CN115021516A - 一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置，属于水下机器人推进器装置领域，特别是涉及一种可在全海深(海洋最深处，约11000米)大外压环境应用的磁耦合动力传递装置。该装置包括外转子永磁体部分、内转子永磁体部分、内转子永磁体保持架、外转子永磁体保持架和中间层隔离套。隔离套使电机输出轴由动密封转为静密封，通过隔离套内外的永磁体的磁耦合效应进行扭矩的传递，在全海深大外压环境下，隔离套的厚度较大，使内外层永磁体之间气隙增大，漏磁严重，动力传递损耗严重。本专利发明一种新型的Halbach阵列永磁体结构，该结构通过对磁路的优化增强气隙的磁感应强度，有效地降低了全海深环境下磁耦合动力传递装置的动力传递损耗。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人推进器零渗漏磁耦合密封动力传递装置，尤其涉及一种复合型Halbach阵列永磁体结构的磁耦合动力传递装置，属于水下作业机器人推进器装置领域。
背景技术
自主式水下机器人等水下作业设备是现代海洋资源开发及海洋生物研究的重要工具，随着对水下机器人工作深度和作业环境复杂程度的不断提高，对其作业性能也提出了更高的要求。我国已完成了对马里亚纳海沟11000米深度的科考研究，自主式水下机器人在此深度下面临110MPa水压，外部海水在大外压环境下极易进入推进器内部，故解决推进器密封性问题已成为目前首要科研任务。
目前水下机器人传动轴密封途径主要有两种，应用较为广泛的是一种采用压力补偿式动密封技术的充油平衡式水下电机，在电机壳体内部充满油液并与一种活塞式结构的压力补偿器相连，利用活塞对海洋环境压力的自适应轴向移动，使壳体内部油压与外部水压相平衡，以阻止外部海水进入电机内部，其缺点是不能保证完全密封，且无法保证使用寿命、可靠性与稳定性。另外充油平衡式水下电机的外部高水压通过其压力平衡装置传递到电机各部件上，其内部轴承、支撑框架、电机轴、永磁体和动密封等零部件均承压发生微变形，使其传输效率大幅度降低。
另一种传动轴密封途径为非接触式的磁耦合密封方法，通过隔离套使电机及电机输出轴与外部海水实现完全物理隔离，电机扭矩通过隔离套内外的永磁体传递到螺旋桨，此方法可以充分保证结构的完全密封，且易维护，其缺点是全海深下隔离套较厚，导致传递扭矩损耗严重且效率较低。为了针对目前水下机器人推进器磁耦合密封结构的磁损大、效率低等问题，研制一种全海深环境下完全密封，且保证传递扭矩满足工作需求的磁耦合密封装置。
在中国专利“一种基于磁力耦合传动的深海电机及传动方法(公开号CN113765330 A)”中提到了一种基于磁力耦合传动的深海电机及其传动方法，其特点是耐压壳体隔离套可以抵抗外部压力，使得内部容纳腔处于低压环境，对内部电机等装置的选型条件大大降低。该设计较适合应用于对水压要求不高的浅水环境中，对于深水尤其是全海深环境需要考虑到隔离套的厚度不足以承受水压，若隔离套加厚会导致磁损很严重，使电机无法带动螺旋桨转动。在中国专利“大转矩大深度水下磁耦合传动装置及水下动力装备(公开号CN 211655974 U)”中提到了一种基于Halbach阵列永磁体的磁耦合传动方法，其特点是内外转子永磁体均采用相同充磁角度相同数量的90°充磁方向的Halbach阵列永磁体，能够在一定程度上提升磁耦合最大传递扭矩并提升效率。但全海深环境中不可避免的需要更厚的隔离套，且对磁耦合装置的有更高的要求，需继续对磁耦合装置进行优化，尤其是永磁体阵列方式，保证最大程度发挥出永磁体的性能，从而进一步提升最大传递扭矩。
发明内容
本发明的主要目的是为了实现水下机器人在全海深环境下，防止电机输出轴转动过程中外部海水通过输出轴进入到电机内部造成电机短路及电机零部件承压损坏，提供一种传递扭矩大、耐压、可长时间工作及不易故障的磁耦合密封动力传递装置。随着工作水深的增加，尤其是全海深环境下外部水压达到110MPa，此时磁耦合密封动力传递装置隔离套厚度较大，磁力损耗比较严重，电机扭矩输出到螺旋桨的效率较低，本发明通过对永磁体阵列结构的分析改进以及磁路的优化，提升最大输出扭矩和减少磁损，为水下机器人航行提供条件而提供一种水下机器人推进器磁耦合密封动力传递装置。
本发明的目的是这样实现的：包括外转子Halbach阵列永磁体、内转子Halbach阵列永磁体、内转子保持架、外转子保持架和隔离套，内转子Halbach阵列永磁体与外转子Halbach阵列永磁体采用不同的Halbach阵列结构，外转子Halbach阵列永磁体、内转子Halbach阵列永磁体分别沿周向设置在对应的外转子保持架、内转子保持架上，隔离套位于外转子保持架、内转子保持架之间。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.外转子永磁体的数量多于内转子永磁体数量，内外转子永磁体的周向尺寸相差小。
2.内转子Halbach阵列永磁体的充磁方式采用一种30°/60°Halbach充磁方式，即每一极3个永磁体，第一个永磁体由径向偏30°方向充磁，第二个永磁体在第一个永磁体的基础上偏60°为周向充磁，第三个永磁体在第二个永磁体的基础上继续偏60°方向充磁。
3.外转子Halbach阵列永磁体可采用内转子Halbach阵列永磁体的充磁方法，也可采用每极3块的60°充磁的Halbach阵列结构；外转子Halbach阵列永磁体采用每极4块45°充磁的Halbach阵列结构。
4.内转子保持架、外转子保持架和隔离套均为非导磁性材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合动力传递装置，有效利用了永磁体与永磁体之间的磁力，最大程度上提升了传递力矩，同时减小整个推进器的体积。采用汝铁硼永磁体，磁能积大，不易退磁，重量轻。隔离套采用非导磁性抗压强度较大的材料钛合金TC4，非导磁性材料能够增加永磁体在隔离套上的磁阻，防止内转子永磁体与外转子永磁体分别形成各自的局部小磁路，增大内转子永磁体与外转子永磁体之间的磁通，增加吸力与斥力；隔离套采用抗压强度较大的材料能够保证在较小厚度的情况下保证抗压能力，使整个磁耦合装置不被压溃变形。
在全海深大外压环境下，隔离套设计厚度较厚为5mm，为了提升传递扭矩，需采用较多数量的永磁体，则单个内转子永磁体的圆周尺寸极小，无利于永磁体装配的难度。采用本发明的复合型Halbach阵列永磁体结构，每块外转子永磁体的内圆周尺寸为4.91mm,每块内转子永磁体的外圆周尺寸为4.80mm，相差0.11mm，最大传递扭矩为4.49Nm。
现有技术中，当内外转子永磁体均采用60°Halbach充磁方向时，每极3块永磁体，一共18块永磁体，每块内转子永磁体的外圆周尺寸为4.80mm。通过ANSYS Maxwell仿真，最大传递扭矩为4.38Nm，本发明的最大传递扭矩相比于该方法提升2.5％；
当内外转子永磁体均采用45°Halbach充磁方向时，每极4块永磁体，一共24块永磁体，每块内转子永磁体的外圆周尺寸极小为3.60mm。通过ANSYS Maxwell仿真，最大传递扭矩为4.58Nm，本发明的最大传递扭矩相比于该方法只降低2.0％，但极大地降低了装配难度；
当内外转子永磁体均采用90°Halbach充磁方向时，通过ANSYS Maxwell仿真，最大传递扭矩为3.92Nm，本发明的最大传递扭矩相比于该方法提升14.5％；
通过对比，在隔离套厚度较大时，适合采用本发明的复合型Halbach阵列永磁体结构。
附图说明
图1是本发明的磁耦合总体结构示意图；
图2是本发明的复合型Halbach阵列永磁体结构中，外转子采用每极4块45°充磁的Halbach阵列结构与内转子采用每极3块30°/60°充磁的Halbach阵列结构示意图；
图3是所述的图2的内外转子永磁体充磁方向示意图；
图4是外转子永磁体采用每极4块45°充磁的Halbach阵列与内转子永磁体采用每极3块60°充磁的Halbach阵列的永磁体充磁方向示意图；
图5是内外转子永磁体均采用45°方向充磁的Halbach阵列结构示意图；
图6是内外转子永磁体均采用60°方向充磁的Halbach阵列结构示意图。
图中：外转子Halbach阵列永磁体1、内转子Halbach阵列永磁体2、内转子保持架3、外转子保持架4和隔离套5。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是这样实现的：磁耦合密封结构中，永磁体排列形式有多种，本文设计一种内转子与外转子永磁体部分采用不同充磁角度不同数量的Halbach阵列结构，提高磁耦合动力传递装置的最大传递扭矩，保证其在全海深环境下具备一定的推力。本发明的使用环境为全海深，海洋最深处，约11000米。
本发明的复合型Halbach阵列永磁体结构的磁耦合动力传递装置由外转子Halbach阵列永磁体部分1、内转子Halbach阵列永磁体部分2、内转子保持架3、外转子保持架4和隔离套5组成。外转子Halbach阵列永磁体1与内转子Halbach阵列永磁体2分别沿圆周方向均匀排列在外转子保持架3、内转子保持架4中，外转子Halbach阵列永磁体1与内转子Halbach阵列永磁体2中的每一个永磁体均为瓦片形永磁体。外转子Halbach阵列永磁体1与内转子Halbach阵列永磁体2由径向充磁、周向充磁以及30°、60°与45°方向充磁的永磁体组成。
在全海深大外压环境下，磁耦合动力传递装置的工作压力为110MPa，设计压力为127MPa，本发明中隔离套5的内径为Φ27.5mm，在该尺寸下为满足压力要求，隔离套5设计厚度为5mm，则其外径为Φ37.5mm，由于隔离套5与外转子永磁体1、内转子永磁体2的间隙极小，故内转子永磁体部分2的外周长近似等于隔离套5内周长为86.35mm，同理外转子永磁体部分1的内周长近似等于隔离套5外周长为117.75mm，隔离套5内外周长相差31.4mm，如果内外转子永磁体的数量一致，会导致单个内转子永磁体的外圆周尺寸比单个外转子永磁体的内圆周尺寸小很多，增加了永磁体装配的难度。
在本发明中，通过ANSYS Maxwell仿真得最优磁极数为6极(以下仿真磁极数均采用6极)，采用本发明的复合型Halbach阵列永磁体结构，外转子采用45°Halbach充磁方向，每极4块永磁体，一共24块永磁，每块永磁体的内圆周尺寸为4.91mm；内转子采用30°/60°Halbach充磁方向或采用60°Halbach充磁方向，每极3块永磁体，一共18块永磁体，每块永磁体的外圆周尺寸为4.80mm，此时内外转子永磁体的圆周长度相差0.11mm，相差较小，通过ANSYS Maxwell的仿真(本发明中永磁体轴向设计长度为20mm，以下仿真均采用此设计长度)，得最大传递扭矩为4.49Nm。
本发明区别于普通Halbach阵列永磁体的发明点是，当隔离套厚度较大时，使外转子Halbach阵列永磁体数量大于内转子Halbach阵列永磁体数量，单个外转子永磁体的内圆周尺寸与单个内转子永磁体的外圆周尺寸基本一致；另外提出一种30°/60°Halbach充磁方式应用于内转子永磁体，以实现在磁路上减少漏磁，使内外转子之间的有效磁通更大，进而传递更大的转矩并具有更高的效率。
结合图1，磁耦合的一种具体作业方式，所述的内转子保持架3为主动转子与驱动端连接，所述的外转子保持架4为从动转子与负载端连接，内转子和外转子为非接触式磁力传动。内转子与外转子之间通过隔离套5实现物理隔离，防止海水进入到电机内部，实现零渗漏密封。其中内转子保持架3、外转子保持架4和隔离套5均为非导磁性材料，减小在其上形成局部小磁路，造成磁漏，影响效率。
结合图2至图4，所述的Halbach永磁体阵列中的每一个永磁体均为瓦片形永磁体，内转子Halbach阵列永磁体2分别沿圆周方向均匀排列在内转子保持架3上，外转子Halbach阵列永磁体1分别沿圆周方向均匀排列在外转子保持架4上。内转子Halbach阵列永磁体2采用一种30°/60°Halbach充磁方式，每极3个永磁体，第一个永磁体由径向偏30°方向充磁，第二个永磁体在第一个永磁体的基础上偏60°为周向充磁，第三个永磁体在第二个永磁体的基础上继续偏60°方向充磁。
外转子Halbach阵列永磁体1是每极四块永磁体，分别相差45°充磁方向。外转子永磁体的数量多于内转子永磁体数量，进而保证内外转子永磁体的周向尺寸相差较小。内转子Halbach阵列永磁体2，其充磁方式亦可采用一种60°Halbach充磁方式。
综上，本发明提供了一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合动力传递装置，属于水下机器人推进器装置领域，特别是涉及一种可在全海深(海洋最深处，约11000米)大外压环境应用的磁耦合动力传递装置。该装置包括外转子永磁体部分、内转子永磁体部分、内转子永磁体保持架、外转子永磁体保持架和中间层隔离套。隔离套使电机输出轴由动密封转为静密封，通过隔离套内外的永磁体的磁耦合效应进行扭矩的传递，在全海深大外压环境下，隔离套的厚度较大，使内外层永磁体之间气隙增大，漏磁严重，动力传递损耗严重。本专利发明一种新型的Halbach阵列永磁体结构，该结构通过对磁路的优化增强气隙的磁感应强度，有效地降低了全海深环境下磁耦合动力传递装置的动力传递损耗。
Claims (5)
1.一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置，其特征在于：包括外转子Halbach阵列永磁体、内转子Halbach阵列永磁体、内转子保持架、外转子保持架和隔离套，内转子Halbach阵列永磁体与外转子Halbach阵列永磁体采用不同的Halbach阵列结构，外转子Halbach阵列永磁体、内转子Halbach阵列永磁体分别沿周向设置在对应的外转子保持架、内转子保持架上，隔离套位于外转子保持架、内转子保持架之间。
2.根据权利要求1所述的一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置，其特征在于：外转子永磁体的数量多于内转子永磁体数量，内外转子永磁体的周向尺寸相差小。
3.根据权利要求1或2所述的一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置，其特征在于：内转子Halbach阵列永磁体的充磁方式采用一种30°/60°Halbach充磁方式，即每一极3个永磁体，第一个永磁体由径向偏30°方向充磁，第二个永磁体在第一个永磁体的基础上偏60°为周向充磁，第三个永磁体在第二个永磁体的基础上继续偏60°方向充磁。
4.根据权利要求3所述的一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置，其特征在于：外转子Halbach阵列永磁体可采用内转子Halbach阵列永磁体的充磁方法，也可采用每极3块的60°充磁的Halbach阵列结构；外转子Halbach阵列永磁体采用每极4块45°充磁的Halbach阵列结构。
5.根据权利要求1或2所述的一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置，其特征在于：内转子保持架、外转子保持架和隔离套均为非导磁性材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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