CN116443228A - 船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：包括用于与船体固定连接的导管组件、设置在导管组件内腔中的转子环组件，用于支撑转子环组件的轮毂组件，所述轮毂组件通过支撑件与导管组件相连，所述的导管组件包括导管，在导管内腔设有用于产生周期感应电场的金属极板组件，在金属极板组件内腔内两侧对称设有两组绕线相反的励磁绕组，所述转子环包括安设在两励磁绕组之间的转子环以及与金属极板组件相配置的转子极板组件。本发明电机定子励磁绕组轴向布置，充分利用了空间，还使得导管轻薄，减小了阻力，因而具有占用空间小、推进效率高、推力大、使用寿命长、易维修等优点，特别适合需要大功率电力推进器的船舶使用。
Description
技术领域
本发明属于船舶推进器领域，具体而言，涉及一种船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器。
背景技术
近年来，随着海军国防建设需要和水上贸易的发展，船舶推进装置性能的要求越来越高，传统的轴驱式推进器的劣势逐渐凸显，已经无法更好地满足工作要求。例如传统轴驱式推进器部件多、结构复杂、船舱占用空间大、能量损耗大，振动和噪声控制困难、建造和维护成本高等，这些缺陷导致人们逐渐将目光转向更加先进的无轴推进系统。
目前无轴轮缘驱动推进器为永磁电机驱动，利用导管中径向布置的励磁绕组驱动永磁体制成的转子环转动产生推力。欧洲专利《Shaftless Propeller》(EP1739007A1)、中国专利《船用永磁电机推进器螺旋桨》(CN104326073A)和中国专利《船用永磁电机推进器》(CN104333172A)均为永磁电机推进器，这种推进将电机定子设置在圆柱形壳体中，螺旋桨桨叶与电机转子相连后安装在壳体中空部位，电机通电后转子带动桨叶旋转产生推力。这种无毂结构有利于减小阻力和解决杂物或线缆缠绕的问题，但受电机尺寸限制，推进器功率有限。而且桨叶产生的推力一般由转子两端的水润滑动压轴承承担，轴承承载面积受壳体厚度限制，承载能力较小，也限制了大功率无轴推进器的发展。中国专利《无轴驱动式集成电机推进器》(CN102632982A)是一种有毂式轮缘驱动推进器，该推进器还保留有轮毂，安装在轮毂中的轴不旋转，而用于安装支撑轴承和传递推力；这种结构虽然有利于提高轴承的承载能力，但仍未解决因电机尺寸过小与转子永磁铁磁场强度不够导致的功率受限问题。相对与此，本发明提出了一种船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器。
发明内容
本申请的目的在于提供一种能提高无轴轮缘推进器的效率和功率的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器。
本申请是这样实现的：
船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：包括用于与船体固定连接的导管组件、设置在导管组件内腔中的转子环组件，用于支撑转子环组件的轮毂组件，所述轮毂组件通过支撑件与导管组件相连，所述的导管组件包括导管，在导管内腔设有用于产生周期感应电场的金属极板组件，在金属极板组件内腔内两侧对称设有两组绕线相反的励磁绕组，所述转子环包括安设在两励磁绕组之间的转子环以及与金属极板组件相配置的转子极板组件。
在一些可选的实施方案中，所述金属极板组件包括沿导管内腔壁设置的金属片组以及沿金属片组周向方向设置的导管大极板，所述导管大极板与交流电源相连。
在一些可选的实施方案中，所述金属片组呈U形设置，两励磁绕组分别与U行金属片组的两侧壁相抵接。
在一些可选的实施方案中，所述转子极板组件包括分别沿转子环外周和内周设置的转子外极板和转子内极板。
在一些可选的实施方案中，所述轮毂组件包括轮毂和设置在轮毂上的支撑轴承和推力轴承，所述转子环通过叶轮与支撑轴承相连，所述推力轴承设置在支撑轴承的两端，包括与支撑轴承相连的推力盘和与轮毂相配置的推力瓦。
在一些可选的实施方案中，所述支撑件为在轮毂两端对称设置的导叶，所述导叶的另一端与导管的两端相连。
在一些可选的实施方案中，所述的转子环、导管表面、支撑轴承、推力轴承表面均设有防护层。
在一些可选的实施方案中，所述交流电源的一端接地。
在一些可选的实施方案中，转子环内侧两边各设一缺角，对应的缺角处为导管凸出的两个角，在两个角内各连接一个金属环；所述交流电源一端接导管大极板，另一端分别与两金属环相连。
在一些可选的实施方案中，在转子环内侧两边各设有一个凹陷处，导管的两端对应凹陷处分别设有凸出的两块凸出极板；所述交流电源一端接导管大极板，另一端分别接两块凸出大极板。
本申请中，由导管中的极板与励磁绕组产生周期性的电场与磁场驱动绕有线圈的转子环带动叶轮转动，形成的一种大功率、高效率、稳定性好和集成度高的新型推进器，即船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器。
本申请的有益效果是：
1.原有的永磁电机推进器因为电机定子径向布置，由于导管尺寸限制，其尺寸不可能做大，还增大了导管径向尺寸，增大了阻力；本发明电机定子励磁绕组轴向布置，充分利用了空间，还使得导管轻薄，减小了阻力，因而具有占用空间小、推进效率高、推力大、使用寿命长、易维修等优点，特别适合需要大功率电力推进器的船舶使用。
2.永磁铁的磁场强度极限不高，再加上电机尺寸受限，故其功率受到限制，不可能做的很大；本发明采用励磁绕组产生磁场，磁场强度上限更高，通过电场使得转子环中产生感应电流，电场强度可以很大，且可以轻易通过增加转子环尺寸来增加转子环内部线圈数量来提高功率，功率上限比原有的永磁电机推进器高很多。
3.本发明为非接触式感应励磁电机，转子环在电场与磁场作用下转动，与导管不需要有任何接触，推力由轮毂承载，因而减少了部件，减小磨损，稳定性和使用寿命都能大大提高，在海水条件下具有很大的优势；
4.本发明接触式部件只有中间的轮毂，而推进器最容易出现故障的就是接触式相对运动部件。轮毂在整个设计中影响很小，且为组合式安装，修理简单，因此该推进器具有使用寿命长的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的导管组件局部结构示意图。
图3是本发明的轮毂组件局部结构示意图。
图4是本发明转子环轴向方向在磁场与电场共同作用下的示意图
图5是本发明转子环轴向方向在磁场与电场转变方向后共同作用下的示意图
图6是本发明励磁绕组与U形铁片安装位置的三维图
图7是船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器-Ⅱ型的总体结构示意图。
图8是船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器-Ⅱ型的导管组件局部结构示意图。
图9是船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器-Ⅲ型的总体结构示意图。
图10是船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器-Ⅲ型的导管组件局部结构示意图。
图中：1.导管；2.励磁绕组；3.交流电源；4.接地；5.导管大极板；6.转子环外极板；7.转子环内极板；8.U形铁片；9.转子环内部线圈；10.导叶；11.轮毂；12.叶轮；13.推力盘；14.推力瓦；15.支撑轴承；16.转子环；17.金属环；18.凸出极板。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：包括用于与船体固定连接的导管组件、设置在导管组件内腔中的转子环组件，用于支撑转子环组件的轮毂组件，所述轮毂组件通过支撑件与导管组件相连。
具体的，所述的导管组件包括导管1，在导管1内腔设有用于产生周期感应电场的金属极板组件，在金属极板组件内腔内两侧对称设有两组绕线相反的励磁绕组。两励磁绕组呈轴向方向设置。本实施例中，所述金属极板组件包括沿导管内腔壁设置的U形金属片组8以及沿金属片组周向方向设置的导管大极板5，所述导管大极板5与交流电源3相连。如图6所示，励磁绕组2对称布置，每一组励磁绕组2布置成圆周阵列，两励磁绕组分别与U行铁片组的两侧壁相抵接，U形铁片8组作为软磁材料连接两组励磁绕组2可以有效提高磁场强度，生成覆盖转子环区域的高强度环柱形磁场。所述金属片组可以的金属材料可以为银、铜、金、铝、镍、铁中的任一一种，只要和电容材料一样，导电性能好即可，本实施例以铁片组为例进行说明。
所述转子环包括安设在两励磁绕组之间的转子环16以及与金属极板组件相配置的转子极板组件。本实施例中，所述转子极板组件包括分别沿转子环外周和内周设置的转子外极板6和转子内极板7。
所述的导管大极板5连接交流电源3，该交流电源3另一端接地4，导管大极板5放置在正对于转子环外极板6的导管内侧表面，通过交流电源3周期性对导管大极板5进行充放电产生周期性的感应电场，使得转子环内部线圈9周期性产生感应电流，转子环外极板6和转子环内极板7的作用是存储电荷，保证感应电流的持续稳定，提高感应电流强度。
如图4所示，轴向方向在垂直于纸面向里的磁场中，转子环内部线圈9由于径向向外的电场产生径向向外的感应电流，由左手定则可知，安培力的方向如图所示，安培力产生的力矩会让转子环16逆时针转动。
如图5所示，当电场方向改变，磁场方向也跟着改变。此时电场方向为径向向内，转子环内部线圈9由于电场方向改变感应电流方向也变为径向向内，由于磁场方向也改变了，变成垂直于纸面向外，由左手定则可知，安培力的方向如图所示没有改变，安培力产生的力矩同样会让转子环16逆时针转动，这样就能保证转子环带动叶轮稳定转动。
所述轮毂组件包括轮毂11和设置在轮毂上的支撑轴承15和推力轴承，所述转子环16通过叶轮12与支撑轴承15相连，所述推力轴承设置在支撑轴承15的两端，包括与支撑轴承相连的推力盘13和与轮毂相配置的推力瓦14。因为本发明功率比较大，且转子环16两端有磁场产生，故在转子环16两端放置推力轴承明显不合适，因而本发明具备中间的轮毂11和导叶10结构，所述轮毂组件包括轮毂11和设置在轮毂上的支撑轴承15和推力轴承，所述转子环16通过叶轮12与支撑轴承15相连，所述推力轴承设置在支撑轴承15的两端，包括与支撑轴承相连的推力盘13和与轮毂相配置的推力瓦14，安装在轮毂11中的轴不旋转，而用于安装支撑轴承15和传递推力。
本发明提供的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其工作时，通电的励磁绕组2产生环柱形磁场，导管大极板5充电产生电场，转子环内部线圈9因电场产生感应电流，通电的导体又受到磁场作用的安培力带动转子环16转动；当导管大极板5放电后带另一种电荷时，转子环内部线圈9因电场产生的感应电流也随之转向，但此时磁场方向也改变了，故磁场对转子环内部线圈9产生的安培力方向不变，转子环16稳定转动；转子环16带动叶轮12拨水受到水的反作用推力，推力通过轮毂11中的推力轴承传递给轮毂11，轮毂11又通过导叶10将推力传给导管及船体。
本实施例中，所述的中间轮毂11为组合式安装部件，可以拆卸和更换。
本实施例中，所述的转子环16、导管表面11、支撑轴承15、推力轴承-推力盘13、推力轴承-推力瓦14表面皆有防护层，海水通过间隙来散热与润滑。
实施例2
本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：在转子环16内侧两边各设一个缺角，对应的缺角处为导管1凸出的两个角，在两个角内各连接有一个金属环17；此时的交流电源3一端接导管大极板5，另一端不接地，分别接两个金属环17；本设计中转子环16所在区域的电场不再仅由导管大极板5产生，而由带不同电荷的导管大极板5和金属环17共同产生。因此电场强度更大，转子环内部线圈9产生的感应电流更大，受到磁场的安培力也更大，转动产生的推力也更大，因而功率更高，命名为船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器-Ⅱ型。
实施例3：
本实施例与实施例1的结构基本相同，不同之处在于：在转子环16内侧两边各设有一个凹陷处，导管的两端对应凹陷处分别设有凸出的两块凸出极板18；此时的交流电源一端接导管大极板5，另一端不接地，接凸出的两块凸出极板18；本设计中转子环16所在区域的电场不再仅由导管大极板5产生，而由带不同电荷的导管大极板5和凸出极板18共同产生。因此电场强度更大，转子环内部线圈9产生的感应电流更大，受到磁场的安培力也更大，转动产生的推力也更大，因而功率最高，命名为船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器-Ⅲ型。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：包括用于与船体固定连接的导管组件、设置在导管组件内腔中的转子环组件，用于支撑转子环组件的轮毂组件，所述轮毂组件通过支撑件与导管组件相连，所述的导管组件包括导管，在导管内腔设有用于产生周期感应电场的金属极板组件，在金属极板组件内腔内两侧对称设有两组绕线相反的励磁绕组，所述转子环包括安设在两励磁绕组之间的转子环以及与金属极板组件相配置的转子极板组件。
2.根据权利要求1所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：所述金属极板组件包括沿导管内腔壁设置的金属片组以及沿金属片组周向方向设置的导管大极板，所述导管大极板与交流电源相连。
3.根据权利要求2所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：所述金属片组呈U形设置，两励磁绕组分别与U行金属片组的两侧壁相抵接。
4.根据权利要求2或3所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：所述转子极板组件包括分别沿转子环外周和内周设置的转子外极板和转子内极板。
5.根据权利要求1或2所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：所述轮毂组件包括轮毂和设置在轮毂上的支撑轴承和推力轴承，所述转子环通过叶轮与支撑轴承相连，所述推力轴承设置在支撑轴承的两端，包括与支撑轴承相连的推力盘和与轮毂相配置的推力瓦。
6.根据权利要求5所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：所述支撑件为在轮毂两端对称设置的导叶，所述导叶的另一端与导管的两端相连。
7.根据权利要求5所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：所述的转子环、导管表面、支撑轴承、推力轴承表面均设有防护层。
8.根据权利要求2所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：所述交流电源的一端接地。
9.根据权利要求2所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：转子环内侧两边各设一缺角，对应的缺角处为导管凸出的两个角，在两个角内各连接一个金属环；所述交流电源一端接导管大极板，另一端分别与两金属环相连。
10.根据权利要求2所述的船舶大功率非接触式感应励磁轮缘推进器，其特征在于：在转子环内侧两边各设有一个凹陷处，导管的两端对应凹陷处分别设有凸出的两块凸出极板；所述交流电源一端接导管大极板，另一端分别接两块凸出大极板。
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2023
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