CN208789911U - 一种电动导管式喷水推进器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动导管式喷水推进器，该喷水推进器较常规尺寸小，重量轻，结构简单，易于控制，能够满足小型机器人平台的安装要求和控制要求。包括：外壳固定单元和电机驱动单元；外壳固定单元包括：依次同轴相连的进水罩、外壳、导流罩和喷水罩；所述电机驱动单元包括：电机和螺旋桨；所述电机固定在所述导流罩内部，电机的动力输出轴作为转轴朝向所述进水罩所在方向，所述螺旋桨与所述转轴相连，在所述转轴带动下转动。该种结构形式的喷水器由于推力大能够实现水下机器人在水下的快速运动和实现机器人的上浮和下潜。

Description

一种电动导管式喷水推进器

技术领域

实用新型涉及一种推进器，具体涉及一种喷水推进器。

背景技术

伴随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，水下机器人作为一种在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主遥控方式、使用机械或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置，在海洋开发和利用中扮演着重要的角色。

水下机器人是典型的军民两用技术，不仅可用于海上资源的勘探和开发，而且在海战中也有不可替代的作用。为了争夺制海权，各国都在开发各种用途的水下机器人。水下推进器作为水下机器人的动力提供者，受到国内外广泛的关注。以下介绍几种水下推进器：

(1)泵喷推进器

上世纪80年代，英国在“特拉法尔加”(Trafalgar)级攻击型核潜艇上率先装备了一种新型的泵喷推进器(PumpJetThruster)。这种推进方式可以有效降低潜艇的辐射噪声，因而倍受世界各海军强国的关注。

采用泵喷推进的潜艇与采用大侧斜螺旋桨推进的潜艇相比，最大的优点是可以大幅度降低潜艇推进器的辐射噪声、提高潜艇的低噪声航速。以美国“海狼”级攻击型核潜艇为例，该艇水下最高航速30节以上(有报道可达35节)，水下30米时的低噪声航速大于20节，辐射噪声接近于海洋环境噪声，被美国官方称为当今世界上最安静、最快的潜艇。

尽管泵喷射推进器比传统的螺旋桨推进方式更优越,但其本身还存在一些尚未克服的缺点。一是其进水口损失的功率较高,目前还未找到很好的办法来进一步降低这一损失。二是当泵喷射推进器在浅吃水航行时,特别是沙砾较多的水域,会存在将碎石和沙砾吸入系统的危险。

(2)WT系列挖人助推器

武汉维纳凯朴工程技术有限公司生产的商用水下推进器(DPV)，也叫蛙人助推器，是潜水爱好者或者特种部队进行潜水航行的重要援助手段之一，广受国内外使用者的青睐，广泛应用于水下蛙人推进、水底拍摄、潜水娱乐及辅助水下救生等。

WT1-50系列水下推进器体积小、重量轻，采用蓄电池作动力，设有电池容量显示，充电方便。在水中呈零浮力状态。采用特殊的密封结构。使用维护简单、安全、可靠。最大潜水深度为50米。

(3)水下空心无毂桨推进器

刘文智、李海波等人实用新型了一种水下空心无榖桨推进器。其组成包括电机外壳、定子线圈、定子硅钢片、转子永磁体、转子、螺旋桨和陶瓷轴承，定子线圈缠绕在定子硅钢片上，缠绕在定子硅钢片上的定子线圈装在电机外壳的中心处，转子为空心环状结构，转子永磁体分极固定在转子上、形成空心结构的转子，螺旋桨固定在空心转子内部，螺旋桨、转子和转子永磁体组成为一个整体，转子通过陶瓷轴承固定在电机外壳内。此实用新型的浆叶旋转时不会产生诱导阻力和空泡现象，大大提高了螺旋桨的效率。另外由于加大了电机的直径增加电机的极数提高了电机的扭矩，尤其适合在大水深大密度下的环境中工作，易于安装在船体上。

(4)水下球形电机推进器

张强、王红等人实用新型的是一种水下球形电机推进器。定子铁心为球形，球形定子铁心表面沿大圆开有三个相互垂直的槽，槽内分别放置三相集中绕组，绕组两两垂直，三相绕组的线圈通过电缆线接到水下密封插头上，定子铁心外面包有与其固定在一起的球形密封壳，球壳形的外转子通过橡胶轴承套在密封壳上，橡胶轴承表面开有水槽，在两个橡胶轴承之间为转子铁心，在转子铁心和密封壳之间留有微小的缝隙，转子铁心、橡胶轴承与转子外壳结合在一起，螺旋桨桨叶直接固定在转子外壳上。此实用新型实现了水下电机推进器的矢量推进，在提高了推进器性能的同时，可使水下工作装置简化机械结构，减轻质量、缩小体积，具有更好的应用性和更高的可靠性。

但现有水下推进器存在以下问题：目前水下机器人多采用鱼雷状设计和螺旋桨推进，其机械结构决定了其进退能产生较大的速度，但是其转弯半径大，不适合在狭小区域作业。另外，螺旋桨推进器有气窝的存在，噪声大，且具有较大的空泡损失，都降低了隐蔽性能和生物亲和性。当机器人重量较大时，现有喷水推进器推力不足无法满足水下运动的速度要求，以及因推力不足而无法实现在水中的上下浮沉。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种电动导管式喷水推进器，该喷水推进器保护性能好、噪音低，且能够满足机器人在水中快速运动以及实现上下浮沉的使用要求。

所述的电动导管式喷水推进器，其特征在于，包括：外壳固定单元和电机驱动单元；

所述外壳固定单元包括：依次同轴相连的进水罩、外壳、导流罩和喷水罩；所述进水罩上加工有进水口，所述外壳用于提供将所述推进器与外部设备相连的安装位；所述导流罩上加工有走线孔；所述喷水罩上加工有喷水口；

所述电机驱动单元包括：电机和螺旋桨；所述电机固定在所述导流罩内部，用于对所述电机进行控制的控制线从所述走线孔穿过；所述电机的动力输出轴作为转轴朝向所述进水罩所在方向，在所述转轴与电机的连接端套装有油封；所述螺旋桨与所述转轴相连，在所述转轴带动下转动。

所述进水罩上的进水口为网格状。

所述的进水罩为半球形壳体。

在所述电机的机壳朝向喷水罩的一端安装有整流罩。

有益效果：

(1)该喷水推进器具有附体阻力小、保护性能好、噪音低、传动机构简单等特点；推进器在桨叶转动直径仅为36.5mm的情况下推进器的最大推力可达到2.9N，推进效率高；安装此结构形式的电动导管式喷水推进器可以实现机器人在水中快速运动以及实现上下浮沉，由此可以解决当前机器人水下运动的不足。

(2)此电动导管式喷水推进器易于控制，水流管道较长，喷水推进器方向性好，能够有效降低水流等干扰的影响，便于通过控制喷水方向而准确的控制机器人的运动方向。

(3)进水罩设计为半球形壳体，且进水口为网格状，可有效防止水草缠绕以及砂砾石块进入推进器，为机器人水下高效安全的作业提供了保障。

附图说明

图1为本实用新型的三维结构图；

图2为本实用新型推进器的爆炸图；

图3为图2中电机部分的结构图；

图4和图5为图2中导流罩的结构图；

其中：1-喷水罩，2-尾椎，3-电机；4-导流罩，5-固定孔，6-螺旋桨，7-固定外壳，8-进水罩，9-安装孔，10-走线孔，1-1-喷水口，3-1-机壳，3-2-电机前端盖，3-3-油封，3-4-内六角紧定螺钉，3-5-转轴，4-1-支撑座，4-2-安装孔，4-3-导流罩外壳、4-4电机固定外壳

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实施例提供一种电动导管式喷水推进器，该喷水推进器较常规尺寸小，重量轻，结构简单，易于控制，能够满足小型机器人平台的安装要求和控制要求。

如图1和2所示，整个电动导管式喷水推进器外观近似圆柱体，既满足两栖机器人水下喷水推进的要求，同时又可达到机器人陆上及两栖过渡环境腿式驱动的目的。

该喷水推进器包括：外壳固定单元和电机驱动单元，其中外壳固定单元包括：依次同轴相连的进水罩8、外壳7、导流罩4和喷水罩1。进水罩8设计为半球形壳体，其半球形表面上加工有网格状进水口，将进水口设计为网格状可以有效减少由于水草、砂砾等杂物的卷入而影响水下推进器工作的可能；进水罩8形状近似于一个半球形，可以增加进水面面积，增加进水量。与进水罩8固接的外壳7主要起安装固定的作用，用于提供将所述推进器与外部设备相连的安装位，可通过螺纹孔9将整个喷水推进器固定在水下机器人的腿部。导流罩4为圆柱形套筒，既可作为外壳起保护作用又可以起到喷水电机内部水流的导流作用以提高推进效率。导流罩4的圆周面上加工有走线孔10，用于连接位于外壳固定单元内部的电机和位于外壳固定单元外部的电子调速器的电线从该走线孔10穿过，由此连接电子调速器后，通过给电子调速器PWM信号控制电机转速。喷水罩1为两端均开口的中空的圆台形壳体，直径较大端与导流罩4相连，直径较小端作为喷水口1-1，由此使得喷水口1-1断面的面积小于进水口(直径较大端)和导流罩水流截面的面积，可使水流增速喷出，从而增加推力。

导流罩4的结构如图4和图5所示，包括导流罩外壳4-3，导流罩外壳4-3内部同轴设置有电机固定外壳4-4，导流罩外壳4-3和电机固定外壳4-4之间通过周向分布的三个支撑座4-1连接固定。电机3放置在电机固定外壳4-4内部且通过安装孔4-2与电机固定外壳4-4固定。电机固定外壳4-4为具有中心孔的环形密闭壳体，该中心孔为流经导流罩的水流通道。水流从进水口进入，螺旋桨高速旋转，不断地将水流向后推去。因而在流经导流罩4时，水流已具有一定的速度，导流罩4可将已具有一定速度的水流与喷水推进器外部的水流隔绝开来，最大限度的起到保持推进器内部水流速度的作用。

电机驱动单元包括：电机3和螺旋桨6；进行密封处理后的电机3安装在外壳固定单元的中心轴线上，如图3所示，电机前端盖3-2上的安装孔与导流罩4内部安装孔4-2固定，从而实现电机3在外壳固定单元中的固定。电机前端盖3-2朝向喷水罩1的一端与电机的机壳3-1相连，位于电机3另一端的中轴线上的动力输出轴作为转轴3-5，在转轴3-5与机壳3-1的连接端套装有用于起封油防尘作用的油封3-3。同时在转轴3-5上固定有内六角紧定螺钉3-4，内六角紧定螺钉3-4与螺旋桨6上的固定孔5配合，将螺旋桨6固定在转轴3-5上，实现转轴3-5转动带动螺旋桨6旋转的功能。为了使电机3成为一个光滑流线型体从而减小水的阻力，在电机机壳3-1的尾部(机壳3-1朝向喷水罩1的一端)加一个锥形的整流罩结构，称为尾椎2。

该喷水推进器的工作原理为：

该喷水推进器采用无刷电子调速器控制，给定PWM信号，无刷电机转动，通过转轴3-5转动带动螺旋桨6高速旋转；当水流从进水罩8进入后，高速旋转的桨叶不断地把大量的水向后推去，水流经过电机3以及尾椎2最后从喷水口1-1向外喷出，产生推力。通过改变占空比的大小来改变电机3的转速从而调整喷水推进器的推力。

该种结构形式的喷水器在桨叶转动直径仅为36.5mm的情况下推进器的最大推力可达到2.9N，与同类喷水推进器相比，该喷水推进器尺寸小(轴向最大尺寸为110mm，径向最大尺寸为41mm)、重量轻(质量在空气中约为200g)，机构简单，结构紧凑，维修方便且便于安装固定，可提高机器人的快速性和操纵性。将其运用在水下机器人中，由于其推力大能够实现水下机器人在水下的快速运动和实现机器人的上浮和下潜。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动导管式喷水推进器，其特征在于，包括：外壳固定单元和电机驱动单元；

所述外壳固定单元包括：依次同轴相连的进水罩(8)、外壳(7)、导流罩(4)和喷水罩(1)；所述进水罩(8)上加工有进水口，所述外壳(7)用于提供将所述推进器与外部设备相连的安装位；所述导流罩(4)上加工有走线孔(10)；所述喷水罩(1)上加工有喷水口(1-1)；

所述电机驱动单元包括：电机(3)和螺旋桨(6)；所述电机(3)固定在所述导流罩(4)内部，用于对所述电机(3)进行控制的控制线从所述走线孔(10)穿过；所述电机(3)的动力输出轴作为转轴(3-5)朝向所述进水罩(8)所在方向，在所述转轴(3-5)与电机(3)的连接端套装有油封(3-3)；所述螺旋桨(6)与所述转轴(3-5)相连，在所述转轴(3-5)带动下转动。

2.如权利要求1所述的电动导管式喷水推进器，其特征在于，所述进水罩(8)上的进水口为网格状。

3.如权利要求1或2所述的电动导管式喷水推进器，其特征在于，所述的进水罩(8)为半球形壳体。

4.如权利要求1或2所述的电动导管式喷水推进器，其特征在于，在所述电机(3)的机壳(3-1)朝向喷水罩(1)的一端安装有整流罩。

5.如权利要求1或2所述的电动导管式喷水推进器，其特征在于，所述喷水罩(1)为圆台形壳体，其直径较大端与所述导流罩(4)相连，直径较小端作为喷水口(1-1)。

6.如权利要求1或2所述的电动导管式喷水推进器，其特征在于，所述电机(3)的转速由电子调速器控制，用于连接电机(3)和位于外壳固定单元外部的电子调速器的电线从所述走线孔(10)穿过，通过给电子调速器PWM信号控制电机转速。

7.如权利要求1或2所述的电动导管式喷水推进器，其特征在于，所述电机(3)在所述导流罩(4)内部的固定方式为：导流罩外壳(4-3)内部同轴设置有电机固定外壳(4-4)，所述导流罩外壳(4-3)和电机固定外壳(4-4)之间通过支撑座(4-1)连接固定；所述电机(3)固定在所述电机固定外壳(4-4)内部；所述电机固定外壳(4-4)为具有中心孔的环形密闭壳体，该中心孔为流经导流罩的水流通道。