CN115071937A - 一种无轴承水下驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下驱动技术领域，具体为一种无轴承水下驱动装置，包括水下驱动机构；水下驱动机构包括外壳、定子线圈、转子组件、驱动叶轮和浮动组件，定子线圈固定安装在外壳的内壁上；转子组件转动连接在定子线圈的内侧，转子组件包括永磁环和叶轮转子，叶轮转子固定安装在永磁环的内侧，驱动叶轮安装在叶轮转子的内侧，浮动组件安装在外壳上，用于使转子组件悬浮在定子线圈的内侧并使转子组件与定子线圈无接触；定子线圈和浮动组件均与外部的船体上的供电设备电连接。本发明定子线圈和转子组件采用无轴承接触，相比传统的驱动器工作声音更小，最大的驱动速度更高；结构更加紧凑，相对传统的驱动器，体积可制作得更小。
Description
技术领域
本发明涉及水下驱动技术领域，特别涉及一种无轴承水下驱动装置。
背景技术
船用水下推进器，经过一代一代演变至今，现流行主流产品有开放式叶片螺旋推进器和涵道式叶片螺旋推进器，都是有轴多叶片结构，叶片也有二片，三片，四片，五片，七片等；
目前这种水下推进器存在许多缺点：
1、这种螺旋桨不环保，开放式叶片很容易伤害到水里面的鱼类，润滑旋转轴承的油随着轴承及密封件的磨损而容易泄露，污染水源；
2、这类螺旋桨都是有轴，靠轴承支承旋转，故传动产生很大的振动和噪音；
3、这类螺旋桨叶片外向凸起，在水环境复杂条件下，很容易与水草，渔网等等物体的缠绕，卡住螺旋桨旋转，严重的直接损坏螺旋桨；
4、螺旋桨旋转时叶片外沿大的地方线速度最大，而螺旋桨中心位置却很小；根据伯努利定律，螺旋桨高速旋转，由于桨叶的高速移动，则桨叶背部的压力必然降低，形成一个吸力面，低压就这么产生了，当压力低于水的饱和蒸气压时，液体中的液态分子就转化为气态分子，最终会突然产生大量的气泡，被称为“气泡效应”。常规的螺旋桨最佳转速只有300-600转，大型货轮的最佳转速甚至不到100转。一旦超过这个转速，气泡就开始出现，转速越高气泡就越严重；
这种传统螺旋桨直径越大，叶片越多，旋转速度越块，产生气泡就会形成伤害：
A汽蚀：几百万分之一秒的时间里，螺旋桨产生的气泡呈现爆发式增长，之后，由于周围水的高压，气泡又被急剧压缩，直至崩溃，而崩溃时，会有爆炸性射流产生，这个射流的时速高达几千公里以上，再坚硬的螺旋桨也经不起其长年累月的冲击。射流只是其中的一个伤害。气泡破灭时，还会产生爆炸性的冲击波。射流和冲击波是气泡损伤螺旋桨的根本原因；
B、效率下降：发生气泡之后，产生的大量气泡使螺旋桨的阻力加大、推力下降，从而大大降低螺旋桨的推进效率；
C、噪音和振动：大量气泡破裂时产生的噪音也是潜艇最主要的噪音来源，因为这会大大增加潜艇被敌方声呐探测到的机会。
发明内容
本发明提供了一种无轴承水下驱动装置，以解决现有技术中传统螺旋桨式的驱动器噪音大，容易产生气泡，最大驱动速度慢的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种无轴承水下驱动装置，包括水下驱动机构；所述水下驱动机构包括外壳、定子线圈、转子组件、驱动叶轮和浮动组件，所述定子线圈固定安装在所述外壳的内壁上；
所述转子组件转动连接在所述定子线圈的内侧，所述转子组件包括永磁环和叶轮转子，所述叶轮转子固定安装在所述永磁环的内侧，所述驱动叶轮安装在所述叶轮转子的内侧，所述浮动组件安装在所述外壳上，用于使所述转子组件悬浮在所述定子线圈的内侧并使所述转子组件与所述定子线圈无接触；
所述定子线圈和所述浮动组件均与外部的船体上的供电设备电连接。
进一步地，所述浮动组件包括固定架、前压水盖、后压水盖和水泵；
所述固定架安装在所述外壳的外表面上，所述水泵安装在外部的所述船体上，所述固定架上开第一进水孔，所述外壳上沿其前后方向开设第二进水孔，所述第一进水孔和所述第二进水孔连通；所述水泵的出水端与所述第一进水孔连通；
所述前压水盖、所述后压水盖分别安装在所述外壳的前后两端，所述前压水盖、所述后压水盖的内侧均开设有腔体，所述前压水盖、所述后压水盖的内壁上均开设有多个轴向出水孔和多个径向出水孔，多个所述轴向出水孔和多个所述径向出水孔均与对应的所述腔体导通；并均与所述第二进水孔导通。
进一步地，所述无轴承水下驱动装置还包括水感应开关，所述水感应开关安装在所水泵上，所述船体上的供电设备通过所述水感应开关与所述水泵电连接。
进一步地，所述水泵的出水压力在5～8Mpa之间。
进一步地，所述无轴承水下驱动装置还包括调速机构，所述调速机构安装在外部的所述船体上，所述船体上的供电设备通过所述调速机构与所述定子线圈电连接，用于调整所述转子组件的转速。
进一步地，所述叶轮转子采用分体式制造，其具体包括叶轮外圈和连接环，所述叶轮外圈的一端设置有外圈凸起，所述连接环可拆卸的安装在所述叶轮外圈的另一端上。
进一步地，所述驱动叶轮的数量设置有多组，多组所述驱动叶轮沿前后方向等距安装所述叶轮外圈的内壁上。
进一步地，所述驱动叶轮设置为四组，四组所述驱动叶轮均内置在所述叶轮外圈的内壁上。
进一步地，所述叶轮外圈为圆筒状，四组所述驱动叶轮上叶片的尖端均指向所述叶轮外圈的轴线。
进一步地，所述定子线圈采用具有防水的尼伦护套包裹的铜线或者铜排；所述尼伦护套的绝缘强度在2KV/mm以上。
本发明的有益效果：
1、本发明定子线圈和转子组件采用无轴承接触，相比传统的驱动器工作声音更小，更加环保，且最大的驱动速度更高；
2、本发明驱动叶轮设置为四组，且四组所述驱动叶轮上叶片的尖端均指向所述叶轮外圈的轴线，且驱动叶轮固定在叶轮转子的内圈上；驱动叶轮外圈旋转线速度大，其内圈线速度低，根据伯努利定律，外圈压强弱于内圈，因此气泡通常在水压较低的外圈产生，然而驱动叶轮外圈又固定在叶轮转子的内圈上，因此驱动叶轮外圈一部分被叶轮转子阻隔，不易产生气泡，降低了气泡噪音和气蚀影响；
3、由于本发明水下驱动机构没有大直径高刚度轴承，速度可以更高，相对传统驱动器和无轴泵推技术驱动器，体积可以制作的更小；且由于零部件之间没有摩擦，使得各零部件的使用寿命更长；
4、本发明上的定子线圈采用防水的尼伦护套包裹的铜线或者铜排，整个定子线圈可以不使用任何密封件放置水下工作，这样定子线圈工作时发热可自然水冷降低线圈温度，相比没有水冷的定子线圈，本发明上的定子线圈可以大电流供电；使得水下驱动机构的驱动功率更高，推力更大。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的A方向的向视图；
图3为图2中的C-C方向的剖视图；
图4为图3的D部位的局部放大示意图；
图5为图1的B-B方向的剖视图；
图6为图5中E部位的局部放大示意图；
图7为本发明的爆炸示意图；
图8为图7中F部位的局部放大示意图；
图9为图7中G部位的局部放大示意图；
图10为水下驱动机构的电路图；
图11为调速机构的调节原理图。
附图标记说明：
1、水下驱动机构；11、外壳；111、第二进水孔；12、定子线圈；13、转子组件；131、永磁环；132、叶轮转子；1321、叶轮外圈；1322、连接环；14、驱动叶轮；15、浮动组件；151、固定架；1511、第一进水孔；1512、进水弯道；1513、进线孔；152、前压水盖；153、后压水盖；1531、腔体；1532、轴向出水孔；1533、径向出水孔；154、水泵；
2、调速机构；3、第一开关。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。在本发明的描述中，相关方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，其中，“上”、“下”是指图1的上下方向，以图1为例，垂直纸面向上为上，垂直纸面向下为下，垂直纸面向左为左，垂直纸面向右为右，垂直纸面向内为前，垂直纸面向外为后，左右方向为横向，上下方向为竖向。需要理解的是，这些方位术语仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
另外，在本发明中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
第一实施例：
参照图1，本申请实施例提供了一种无轴承水下驱动装置，包括水下驱动机构1；所述水下驱动机构1包括外壳11、定子线圈12、转子组件13、驱动叶轮14和浮动组件15，所述定子线圈12固定安装在所述外壳11的内壁上；本实施例中，所述外壳11的形状可以是圆筒状、方形、三角形等，优选的，所述外壳11的形状为圆筒状；
所述转子组件13转动连接在所述定子线圈12的内侧，所述转子组件13包括永磁环131和叶轮转子132，所述叶轮转子132固定安装在所述永磁环131的内侧，所述驱动叶轮14安装在所述叶轮转子132的内侧，所述浮动组件15安装在所述外壳11上，用于使所述转子组件13悬浮在所述定子线圈12的内侧并使所述转子组件13与所述定子线圈12无接触；
所述定子线圈12和所述浮动组件15均与外部的船体上的供电设备电连接；本发明借助船体上的供电设备向所述定子线圈12供电，定子线圈12通电后会在其内部产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，定子线圈12内部的转子组件13高速转动，驱动叶轮14同步跟随转子组件13转动，使得水下驱动机构1产生推力，从而推动本发明运动。
所述浮动组件15包括固定架151、前压水盖152、后压水盖153和水泵154；所述固定架151安装在所述外壳11的外表面上，所述水泵154安装在外部的所述船体上，在本实施例中，所述固定架151固定安装在所述外壳1的中部外圈上，所述固定架151上开第一进水孔1511，所述外壳11上沿其前后方向开设第二进水孔111，所述第一进水孔1511和所述第二进水孔111连通；所述水泵154的出水端上安装有第一水管，所述水泵154通过第一水管与所述第一进水孔1511连通；所述水泵154选用高压水泵；
在本实施例中，所述第二进水孔111设置有两条，所述固定架151上还开设有两条进水弯道1512，两条进水弯道1512的两端均与所述第一进水孔1511连通，两条进水弯道1512的另一端分别与两条所述第二进水孔111连通；
所述前压水盖152、所述后压水盖153分别安装在所述外壳11的前后两端，所述前压水盖152、所述后压水盖153的内侧均开设有腔体1531，所述腔体1531设置为圆环状，所述前压水盖152、所述后压水盖153的内壁上均开设有多个轴向出水孔1532和多个径向出水孔1533，多个所述轴向出水孔1532和多个所述径向出水孔1533均与对应的所述腔体1531导通；并均与两条所述第二进水孔111连通。
为了减少压力损失，多个轴向出水孔1532和多个径向出水孔1533均采用圆柱形，在本实施例中，多个轴向出水孔1532和多个径向出水孔1533的直径分别相等；轴向出水孔1532和驱动叶轮14的页面截面积满足以下公式：
其中S1轴向出水孔1532的截面积，S2为轴向出水孔1532所在面和驱动叶轮14所在面之间，以r为半径，以h作为间隙厚度的圆柱面的面积，r指的是以轴向出水孔1532的轴线为圆心所作的圆柱面的直径，r1为轴向出水孔1532的半径，r2为驱动叶轮14液压区域内最大有效半径，h为轴向出水孔1532所在面和驱动叶轮14所在面之间的间隙厚度；驱动叶轮14所在面指的是圆形侧面，轴向出水孔1532所在面指的是驱动叶轮14的圆形侧面相对的一面。
根据伯努利定律：
其中P1为轴向出水孔1532中心点的出水压力，V1为轴向出水孔1532中心点的流速；P2为轴向出水孔1532中心点所在流线，以r为半径处的压力，V2为轴向出水孔1532中心点所在流线，以r为半径处的水流速；
P2为P1和h的函数，P1只需要给定一个变化范围，当驱动叶轮14在运动过程中，P1给定一个变化范围后，会通过变化厚度自动达到平衡；
流量守恒条件为：
S1v1＝S2v2 (A3)
通过方程(A1)，(A2)和(A3)可以获得由出水压力p1获得驱动叶轮14压力p2，而轴向出水孔1532对应驱动叶轮14区域的压力近似取为P1。
所述前压水盖152的外圈、所述后压水盖153的外圈与所述叶轮转子132的间距均在0.2～0.6mm之间。
本实施例中，所述浮动组件15的工作过程为：启动水泵154，水泵154将水快速抽入到所述第一进水孔1511内，第一进水孔1511内的水通过两条进水弯道1512分流，并经过对应的第二进水孔111快速进入到轴向出水孔1532或者径向出水孔1533内，水泵154抽入的水最终经过多个轴向出水孔1532和径向出水孔1533高速喷出，由于喷射压力大，且所述前压水盖152的外圈、所述后压水盖153的外圈与所述叶轮转子132的间距均在0.2～0.6mm之间，所以高速喷出的水给予转子组件13多个反向推力，使得转子组件13可悬浮在所述定子线圈12的内侧，即水下驱动机构1在静止状态和运动状态，所述转子组件13均不与所述定子线圈12接触。
参照图10，所述无轴承水下驱动装置还包括水感应开关，所述水感应开关安装在所水泵154上，所述船体上的供电设备通过所述水感应开关与所述水泵154电连接；通过设置水感应开关，能使用操作人员更加方便，无需单独开启水泵154，且能避免因为水泵154长期长期处于空载状态，造成水泵154受损，从而可以延长所述水泵154的使用寿命。
所述水泵154的出水压力在5～8Mpa之间，以保证所述水泵154的出水压力，从而使得本发明在运动状态时，转子组件13更好的悬浮在所述定子线圈12的内侧。
参照图5和图7，所述叶轮转子132采用分体式制造，其具体包括叶轮外圈1321和连接环1322，所述叶轮外圈1321的一端设置有外圈凸起，所述连接环1322可拆卸的安装在所述叶轮外圈1321的另一端上；叶轮转子132采用分体式制造，能便于叶轮转子132的安装和拆卸。
所述驱动叶轮14的数量设置有多组，多组所述驱动叶轮14沿前后方向等距安装所述叶轮外圈1321的内壁上，多组驱动叶轮14可以产生更大的推力，使得水下驱动机构1的最大速度更高。
所述驱动叶轮14设置为四组，四组所述驱动叶轮14均内置在所述叶轮外圈1321的内壁上；内置驱动叶轮14能避免其在转动过程中伤害到水里面的鱼类，提高所述驱动叶轮14的使用寿命。
参照图7，所述叶轮外圈1321为圆筒状，四组所述驱动叶轮14上叶片的尖端均指向所述叶轮外圈1321的轴线，且驱动叶轮14固定在叶轮转子132的内圈上；驱动叶轮14外圈旋转线速度大，其内圈线速度低，根据伯努利定律，外圈压强弱于内圈，因此气泡通常在水压较低的外圈产生，然而驱动叶轮14外圈又固定在叶轮转子132的内圈上，因此驱动叶轮14外圈一部分被叶轮转子132阻隔，不易产生气泡，降低了气泡噪音和气蚀影响；
所述定子线圈12采用具有防水的尼伦护套包裹的铜线或者铜排；所述尼伦护套的绝缘强度在2KV/mm以上。整个定子线圈12可以不使用任何密封件放置水下工作，这样定子线圈12工作时发热可自然水冷降低线圈温度，相比没有水冷的定子线圈12，本发明上的定子线圈12可以大电流供电；使得水下驱动机构1的驱动功率更高，推力更大。
第二实施例：
第二实施例在第一实施例的基础上新增调速机构2、第一开关3、KM1接触器、KM2接触器，以及对应的KM1开关、KM2开关；其具体的连接关系详见图10；参照图10，所述调速机构2安装在外部的所述船体上，所述船体上的供电设备通过所述调速机构2与所述定子线圈12电连接，用于调整所述转子组件13的转速。所述调速机构2选用高压高频变频器。
所述固定架151上开设有进线孔1513，所述调速机构2上的供电线通过固定架151上的进线孔1513与所述定子线圈12电连接。
本发明的工作过程为：
操作人员首先将本发明放入水中，让水泵154上面的水感应开关接触到水而闭合。按下第一开关3，KM1接触器得电，KM1开关闭合，使得KM1开关处于导通状态，水泵154开始工作，水泵154出水口回路里面的水压逐渐升高，当水压升高到安全水压值时，KM2接触器动作，使得KM2开关闭合处于连通状态；
在水泵154的水压达到安全值的同时，产生的高压水进入到所述第一进水孔1511内，第一进水孔1511内的水通过两条进水弯道1512分流，并经过对应的第二进水孔111快速进入到轴向出水孔1532或者径向出水孔1533内，水泵154抽入的水最终经过多个轴向出水孔1532和径向出水孔1533高速喷出，由于喷射压力大，且所述前压水盖152的外圈、所述后压水盖153的外圈与所述叶轮转子132的间距均在0.2～0.6mm之间，所以高速喷出的水给予转子组件13多个反向推力，使得转子组件13可悬浮在所述定子线圈12的内侧，即水下驱动机构1在静止状态和运动状态，所述转子组件13均不与所述定子线圈12接触；使得转子组件13悬浮在所述定子线圈12的内侧；
由于KM2接触器得电，接通了调速机构2和定子线圈12，调速机构2用于调整流经定子线圈12的电参数，定子线圈12通电后会在其内部产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，定子线圈12内部的转子组件13高速转动，驱动叶轮14同步跟随转子组件13转动，使得水下驱动机构1产生推力，从而推动本发明运动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不同限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种无轴承水下驱动装置，其特征在于：包括水下驱动机构(1)；所述水下驱动机构(1)包括外壳(11)、定子线圈(12)、转子组件(13)、驱动叶轮(14)和浮动组件(15)，所述定子线圈(12)固定安装在所述外壳(11)的内壁上；
所述转子组件(13)转动连接在所述定子线圈(12)的内侧，所述转子组件(13)包括永磁环(131)和叶轮转子(132)，所述叶轮转子(132)固定安装在所述永磁环(131)的内侧，所述驱动叶轮(14)安装在所述叶轮转子(132)的内侧，所述浮动组件(15)安装在所述外壳(11)上，用于使所述转子组件(13)悬浮在所述定子线圈(12)的内侧并使所述转子组件(13)与所述定子线圈(12)无接触；
所述定子线圈(12)和所述浮动组件(15)均与外部的船体上的供电设备电连接。
2.根据权利要求1所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，所述浮动组件(15)包括固定架(151)、前压水盖(152)、后压水盖(153)和水泵(154)；
所述固定架(151)安装在所述外壳(11)的外表面上，所述水泵(154)安装在外部的所述船体上，所述固定架(151)上开第一进水孔(1511)，所述外壳(11)上沿其前后方向开设第二进水孔(111)，所述第一进水孔(1511)和所述第二进水孔(111)连通；所述水泵(154)的出水端与所述第一进水孔(1511)连通；
所述前压水盖(152)、所述后压水盖(153)分别安装在所述外壳(11)的前后两端，所述前压水盖(152)、所述后压水盖(153)的内侧均开设有腔体(1531)，所述前压水盖(152)、所述后压水盖(153)的内壁上均开设有多个轴向出水孔(1532)和多个径向出水孔(1533)，多个所述轴向出水孔(1532)和多个所述径向出水孔(1533)均与对应的所述腔体(1531)导通；并均与所述第二进水孔(111)导通。
3.根据权利要求2所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，还包括水感应开关，所述水感应开关安装在所水泵(154)上，所述船体上的供电设备通过所述水感应开关与所述水泵(154)电连接。
4.根据权利要求2所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，所述水泵(154)的出水压力在5～8Mpa之间。
5.根据权利要求1所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，还包括调速机构(2)，所述调速机构(2)安装在外部的所述船体上，所述船体上的供电设备通过所述调速机构(2)与所述定子线圈(12)电连接，用于调整所述转子组件(13)的转速。
6.根据权利要求1所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，所述叶轮转子(132)采用分体式制造，其具体包括叶轮外圈(1321)和连接环(1322)，所述叶轮外圈(1321)的一端设置有外圈凸起，所述连接环(1322)可拆卸的安装在所述叶轮外圈(1321)的另一端上。
7.根据权利要求6所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，所述驱动叶轮(14)的数量设置有多组，多组所述驱动叶轮(14)沿前后方向等距安装所述叶轮外圈(1321)的内壁上。
8.根据权利要求7所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，所述驱动叶轮(14)设置为四组，四组所述驱动叶轮(14)均内置在所述叶轮外圈(1321)的内壁上。
9.根据权利要求7所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，所述叶轮外圈(1321)为圆筒状，四组所述驱动叶轮(14)上叶片的尖端均指向所述叶轮外圈(1321)的轴线。
10.根据权利要求1至9任一项所述的无轴承水下驱动装置，其特征在于，所述定子线圈(12)采用具有防水的尼伦护套包裹的铜线或者铜排；所述尼伦护套的绝缘强度在2KV/mm以上。
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