作用力，径向轴承消除了螺旋桨作用在推进器结构上的激振力，同时消除了轴承的机械损耗和机械噪声，可提高推进器的效率，减小噪声。

2.本发明的电机转子磁钢通过转子衬套直接套装在螺旋桨上，电机转子直接驱动螺旋桨，无传动装置，且通过磁悬浮轴承旋转，无摩擦损耗，结构紧凑且效率高。

3.本发明电机铁芯、转子，磁悬浮轴承铁芯均采用环氧树脂密封，可长时间工作于水下环境，同时省掉了机械密封，减小了推进器的体积和质量。

附图说明

图1为本发明一种磁悬浮水下轮缘推进器的结构示意。

其中：1为前端盖，2为轴向磁轴承铁芯，3为轴向磁轴承线圈，4为轴向磁轴承转子,5为位置传感器，6为径向磁轴承，7为机壳，8为电机定子铁芯，9为电机转子铁芯，10为磁钢，11为电机定子绕组，12为转子衬套，13为螺旋桨，14为保护轴承，15为后端盖，16为前导流锥，17为导管，18为平衡环，19为后导流锥，20为转速传感器。

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所示，本发明提供的一种磁悬浮水下轮缘推进器，包括机壳7及设置于机壳7内的电机定子、电机转子、转子衬套12及螺旋桨13，其中机壳7的前后分别端设有前端盖1和后端盖15，电机定子与机壳7连接，电机转子设置于衬套12上且与电机定子相对应；衬套12的两端均通过轴向磁轴承和径向磁轴承6与机壳7连接；螺旋桨13同轴安装在转子衬套12的内侧，并且与转子衬套12连接。

如图1所示，本发明的实施例中，电机转子包括电机转子铁芯9和设置于电机转子铁芯9外侧的磁钢10，磁钢10、电机转子铁芯9及转子衬套12采用环氧树脂灌封为一体；具体地，磁钢10采用防水胶粘接到电机转子铁芯9上，电机转子铁芯9及磁钢10整体过盈装配到转子衬套12上，电机转子铁芯9、磁钢10、转子衬套12整体进行灌封，使电机转子铁芯9、磁钢10与水相隔离。电机定子包括电机定子铁芯8和电机定子绕组11，电机定子绕组11缠绕于电机定子铁芯8上后过盈配合装配到机壳7中，且整体采用环氧树脂灌封，可保证电机端部线圈和铁芯不接触到水。

本发明的实施例中，轴向磁轴承包括轴向磁轴承铁芯2、轴向磁轴承线圈3及轴向磁轴承转子4，其中轴向磁轴承转子4与转子衬套12连接，轴向磁轴承线圈3缠绕于轴向磁轴承铁芯2上，轴向磁轴承铁芯2与机壳7连接。轴向磁轴承铁芯2与轴向磁轴承转子4之间具有固定气隙，装配过程中需不断测量轴向磁轴承铁芯2与轴向磁轴承转子4之间的间隙，最终调整至设计值；轴向磁轴承铁芯2和轴向磁轴承转子4的材料采用导磁钢材，且加工完成后需进行表面后处理防止水下环境腐蚀；轴向磁轴承线圈3安装在轴向磁轴承铁芯2上后采用环氧树脂灌封。

本发明的实施例中，径向磁轴承6包括径向磁轴承定子、径向磁轴承转子及位置传感器5，其中径向磁轴承定子与机壳7连接，径向磁轴承转子与转子衬套12连接并且与径向磁轴承定子相对应；径向磁轴承定子和径向磁轴承转子分别采用环氧树脂灌封；位置传感器5用于检测径向磁轴承定子与径向磁轴承转子之间的径向间隙。

具体地，径向磁轴承定子和径向磁轴承转子的铁芯均采用硅钢片叠压而成，安装完成后需用专用工装使用环氧树脂完成灌封。

具体地，位置传感器5采用电感一体化传感器，包括传感器定子和传感器转子，其中传感器定子与机壳7连接，传感器转子与转子衬套12连接并且与传感器定子相对应；传感器定子和传感器转子分别采用环氧树脂灌封。本实施例中，传感器定子由叠压的硅钢片和线圈组成，传感器转子由叠压的硅钢片组成。

具体地，传感器定子与径向磁轴承定子一起过盈装配到机壳7上，同步采用工装进行灌封，传感器转子与径向磁轴承转子先过盈安装到转子轴套上，轴套过盈配合安装到转子衬套12上，此部分铁芯安装完成后使用专用工装进行灌封，以保证防护等级及气隙尺寸。

进一步地，螺旋桨13的轮毂前后分别设有前导流锥16和后导流锥19；转子衬套12的内侧设有与前端盖1连接的导管17。具体地，前导流锥16与后导流锥19过盈装配到螺旋桨轮毂上，导管17使用螺钉安装到前端盖1上，共同起到导流作用。

进一步地，转子衬套12上套装有平衡环18，平衡环18上均布若干螺纹孔，通过在螺纹孔内装入若干平衡块实现整体转子的动平衡精度的调整。具体地，螺旋桨13通过不锈钢螺钉与转子衬套12连接，平衡环18过盈装配到转子衬套12上，平衡环18上均布若干螺纹孔，螺纹孔内可装入不等长度的铜螺钉或塑料螺钉实现整体转子的动平衡精度。

进一步地，后端盖15上设有转速传感器20，转速传感器20采用霍尔接近传感器，转速传感器20用于检测推进器转子转速，反馈的转速用于轴向磁轴承和径向磁轴承6的主动控制。

在上述实施例的基础上，转子衬套12的两端分别设有保护轴承14，保护轴承14设置于轴向磁轴承的外侧并且与轴向磁轴承的轴向磁轴承铁芯2连接。保护轴承14使用水润滑轴承，在推进器出现故障或停机时起保护和支撑作用。保护轴承14的材料为高分子PEEK材料或树脂聚合物，具有易加工、低摩擦、水下耐腐蚀、使用寿命长等特点。

本发明在使用过程中，可直接将其安装在水下机器人的尾部或两侧作为动力部件，电机部分及磁轴承部分均采用了水下防护方式，能够保证本发明长期工作在水下环境中。

本发明的轮缘推进器使用了主动控制磁轴承，轴向轴承可抵消螺旋桨产生推力的作用力，径向轴承消除了螺旋桨作用在推进器结构上的激振力，同时消除了轴承的机械损耗和机械噪声，可提高推进器的效率，减小噪声。

本发明的电机转子直接驱动螺旋桨，无传动环节，传动效率高，同时采用主动磁轴承，螺旋桨产生的激振力不会通过结构传递到推进器定子部分，推进器整体振动较小，在水下可实现安静推进，同时结构上均采用了灌封工艺，推进器能够长期工作于深水环境中。

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 (5)

1.一种磁悬浮水下轮缘推进器，其特征在于，包括机壳(7)及设置于所述机壳(7)内的电机定子、电机转子、转子衬套(12)及螺旋桨(13)，其中机壳(7)的前后端 分别设有前端盖(1)和后端盖(15)，所述电机定子与所述机壳(7)连接，所述电机转子设置于所述衬套(12)上且与所述电机定子相对应；所述衬套(12)的两端均通过轴向磁轴承和径向磁轴承(6)与所述机壳(7)连接；所述螺旋桨(13)同轴安装在所述转子衬套(12)的内侧，并且与所述转子衬套(12)连接；

所述转子衬套(12)的两端分别设有保护轴承(14)，所述保护轴承(14)设置于所述轴向磁轴承的外侧并且与所述轴向磁轴承连接；

所述轴向磁轴承包括轴向磁轴承铁芯(2)、轴向磁轴承线圈(3)及轴向磁轴承转子(4)，其中轴向磁轴承转子(4)与所述转子衬套(12)连接，所述轴向磁轴承线圈(3)缠绕于轴向磁轴承铁芯(2)上，所述轴向磁轴承铁芯(2)与所述机壳(7)连接；

所述轴向磁轴承铁芯(2)与所述轴向磁轴承转子(4)之间具有固定气隙；所述轴向磁轴承铁芯(2)和所述轴向磁轴承转子(4)的材料采用导磁钢材；所述轴向磁轴承线圈(3)安装在所述轴向磁轴承铁芯(2)上后采用环氧树脂灌封；

所述径向磁轴承(6)包括径向磁轴承定子、径向磁轴承转子及位置传感器(5)，其中径向磁轴承定子与所述机壳(7)连接，所述径向磁轴承转子与所述转子衬套(12)连接并且与所述径向磁轴承定子相对应；所述径向磁轴承定子和径向磁轴承转子分别采用环氧树脂灌封；所述位置传感器(5)用于检测所述径向磁轴承定子与所述径向磁轴承转子之间的径向间隙；

所述后端盖(15)上设有转速传感器(20)；转速传感器( 20) 用于检测推进器转子转速，反馈的转速用于所述轴向磁轴承和所述径向磁轴承(6)的主动控制。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮水下轮缘推进器，其特征在于，所述电机转子包括电机转子铁芯(9)和设置于所述电机转子铁芯(9)外侧的磁钢(10)，所述磁钢(10)、电机转子铁芯(9)及转子衬套(12)采用环氧树脂灌封为一体；

所述电机定子包括电机定子铁芯(8)和电机定子绕组(11)，所述电机定子绕组(11)缠绕于所述电机定子铁芯(8)上后采用环氧树脂灌封。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮水下轮缘推进器，其特征在于，所述位置传感器(5)包括传感器定子和传感器转子，其中传感器定子与所述机壳(7)连接，所述传感器转子与所述转子衬套(12)连接并且与所述传感器定子相对应；所述传感器定子和传感器转子分别采用环氧树脂灌封。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮水下轮缘推进器，其特征在于，所述螺旋桨(13)的轮毂前后分别设有前导流锥(16)和后导流锥(19)；所述转子衬套(12)的内侧设有与所述前端盖(1)连接的导管(17)。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮水下轮缘推进器，其特征在于，所述转子衬套(12)上套装有平衡环(18)，所述平衡环(18)上均布若干螺纹孔，通过在螺纹孔内装入若干平衡块实现整体转子的动平衡精度的调整。

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