CN117977872A - 变速组合水下对转推进电机及其控制方法、水下装备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了变速组合水下对转推进电机及其控制方法、水下装备，属于水下装备电机设计技术领域，目的有三个：一是在具备大功率输出能力的同时能够提高低功率的效率，实现大功率跨度；二是实现同轴切换输出；三是考虑水下装备内的安装空间，在稳固水下装备姿态的前提下，实现高效航行，确保水下装备的长航程、低能耗。本发明通过两个超越离合器将大功率对转电机和小功率对转电机进行合理嵌套组合，可根据不同工况，通过控制策略将两个超越离合器同时接合或同时断开，实现两个对转电机同轴切换输出，使得水下装备在低速区间使用小功率对转电机输出，高速区间使用大功率对转电机输出，全程保持高航行效率。

Description

变速组合水下对转推进电机及其控制方法、水下装备

技术领域

本发明属于水下装备电机设计技术领域，具体涉及变速组合水下对转推进电机及其控制方法、水下装备，具备动力输出被动切换功能。

背景技术

水下航行器是指一种主要以潜艇或水面舰船为支援平台，长期在水下自助航行并可回收的智能装备，能够完成水下勘探侦测等多种重要任务。按照动力类型，可以分为电动力水下航行器和热动力水下航行器两种。其中，热动力水下航行器存在航行噪声大、控制不精细、易暴露航行轨迹等缺点。当前，水下航行器的动力推进系统主要是以电动力为主，使用电池驱动电机来为水下航行器的航行提供动力。虽然常见的电机都可以用作水下航行器的推进电机，但因水下航行器的特点，需要在有限的空间中获得更大的功率密度和扭矩密度，因此，有着输出功率高、占用空间小、能够同轴反向双输出优点的对转推进电机被广泛用于水下航行器中。

水下航行器在低速航行时，所需要的电机扭矩小，在高速航行时，所需要的转矩和功率会急剧增大。本领域中通常航行器高速指的是大于舰船的航速，一般大于30kn,之所以设置为该速度，是因为只有高于舰船速度，才能实现和己方舰船的协同作业或者对敌方舰船进行打击，航行器低速指的是5kn左右。水下航行器的航行阻力和速度的平方成正比，而所需的功率和速度的三次方成正比。具有高航速的水下航行器例如鱼雷，其低速巡航与高速追踪的效率跨度有上百倍，而低速巡航占据水下航行器工作全周期的绝大部分时间，因此，具有大功率输出能力，满足高速追踪需求，且同时能提高水下航行器低速航行效率对于提高水下航行器巡航能力具有重大意义。

中国专利申请CN117013752A中提供了一种大功率跨度的组合变速水下推进电机，该技术方案为解决现有水下推进电机难以提高低功率状态下效率的问题，采用了组合电机，分别是大功率电机和小功率电机，并将两个电机进行并列设置（即共轴串联），通过两个离合器分别控制两个电机的输出轴实现大小电机的切换。然而这种方案在应用过程中，存在一些弊端：首先，该设计形式占据较多的安装空间，不利于水下航行器其他元件的排布；其次，该推进电机采用单轴单桨结构，效率较低，并且为了稳固水下航行器的姿态，此类单桨水下航行器需要不断调节其鳍板，这无疑也会增加水下航行器的耗能，削减航程。

鉴于此，本发明研究团队认为仍有必要综合现有技术存在的各种问题，研发一种在具备大功率输出能力的同时能够提高低功率效率的新型推进电机，并且该电机不仅能使水下航行器实现高效航行，还能够确保水下航行器的长航程。

发明内容

本发明提供了变速组合水下对转推进电机及其控制方法、水下装备，目的有三个：一是在具备大功率输出能力的同时能够提高低功率的效率，实现大功率跨度；二是实现同轴切换输出；三是考虑水下装备内的安装空间，在稳固水下装备姿态的前提下，实现高效航行，确保水下装备的长航程、低能耗。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

变速组合水下对转推进电机，其特殊之处在于：包括电机壳体、主级内轴15、次级内轴20、外轴14、大功率对转电机、小功率对转电机、第一超越离合器26、第二超越离合器16、第一电刷3、第一滑环2以及第二电刷滑环组件17；

所述次级内轴和主级内轴依次同轴设置在电机壳体内，次级内轴和主级内轴无接触；

所述外轴同轴套装在主级内轴外，外轴和主级内轴向外输出相反的扭矩；

所述小功率对转电机的小功率内转子组件和小功率外转子组件分别通过主级内轴和外轴向外输出动力，且小功率外转子组件能相对于次级内轴转动；

所述大功率对转电机整体同轴套装在小功率对转电机外侧，其中的大功率内转子组件和大功率外转子组件分别通过主级内轴和外轴向外输出动力，且大功率外转子组件能相对于次级内轴和电机壳体转动；

所述第一超越离合器用于连接和断开次级内轴与小功率内转子组件；

所述第二超越离合器用于连接和断开外轴与大功率外转子组件；

所述第一电刷和第一滑环配合，用于给大功率对转电机供电；

所述第二电刷滑环组件用于给小功率对转电机供电；

当小功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器和第二超越离合器同时断开，小功率外转子组件将动力传递至外轴，小功率内转子组件将动力传递给主级内轴；

当大功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器和第二超越离合器同时接合，大功率外转子组件通过第二超越离合器将动力传递给外轴，大功率内转子组件依次通过次级内轴、第一超越离合器以及小功率内转子组件将动力传递给主级内轴。

进一步地，定义：对转推进电机动力输出的方向为后侧；

所述电机壳体包括依次连接的电机前端盖、电机机壳和电机后端盖；电机壳体内腔通过环形安装板分隔为同轴设置的主级安装空间和次级安装空间；

所述主级内轴和外轴由内向外同轴安装在电机后端盖上，且两个轴的非驱动端均位于主级安装空间内。

进一步地，所述小功率内转子组件包括小功率内转子和小功率内转子安装支架；小功率外转子组件包括小功率外转子、小功率外转子前端盖和小功率外转子安装板；所述小功率内转子通过小功率内转子安装支架25同轴固定在主级内轴15的前端面（即小功率内转子安装支架25固定在主级内轴15的前端面，小功率内转子固定在小功率内转子安装支架25上），且小功率内转子安装支架25与次级内轴20之间通过第一超越离合器26实现接合与断开，也就是说，小功率内转子安装支架25不仅仅用于固定小功率内转子，还能够起到联轴器的作用，在需要的时候能够将次级内轴20和主级内轴15连接起来；小功率外转子13通过小功率外转子前端盖23和小功率外转子安装板12同轴套装在小功率内转子外侧，其中，小功率外转子前端盖23安装在次级内轴20上，能够相对于次级内轴20旋转；小功率外转子安装板12的前端与小功率外转子前端盖23固定，后端与外轴14固定。

进一步地，所述大功率内转子组件包括大功率内转子和大功率内转子端盖；大功率外转子组件包括大功率外转子、大功率外转子前端盖、大功率外转子安装板和大功率外转子后端盖；

所述大功率内转子11通过大功率内转子端盖21同轴套装在小功率对转电机外侧（大功率内转子11固定在大功率内转子端盖21上），且大功率内转子端盖21通过平键固定装配在次级内轴20上，大功率内转子11、大功率内转子端盖21与次级内轴20能够同步旋转；大功率外转子10通过大功率外转子前端盖6、大功率外转子安装板9和大功率外转子后端盖27同轴套装在大功率内转子11外侧，且大功率外转子后端盖27与外轴14之间通过第二超越离合器16实现接合与断开。

进一步地，所述次级内轴同轴安装在大功率外转子前端盖的后端，并伸至主级内轴的前端面处，两者无接触，能够相对于大功率外转子前端盖旋转。

进一步地，所述第一滑环安装在大功率外转子前端盖的前端，第一电刷对应于第一滑环安装在次级安装空间的电机机壳上；

所述第二电刷滑环组件安装在大功率外转子后端盖与电机后端盖之间。由上述的结构可知，大功率对转电机和小功率对转电机在第二超越离合器16的作用下能够共用外轴14输出，在次级内轴20、第一超越离合器26以及小功率内转子安装支架25的作用下能够共用主级内轴15输出；具体地：

当小功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器26和第二超越离合器16同时处于断开状态，此时，小功率外转子前端盖23相对于次级内轴20旋转，小功率外转子13通过小功率外转子安装板12将动力传递至外轴14，小功率内转子通过小功率内转子安装支架25将动力传递给主级内轴15。

当大功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器26和第二超越离合器16同时处于接合状态，大功率外转子前端盖6相对于次级内轴20和环形安装板4旋转，大功率外转子10依次通过大功率外转子后端盖27、第二超越离合器16将动力传递给外轴14，大功率内转子11依次通过大功率内转子端盖21、次级内轴20、第一超越离合器26以及小功率内转子安装支架25将动力传递给主级内轴15；此时，小功率对转电机虽然没有供电，但是小功率内转子和小功率外转子13会分别跟随主级内轴15和外轴14同步转动。

进一步地，所述环形安装板4和电机后端盖19上同轴开设有第一安装孔30和第二安装孔31，分别用于安装大功率外转子前端盖6和外轴14，即大功率外转子前端盖6通过第一安装孔30旋转安装在环形安装板4上，外轴14通过第二安装孔31旋转安装在电机后端盖19上。

进一步地，所述大功率外转子前端盖6与环形安装板4之间、次级内轴20与大功率外转子前端盖6之间、小功率外转子前端盖23与次级内轴20之间、主级内轴15与外轴14之间、外轴14与电机后端盖19之间均通过轴承连接。

进一步地，所述电机前端盖1和电机后端盖19上均匀设计有多个减重散热孔。

进一步地，所述小功率内转子采用永磁体，小功率外转子13采用铁芯绕组形式；所述大功率内转子11采用永磁体，大功率外转子10采用铁芯绕组形式。由于小功率对转电机位于大功率对转电机的内部，故小功率电机尺寸不宜过大，需在功率已经确定的情况下，调整长细比，使整体结构更加合理，紧凑。

此外，本发明还提供了上述变速组合水下对转推进电机的控制方法，其特殊之处在于，包括以下情况：

情况一：

小功率对转电机处于供电负载，大功率对转电机处于停止供电时，实时采集水下装备的航速：

若需要加速则加大此时小功率对转电机电压，若需要减速则减小此时小功率对转电机电压；

当水下装备航速大于等于阈值时，检测水下装备的加速度；

若根据加速度判断水下装备处于加速状态，则维持小功率对转电机转速，启动大功率对转电机；

当大功率对转电机的转速等于当下小功率对转电机的转速时，第一超越离合器26和第二超越离合器16同时接合，大功率对转电机接管此时航行的动力输出，同时给小功率对转电机停止供电，由大功率对转电机加速直至目标航速；也就是说，大功率对转电机在启动之后在转速等于小功率对转电机的时候接管动力，接管之后小功率对转电机虽然不供电，但仍会跟随着大功率对转电机一起转动，即此时两个对转电机的转速相等；那么，为了防止出现因转速超过小功率对转电机额定转速而产生超高反电动势击穿小功率对转电机绝缘的情况，可通过提高小功率对转电机绝缘等级以及在第二电刷滑环组件与小功率对转电机控制单元之间设置继电器的方式避免，在给小功率对转电机停止供电的同时可断开继电器，避免击穿小功率对转电机绝缘以及小功率对转电机控制单元；

若根据加速度判断水下装备处于巡航状态，则小功率对转电机仍为动力输出电机，维持航速；大功率对转电机仍停止供电；

若根据加速度判断水下装备处于减速状态，则小功率对转电机仍为动力输出电机，减速直至目标航速；大功率对转电机仍停止供电；

所述阈值是指小功率对转电机功率利用率大于大功率对转电机功率利用率且损耗小时所对应的水下装备最高航速，也就是说，水下装备航速在小于等于该最高航速时，小功率对转电机的效率高于大功率对转电机，而水下装备航速在大于该最高航速时，大功率对转电机的效率高于小功率对转电机；

情况二：

大功率对转电机处于供电负载，小功率对转电机处于停止供电时，实时采集水下装备的航速：

若需要加速则加大此时大功率对转电机电压，若需要减速则减小此时大功率对转电机电压；

当水下装备航速小于等于阈值时，检测水下装备的加速度；

若根据加速度判断水下装备处于减速状态，则启动小功率对转电机，同时停止大功率对转电机供电，小功率对转电机接管此时航行的动力输出，减速直至目标航速；在小功率对转电机供电之前，其虽然没有动力输出，但因为共用输出的主级内轴和外轴，小功率对转电机也是一直同步跟随旋转，因此，小功率对转电机只要供电便能立即接管输出，并无滞后；

若根据加速度判断水下装备处于恒速状态，则大功率对转电机仍为动力输出电机，维持航速；小功率对转电机仍停止供电；

若根据加速度判断水下装备处于加速状态，则大功率对转电机仍为动力输出电机，加速直至目标航速；小功率对转电机仍停止供电。

进一步地，所述阈值为10kn，即在0-10kn小功率对转电机的效率高于大功率对转电机，在10kn以上大功率对转电机的效率高于小功率对转电机；

在进行加速度判断时，以0作为判断依据，且持续检测加速度大小的时长不少于10s。

同时，本发明还提供了一种采用上述变速组合水下对转推进电机的水下装备，该水下装备为水下航行器。

本发明构思和工作原理为：

从应用层面考虑，若要提升水下装备的效率，能够同轴反向双输出、对转螺旋桨的对转电机是首选，但恰恰也是因为该类型电机具备对转能力，其结构更为复杂，需要两个输出轴同时反向转动输出扭矩，若直接借鉴上述专利文献CN117013752A的思路，仅考虑通过超越离合器实现大小对转电机的切换，是非常困难的，无法实现大小两个对转电机的可靠切换。如果通过常规设计改型可能可以将大小两个对转电机组合而得到整个水下推进电机，但是却会导致整个水下推进电机结构复杂、控制策略复杂甚至无法可靠切换、尺寸过大，从而导致其无法适用于对空间、质量及可靠性有较高要求的水下装备。为此，本发明通过两个超越离合器将大功率对转电机和小功率对转电机进行合理嵌套组合，可根据不同工况，通过控制策略将两个超越离合器同时接合或同时断开，以实现大功率对转电机和小功率对转电机同轴切换输出。

在大功率对转电机转速等于小功率对转电机转速时，两个超越离合器同时接合，停止小功率对转电机供电，小功率对转电机无输出，由大功率对转电机接管输出动力；其中，在第一超越离合器的辅助下，大功率内转子组件将动力传递给主级内轴；在第二超越离合器的辅助下，大功率外转子组件将动力传递给外轴；如此，不仅实现大功率输出，还能够达到高速航行时高效航行效率的效果，并且降低能耗。低速航行下，停止大功率对转电机供电，两个超越离合器同时断开，大功率对转电机无输出，由小功率对转电机接管输出动力，小功率内转子组件将动力传递给主级内轴，小功率外转子组件将动力传递给外轴，大幅提升了低速航行效率，充分利用了低功率，满足低速远程巡航，且降低能耗。

本发明的优点为：

1.本发明设计的变速组合水下对转推进电机能够使得水下装备在需要高功率和低功率时都能保持较高的航行效率，且在需要不同工况时通过机械结构的变换切换输出电机（通过两个超越离合器的同时接合和同时断开控制大功率对转电机和小功率对转电机的输出），能够提高水下装备推进系统的整体性能和适应能力。该变速组合水下对转推进电机将两个功率不一、有大有小的对转电机同心同轴装配，大功率对转电机套装在小功率对转电机外侧。由于对转电机存在相互对转的内、外输出轴，在进行大功率对转电机和小功率对转电机共轴输出组合设计时，需要根据两个电机的内输出轴和外输出轴的转动切换关系，确定超越离合器设置位置，并对结构布局进行融合设计，并非简单地将大小对转电机进行组合。结合控制策略，经合理布局后，该变速组合水下对转推进电机整体结构紧凑，不仅占用空间小，能够为其他部件预留出装配空间，还能够对转螺旋桨，效率更高，且不需要通过调整鳍板来维持水下装备的稳定，节省能量，因此，本发明变速组合水下对转推进电机在稳固水下装备姿态的前提下，能够实现高效航行，确保水下装备的长航程、低能耗，提高电机在整个工作区间内的效率。

2.航速在0-阈值之间，小功率对转电机的效率高于大功率对转电机且损耗小，航速在阈值以上，大功率对转电机的效率高于小功率对转电机；本发明根据结构设计通过控制策略控制水下装备在相对的低速区间使用小功率对转电机输出，相对的高速区间使用大功率对转电机输出，全程保持高航行效率、低能耗，以便实现长航程的目标。

3.在水下航行任务中，电力故障可能会导致水下航行器无法正常工作，本发明相较于传统电机拥有两种动力输出方式，不仅具有切换输出能力，应对不同工况的动力输出方案，还可根据海况选择合适的动力输出，满足不同的任务需求。即使其中一个动力输出出现故障，另一个动力输出仍然能够继续提供动力支持，增加了水下航行器的安全性和可靠性。

4.在对本发明变速组合水下对转推进电机的控制过程中，不仅要对水下装备的航速进行检测，还要对水下装备的加速度进行检测，主要是因为海上航行环境恶劣，航速势必会有所波动，若仅依靠航速作为变速切换的依据，有可能会造成动力输出在短时间内频繁切换的情况。

附图说明

图1为本发明变速组合水下对转推进电机结构的轴向剖视图；

附图标记如下：

1-电机前端盖，2-第一滑环、3-第一电刷、4-环形安装板、5-第一轴承、6-大功率外转子前端盖、7-第二轴承、8-电机机壳、9-大功率外转子安装板、10-大功率外转子、11-大功率内转子、12-小功率外转子安装板、13-小功率外转子、14-外轴、15-主级内轴、16-第二超越离合器、17-第二电刷滑环组件、18-第三轴承、19-电机后端盖、20-次级内轴、21-大功率内转子端盖、22-第四轴承、23-小功率外转子前端盖、24-小功率外转子绕组、25-小功率内转子安装支架、26-第一超越离合器、27-大功率外转子后端盖、28-主级安装空间、29-次级安装空间、30-第一安装孔、31-第二安装孔、32-第五轴承。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

以水下航行器为例，图1所示结构为该水下航行器中使用的变速组合水下对转推进电机，其包括电机壳体、主级内轴15、次级内轴20、外轴14、大功率对转电机、小功率对转电机、第一超越离合器26、第二超越离合器16、第一电刷3、第一滑环2以及第二电刷滑环组件17。

定义：对转推进电机动力输出的方向为后侧。

电机壳体包括依次连接的电机前端盖1、电机机壳8和电机后端盖19；电机壳体内腔通过环形安装板4分隔为同轴设置的主级安装空间28和次级安装空间29；环形安装板4和电机后端盖19上同轴开设有第一安装孔30和第二安装孔31，同时，电机前端盖1和电机后端盖19上均匀设计有多个减重散热孔。

大功率对转电机包括大功率内转子11、大功率内转子端盖21、大功率外转子10、大功率外转子前端盖6、大功率外转子安装板9和大功率外转子后端盖27。小功率对转电机包括小功率内转子、小功率内转子安装支架25、小功率外转子13、小功率外转子前端盖23和小功率外转子安装板12。

主级内轴15和外轴14由内向外同轴安装在电机后端盖19的第二安装孔31上，一端位于主级安装空间28内，另一端向外输出相反的扭矩；主级内轴15和外轴14之间设置第五轴承32，外轴14与电机后端盖19之间设置第三轴承18。

大功率外转子前端盖6通过第一轴承5同轴安装在环形安装板4的第一安装孔30内，能够相对于环形安装板4旋转，其前端同轴伸入次级安装空间29，用于安装第一滑环2，其后端位于主级安装空间28内；第一电刷3对应于第一滑环2安装在次级安装空间29的电机机壳8上，第一电刷3和第一滑环2配合为大功率对转电机提供电能。

次级内轴20通过第二轴承7同轴安装在大功率外转子前端盖6的后端，并伸至主级内轴15的前端面处，两者无接触，次级内轴20能够相对于大功率外转子前端盖6旋转。

小功率内转子通过小功率内转子安装支架25同轴固定在主级内轴15的前端面，且小功率内转子安装支架25与次级内轴20之间通过第一超越离合器26实现接合与断开，即小功率内转子安装支架25不仅仅用于固定小功率内转子，还能够起到联轴器的作用，在需要时将次级内轴20和主级内轴15连接起来；小功率外转子13通过小功率外转子前端盖23和小功率外转子安装板12同轴套装在小功率内转子外侧，其中，小功率外转子前端盖23通过第四轴承22安装在次级内轴20上，能够相对于次级内轴20旋转；小功率外转子安装板12的前端固定在小功率外转子前端盖23上，后端固定在外轴14上。

大功率内转子11通过大功率内转子端盖21同轴套装在小功率对转电机外侧，且大功率内转子端盖21通过平键固定装配在次级内轴20上；大功率外转子10通过大功率外转子前端盖6、大功率外转子安装板9和大功率外转子后端盖27同轴套装在大功率内转子11外侧，且大功率外转子后端盖27与外轴14之间通过第二超越离合器16实现接合与断开。

第二电刷滑环组件17安装在大功率外转子后端盖27与电机后端盖19之间，为小功率对转电机提供电能。

小功率内转子采用永磁体，小功率外转子13采用铁芯和绕组的组合形式（其中，小功率外转子绕组24如图1中所示）；大功率内转子11采用永磁体，大功率外转子10采用铁芯和绕组的组合形式。

当小功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器26和第二超越离合器16同时处于断开状态，此时，小功率外转子前端盖23相对于次级内轴20旋转，小功率外转子13通过小功率外转子安装板12将动力传递至外轴14，小功率内转子通过小功率内转子安装支架25将动力传递给主级内轴15。

当大功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器26和第二超越离合器16同时处于接合状态，大功率外转子前端盖6相对于次级内轴20和环形安装板4旋转，大功率外转子10依次通过大功率外转子后端盖27、第二超越离合器16将动力传递给外轴14，大功率内转子11依次通过大功率内转子端盖21、次级内轴20、第一超越离合器26以及小功率内转子安装支架25将动力传递给主级内轴15，此时，小功率对转电机虽然没有供电，但是小功率内转子组件和小功率外转子组件分别会跟随主级内轴和外轴同步转动。

上述水下航行器中变速组合水下对转推进电机的控制方法，包括以下情况：

情况一：

小功率对转电机处于供电负载，大功率对转电机处于停止供电（即大功率对转电机自身无动力输出，无能耗）时，实时采集水下航行器的航速：

若需要加速则加大此时小功率对转电机电压，若需要减速则减小此时小功率对转电机电压。

当水下装备航速大于等于10kn时，检测水下航行器的加速度：

若加速度持续10s大于0，则判断此时为水下航行器加速状态，维持小功率对转电机转速，启动大功率对转电机；当大功率对转电机的转速等于当下小功率对转电机的转速时，第一超越离合器26和第二超越离合器16同时接合，大功率对转电机接管此时航行的动力输出，同时给小功率对转电机停止供电，由大功率对转电机加速直至目标航速；此时，虽然小功率对转电机仍然在随着大功率对转电机转动，但其并未供电，只会随着轴的转动而转动不会产生其他额外的功耗，同时对于水下航行器而言，因为其绝大多数时间都为低速巡航工况，因此从宏观上来看，此处能耗的影响可以忽略不计。

若加速度持续10s等于0，则判断此时为水下航行器巡航状态，小功率对转电机仍为动力输出电机，维持航速；大功率对转电机仍停止供电（即大功率对转电机自身无动力输出，无能耗）。

若加速度持续10s小于0，则判断此时为水下航行器减速状态，小功率对转电机仍为动力输出电机，减速直至目标航速；大功率对转电机仍停止供电（即大功率对转电机自身无动力输出，无能耗）。

由此可见，整个低速巡航阶段，小功率对转电机的动力完全可以满足水下航行器的需求，水下对转推进电机的效率均能够实现较高的航行效率，确保水下航行器的低速长航程。

情况二：

大功率对转电机处于供电负载，小功率对转电机处于停止供电（即小功率对转电机自身无动力输出，无能耗）时，实时采集水下航行器的航速：

若需要加速则加大此时大功率对转电机电压，若需要减速则减小此时大功率对转电机电压。

当水下装备航速小于等于10kn时，检测水下航行器的加速度：

若加速度持续10s小于0，则判断此时为水下航行器减速状态，启动小功率对转电机，同时停止大功率对转电机（两个超越离合器同时断开，大功率对转电机逐渐停止，无能耗），小功率对转电机接管此时航行的动力输出减速直至目标航速；在小功率对转电机供电之前，其虽然没有动力输出，但因为共用输出的主级内轴和外轴，小功率对转电机也是一直同步跟随旋转，因此，小功率对转电机只要供电便能立即接管输出，并无滞后；

若加速度持续10s等于0，则判断此时为水下航行器恒速状态，大功率对转电机仍为动力输出电机，维持航速；小功率对转电机仍停止供电（即小功率对转电机自身无动力输出，无能耗）；

当加速度持续10s大于0，则判断此时为水下航行器加速状态，大功率对转电机仍为动力输出电机，加速直至目标航速；小功率对转电机仍停止供电（即小功率对转电机自身无动力输出，无能耗）。

综上，通过本发明对于变速组合水下对转推进电机的结构设计和动力控制，能够实现发明目的，在具备大功率输出能力的同时能够提高低功率的效率，实现大功率跨度；实现同轴切换输出；在稳固水下航行器姿态的前提下，实现高效航行，确保水下航行器的长航程、低能耗。

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局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.变速组合水下对转推进电机，其特征在于：包括电机壳体、主级内轴、次级内轴、外轴、大功率对转电机、小功率对转电机、第一超越离合器、第二超越离合器、第一电刷、第一滑环以及第二电刷滑环组件；

所述次级内轴和主级内轴依次同轴设置在电机壳体内，次级内轴和主级内轴无接触；

所述外轴同轴套装在主级内轴外，外轴和主级内轴向外输出相反的扭矩；

所述小功率对转电机的小功率内转子组件和小功率外转子组件分别通过主级内轴和外轴向外输出动力，且小功率外转子组件能相对于次级内轴转动；

所述大功率对转电机整体同轴套装在小功率对转电机外侧，其中的大功率内转子组件和大功率外转子组件分别通过主级内轴和外轴向外输出动力，且大功率外转子组件能相对于次级内轴和电机壳体转动；

所述第一超越离合器用于连接和断开次级内轴与小功率内转子组件；

所述第二超越离合器用于连接和断开外轴与大功率外转子组件；

所述第一电刷和第一滑环配合，用于给大功率对转电机供电；

所述第二电刷滑环组件用于给小功率对转电机供电；

当小功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器和第二超越离合器同时断开，小功率外转子组件将动力传递至外轴，小功率内转子组件将动力传递给主级内轴；

当大功率对转电机作为动力输出时，第一超越离合器和第二超越离合器同时接合，大功率外转子组件通过第二超越离合器将动力传递给外轴，大功率内转子组件依次通过次级内轴、第一超越离合器以及小功率内转子组件将动力传递给主级内轴。

2.根据权利要求1所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于：

所述电机壳体包括依次连接的电机前端盖、电机机壳和电机后端盖；电机壳体内腔通过环形安装板分隔为同轴设置的主级安装空间和次级安装空间；

所述主级内轴和外轴由内向外同轴安装在电机后端盖上，且两个轴的非驱动端均位于主级安装空间内。

3.根据权利要求2所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于：

所述小功率内转子组件包括小功率内转子和小功率内转子安装支架；小功率外转子组件包括小功率外转子、小功率外转子前端盖和小功率外转子安装板；

所述小功率内转子通过小功率内转子安装支架同轴固定在主级内轴的前端面，且小功率内转子安装支架与次级内轴之间通过第一超越离合器实现接合与断开；

所述小功率外转子通过小功率外转子前端盖和小功率外转子安装板同轴套装在小功率内转子外侧，其中，小功率外转子前端盖安装在次级内轴上，能够相对于次级内轴旋转；小功率外转子安装板的前端与小功率外转子前端盖固定，后端与外轴固定。

4.根据权利要求3所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于：

所述大功率内转子组件包括大功率内转子和大功率内转子端盖；大功率外转子组件包括大功率外转子、大功率外转子前端盖、大功率外转子安装板和大功率外转子后端盖；

所述大功率内转子通过大功率内转子端盖同轴套装在小功率对转电机外侧，且大功率内转子端盖固定在次级内轴上；

所述大功率外转子通过大功率外转子前端盖、大功率外转子安装板和大功率外转子后端盖同轴套装在大功率内转子外侧；其中，大功率外转子前端盖同轴安装在环形安装板上，能够相对于环形安装板旋转，其前端同轴伸入次级安装空间，其后端位于主级安装空间；大功率外转子后端盖与外轴之间通过第二超越离合器实现接合与断开。

5.根据权利要求4所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于：

所述次级内轴同轴安装在大功率外转子前端盖的后端，能够相对于大功率外转子前端盖旋转。

6.根据权利要求5所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于：

所述第一滑环安装在大功率外转子前端盖的前端，第一电刷对应于第一滑环安装在次级安装空间的电机机壳上；

所述第二电刷滑环组件安装在大功率外转子后端盖与电机后端盖之间。

7.根据权利要求6所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于：

所述电机前端盖和电机后端盖上均匀设计有多个减重散热孔。

8.根据权利要求1-7任一所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于：

所述小功率内转子采用永磁体，小功率外转子采用铁芯绕组形式；

所述大功率内转子采用永磁体，大功率外转子采用铁芯绕组形式。

9.一种变速组合水下对转推进电机的控制方法，应用于权利要求1-8任一所述变速组合水下对转推进电机，其特征在于，包括以下情况：

情况一：

小功率对转电机处于供电负载，大功率对转电机处于停止供电时，实时采集水下装备的航速：

若需要加速则加大此时小功率对转电机电压，若需要减速则减小此时小功率对转电机电压；

当水下装备航速大于等于阈值时，检测水下装备的加速度；

若根据加速度判断水下装备处于加速状态，则维持小功率对转电机转速，启动大功率对转电机；当大功率对转电机的转速等于当下小功率对转电机的转速时，第一超越离合器和第二超越离合器同时接合，大功率对转电机接管此时航行的动力输出，同时给小功率对转电机停止供电，由大功率对转电机加速直至目标航速；

若根据加速度判断水下装备处于巡航状态，则小功率对转电机仍为动力输出电机，维持航速；大功率对转电机仍停止供电；

若根据加速度判断水下装备处于减速状态，则小功率对转电机仍为动力输出电机，减速直至目标航速；大功率对转电机仍停止供电；

所述阈值是指小功率对转电机功率利用率大于大功率对转电机功率利用率且损耗小时所对应的水下装备最高航速；

情况二：

大功率对转电机处于供电负载，小功率对转电机处于停止供电时，实时采集水下装备的航速：

若需要加速则加大此时大功率对转电机电压，若需要减速则减小此时大功率对转电机电压；

当水下装备航速小于等于阈值时，检测水下装备的加速度；

若根据加速度判断水下装备处于减速状态，则启动小功率对转电机，同时停止大功率对转电机，小功率对转电机接管此时航行的动力输出，减速直至目标航速；

若根据加速度判断水下装备处于恒速状态，则大功率对转电机仍为动力输出电机，维持航速；小功率对转电机仍停止供电；

若根据加速度判断水下装备处于加速状态，则大功率对转电机仍为动力输出电机，加速直至目标航速；小功率对转电机仍停止供电。

10.一种水下装备，其特征在于：采用权利要求1所述变速组合水下对转推进电机。