全海深磁力耦合双输出传动电机及全海深三维云台
技术领域
本实用新型涉及水下传动及观测平台技术领域,特别是涉及一种全海深磁力耦合双输出传动电机及全海深三维云台。
背景技术
全海深相机是水下观测获得直观视觉影像的最有效手段之一。受深海地貌凹凸不平的影响,固定式安装的全海深相机视场区域往往取决于搭载平台的着陆姿态,经常存在相机视场无法覆盖目标区域的现象,影响了观测的效果和目的。
国内外生产的深海云台可应用于水下相机观测平台、水下声呐集成平台和ROV水下机器人平台等领域,其工作深度用于全海深的非常少,大部分不超过6000米,能够对俯仰和旋转进行精确定位,但售价非常昂贵。
现有的深海云台采用的技术全部为压力补偿式动密封技术。该技术通过把电机浸入充满油液的密封舱内,密封舱一端与压力补偿器相连,压力补偿器是一种活塞式的结构,利用活塞对海洋环境压力的自适应轴向移动来平衡充油密封舱与外部海洋环境的压力,以达到充油密封舱对电机的隔水密封,同时利用格莱圈与电机输出轴间的径向挤压作用实现了输出轴动密封形式下的扭矩输出,其输出的扭矩直接驱动云台进行俯仰和旋转调节。受深海高压环境的限制,该技术很难实现一种长期、稳定、可靠的作业方式。
制约深海水下云台技术发展的因素为压力补偿式动密封传动技术的稳定、可靠性较差,其主要具体表现有以下几个方面:
(1)长时间应用于海洋环境中,其动密封圈容易产生疲劳磨损和腐蚀老化,导致充油密封舱渗漏,传动失效;
(2)随着下潜深度的增加,充油密封舱内油压增加,油液密度和粘度也增加,导致电机转子间的粘滞阻力变大,加之密封圈与输出轴间径向挤压摩擦力的存在,其电机总的输出效率降低,功耗增加,且噪声非常大;
(3)粘滞阻力除了随深度增加而增加之外,还与电机转子间的相对转速成正比,转速越高,粘滞阻力越大,使水下云台机构响应速度变慢。
发明内容
基于此,本实用新型要解决的技术问题是提供一种功耗低、传递扭矩大、定位精度高、全海深耐压、水下工作时间长和运动稳定可靠的全海深磁力耦合双输出传动电机及全海深三维云台。
为实现上述实用新型目的,本实用新型采用下述技术方案予以实现:
一种全海深磁力耦合双输出传动电机,包括两个单输出传动电机,所述单输出传动电机包括外磁转子、外磁转子安装壳、内磁转子、内磁转子安装轴、云台电机、隔离套、中间筒体、后端盖和水密接插件,所述外磁转子与所述外磁转子安装壳固定连接,所述外磁转子安装壳通过轴承安装在所述隔离套的外侧;所述隔离套与所述中间筒体、所述后端盖和所述水密接插件组成一个密闭舱体,所述云台电机位于所述密闭舱体内,所述云台电机安装在所述中间筒体上;所述内磁转子安装在所述内磁转子安装轴上,所述内磁转子安装轴固定连接在所述云台电机的电机轴上,所述内磁转子安装轴伸入到所述隔离套内侧空腔内的轴承上,所述隔离套内侧空腔的内径小于所述密闭舱体的内径;所述云台电机用于带动所述内磁转子旋转,从而耦合带动所述外磁转子连同外磁转子安装壳一起旋转;所述两个单输出传动电机的后端盖固定在一起或者两个后端盖形成一个连接端盖。
如上所述的全海深磁力耦合双输出传动电机,所述中间筒体与所述隔离套之间、所述中间筒体与所述后端盖之间均设置有密封圈。
一种全海深三维云台,包括:俯仰调节机构、滚摆调节机构和旋转调节机构;所述旋转调节机构包括底座框架、旋转支撑架、单输出传动电机和第三联动组件,所述单输出传动电机与所述底座框架固定连接,所述旋转支撑架与所述底座框架转动连接,所述单输出传动电机通过所述第三联动组件驱动所述旋转支撑架转动;所述滚摆调节机构包括下连接筒、双输出传动电机的第二电机、滚摆支撑框架和第二联动组件,所述第二电机与所述下连接筒固定连接,所述下连接筒固定安装有滚摆支撑框架,所述滚摆支撑框架上设置有第二联动组件,所述第二电机的输出端通过所述第二联动组件驱动所述滚摆支撑框架与所述旋转支撑架转动连接;所述俯仰调节机构包括上连接筒、双输出传动电机的第一电机、俯仰支撑框架、第一联动组件和载荷平台,所述第一电机与所述上连接筒固定连接,所述上连接筒固定安装有俯仰支撑框架,所述俯仰支撑框架上设置有第一联动组件,所述第一电机的输出端通过所述第一联动组件驱动所述载荷支撑平台的俯仰运动,所述上连接筒和下连接筒固定连接。
如上所述的全海深三维云台,所述第三联动组件包括啮合的旋转蜗轮和旋转蜗杆,所述旋转蜗轮与所述旋转支撑架固定连接,所述旋转蜗杆与所述底座框架转动连接,所述旋转蜗杆与所述单输出传动电机联动。
如上所述的全海深三维云台,所述第二联动组件包括啮合的滚摆蜗轮和滚摆蜗杆,所述滚摆蜗轮的安装轴与所述滚摆支撑框架转动连接,所述滚摆蜗轮的安装轴与所述旋转支撑架固定连接,所述滚摆蜗杆与所述滚摆支撑框架转动连接,所述滚摆蜗杆与所述第二电机联动。
如上所述的全海深三维云台,所述第一联动组件包括啮合的俯仰蜗轮和俯仰蜗杆,所述俯仰蜗轮的安装轴与所述俯仰支撑框架转动连接,所述俯仰蜗轮的安装轴与所述载荷平台固定连接,所述俯仰蜗杆与所述俯仰支撑框架转动连接,所述俯仰蜗杆与所述第一电机联动。
如上所述的全海深三维云台,所述旋转支撑架绕Z轴转动,所述滚摆支撑框架绕Y轴转动,所述载荷平台绕X轴转动。
与现有技术相比,本实用新型的优点和积极效果是:
本实用新型全海深磁力耦合双输出传动电机采用磁力耦合技术,通过传动部件中外磁转子、内磁转子的永磁材料间的吸引力和排斥力,实现动力的非接触式传递,利用静密封实现了密封舱的零渗漏。本实用新型工作时间长、功耗低、噪声低、成本低、重量轻、响应速度快。
本实用新型基于磁力耦合传动的全海深水下三维云台可有效提高水下观测平台的直观性、稳定性和可靠性。水下三维云台采用磁力耦合传动电机驱动,用干舱静密封的方式实现扭矩的非接触式传递,可应用于全海深,实现了云台在全海深空间内三个维度方向上的旋转、滚摆和俯仰运动。可搭载相机系统和声呐系统进行海洋空间的立体观测,有效提高了海洋观测的稳定性、有效性和作业效率。本实用新型具有水下工作时间长、功耗低、噪声低、成本低、重量轻和响应速度快等优点外,还具有可全方位进行姿态调整的优点,对于全海深的视频拍摄,不需要后续的图像处理(即裁剪和旋转),即可对水下影像进行实时在线直播,大大提高了有效的拍摄范围。
结合附图阅读本实用新型的具体实施方式后,本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例,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的附图。
图1为本实用新型具体实施例全海深磁力耦合双输出传动电机的剖视图;
图2为本实用新型具体实施例全海深三维云台的立体图;
图3为本实用新型具体实施例全海深三维云台的示意图;
图4为图3A-A向的剖视图;
图5为图3B-B向的剖视图;
图6为图3D-D向的剖视图;
图7为图3E-E向的剖视图;
图8为本实用新型具体实施例隔离套的示意图;
图9为本实用新型具体实施例外磁转子安装壳的示意图;
图10为本实用新型具体实施例磁极分布示意图。
图11为本实用新型具体实施例磁极分布示意图。
附图标记说明:
1-俯仰调节机构 2-上连接筒3-X,Y轴一体磁耦合电机 4-下连接筒 5-滚摆调节机构 6-Z轴磁耦合电机 7-旋转调节机构 8-载荷平台 9-俯仰支撑框架10-法兰压圈11-防沙阻泥透水筛网12-俯仰蜗轮 13-俯仰蜗轮的安装轴 14-俯仰蜗杆 15-俯仰蜗杆轴承支撑座 16-俯仰蜗杆轴承压板 20-联轴器I 21-联轴器II 221-滚摆蜗杆 22-滚摆蜗杆轴承支撑座 58-X、Y轴一体磁耦合电机连接螺栓 17-俯仰调节机构安装端盖 18-俯仰蜗轮的安装轴轴承支撑座 19-俯仰插座 23-滚摆支撑框架 231-法兰压圈 232-防沙阻尼透水筛网233-滚摆调节机构安装端盖24-滚摆蜗轮 25-滚摆蜗轮的安装轴 26-滚摆插座 27-滚摆蜗轮的安装轴轴承支撑座28-旋转支撑架 29-推力陶瓷轴承压板 30-底座框架 31-底座框架盖板 32-法兰压圈33-防沙阻泥透水筛网34-旋转支撑架下支撑轴承压板 35-旋转支撑架下支撑轴承座 36-旋转蜗轮 37-旋转蜗杆 38-旋转蜗杆左支撑轴承座 39-旋转蜗杆右支撑轴承座 40-联轴器III 41-Z轴磁耦合电机安装支架 42-旋转蜗轮固定螺栓
43-外磁转子安装壳44-隔离套45-外磁转子 46-内磁转子47-防沙阻泥板49-密封圈 50-中间筒体 51-内磁转子安装轴 52-云台电机 53-后端盖 54-水密接插件
1111-动力输出端 1112-第五安装部 1113-第六安装部 71-内侧空腔;72-套体73-第一安装部 74-第二安装部 75-第三安装部 76-第四安装部 77-第一陶瓷轴承 78-第二陶瓷轴承 79-第三陶瓷轴承。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下将结合附图和实施例,对本实用新型作进一步详细说明。
需要说明的是,在本实用新型的描述中,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖”、“横”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系,这仅仅是为了便于描述,而不是指示或暗示所述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实用新型的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示,全海深磁力耦合双输出传动电机包括两个单输出传动电机。
单输出传动电机包括外磁转子45、外磁转子安装壳43、内磁转子46、内磁转子安装轴51、云台电机52、隔离套44、中间筒体50、后端盖53和水密接插件54。
如图10、11所示,外磁转子45由铁磁体、轭铁和防腐金属层组成,内磁转子46由铁磁体、轭铁组成,外磁转子45和内磁转子46中的铁磁体由不同磁极的永磁体均等错开排列,根据磁力耦合设计不同,一般可分为4~12组。
外磁转子45与外磁转子安装壳43固定连接,具体可通过胶合固定在一起。外磁转子安装壳43通过轴承安装在隔离套44的外侧,具体的,通过第一陶瓷轴承77和第三陶瓷轴承79安装在隔离套44的外侧,可相对于隔离套44绕其中心轴自由旋转。在第三轴承79处设置防沙阻尼板47,以对轴承起到保护作用。
隔离套44与中间筒体50、后端盖53和水密接插件54组成一个密闭舱体。其中,在中间筒体50与隔离套44之间、中间筒体50与后端盖53之间均设置有密封圈49。
云台电机52位于密闭舱体内,云台电机52安装在中间筒体50上。内磁转子46安装在内磁转子安装轴51上,内磁转子安装轴51固定连接在云台电机52的电机轴上,内磁转子安装轴51伸入到隔离套44内侧空腔内的第二陶瓷轴承78上。隔离套44内侧空腔71的内径远小于密闭舱体的内径。内磁转子安装轴51可相对于隔离套44绕其中心轴自由旋转,内磁转子46与外磁转子45组合成磁力耦合体,云台电机52通电工作时可带动内磁转子46旋转,从而耦合带动外磁转子45连同外磁转子安装壳43一起旋转,实现了扭矩的非接触式传递。
如图8所示,本实施例的隔离套44包括套体72、位于套体72一端的第一安装部73、位于套体72另一端的第二安装部74。套体72内形成内侧空腔71,套体72内侧为内磁转子46、外侧为外磁转子45。内磁转子安装轴51伸入至内侧空腔71,伸入内侧空腔的内磁转子安装轴51上安装有内磁转子46,套体72的内径略大于内磁转子46的外径。第一安装部73为套体72在径向方向上的延伸,第一安装部73与中间筒体50固定安装。在第一安装部73上还设置有第三安装部75,第三安装部75与套体72同轴设置,且第三安装部75的内径大于套体72的外径,第三安装部75用于安装第三陶瓷轴承79。第二安装部74用于安装第一陶瓷轴承77,第二安装部74的外径小于套体72的外径。套体72的内侧空腔的底端设置有第四安装部76,第四安装部76用于安装第二陶瓷轴承78,第四安装部的内径小于套体72的内径。
如图9所示,本实施例的外磁转子安装壳43包括动力输出端1111、第五安装部1112和第六安装部1113。优选的,动力输出端1111的外径小于第五安装部1112的内径小于第六安装部1113的外径。第五安装部1112用于安装第一陶瓷轴承77。第六安装部1113内侧用于安装外磁转子45,外侧用于安装第三陶瓷轴承79。本实施例的设计一方面可以大大减小密闭舱体的空腔体积,提高抗压强度和刚度,提高全海深压力环境下结构的稳定性,另一方面,适用于全海深下,隔离套内侧较小的空腔体积可以减小内磁转子与外磁转子间隔离套的厚度,有利于增大内磁转子和外磁转子间的耦合力矩,提高动力扭矩的输出。两个单输出传动电机的后端盖通过密封圈固定在一起(例如,通过X、Y轴一体磁耦合电机连接螺栓58固定)或者两个后端盖形成一个连接端盖,两个单输出传动电机共用一个连接端盖,从而形成双输出传动电机。
本实施例采用磁力耦合技术,通过传动部件中主、从动极上安装的永磁材料间的吸引力和排斥力,实现动力的非接触式传递,利用静密封实现了密封舱的零渗漏。优选的,传动电机传递出的动力配以带有自锁功能的减速机构,可以实现云台在空间三个维度方向上的稳定转动,精确定位。
本实施例的全海深三维云台包括俯仰调节机构1、滚摆调节机构5和旋转调节机构7。
旋转调节机构7包括底座框架30、旋转支撑架28、单输出传动电机(Z轴磁耦合电机6)和第三联动组件,Z轴磁耦合电机6与底座框架30固定连接,旋转支撑架28与底座框架30转动连接,Z轴磁耦合电机6通过第三联动组件驱动旋转支撑架28转动。
第三联动组件包括啮合的旋转蜗轮36和旋转蜗杆37,旋转蜗轮36与旋转支撑架28固定连接,旋转蜗杆37与底座框架30转动连接,旋转蜗杆37与单输出传动电机(Z轴磁耦合电机6)联动。
滚摆调节机构5包括下连接筒4、双输出传动电机(X,Y轴一体磁耦合电机3)的第二电机、滚摆支撑框架23和第二联动组件,第二电机与下连接筒4固定连接,下连接筒4固定安装有滚摆支撑框架23,滚摆支撑框架23上设置有第二联动组件,第二电机的输出端通过第二联动组件驱动滚摆支撑框架23与旋转支撑架28转动连接。
第二联动组件包括啮合的滚摆蜗轮24和滚摆蜗杆221,滚摆蜗轮的安装轴25与滚摆支撑框架23转动连接,滚摆蜗轮的安装轴25与旋转支撑架28固定连接,滚摆蜗杆221与滚摆支撑框架23转动连接,滚摆蜗杆24与第二电机联动。
俯仰调节机构1包括上连接筒2、双输出传动电机(X,Y轴一体磁耦合电机3)的第一电机、俯仰支撑框架9、第一联动组件和载荷平台8,第一电机与上连接筒2固定连接,上连接筒2固定安装有俯仰支撑框架9,俯仰支撑框架9上设置有第一联动组件,第一电机的输出端通过第一联动组件驱动载荷支撑平台8的俯仰运动。上连接筒2和下连接筒4固定连接。
第一联动组件包括啮合的俯仰蜗轮12和俯仰蜗杆14,俯仰蜗轮的安装轴13与俯仰支撑框架9转动连接,俯仰蜗轮的安装轴13与载荷平台8固定连接,俯仰蜗杆14与俯仰支撑框架9转动连接,俯仰蜗杆14与第一电机联动。
旋转支撑架28绕Z轴转动,滚摆支撑框架23绕Y轴转动,载荷平台8绕X轴转动。
具体的,如图2所示, X,Y轴一体磁耦合电机3具有两个独立的输出轴,上输出轴驱动俯仰调节机构1进行绕X轴旋转的俯仰调节,下输出轴驱动滚摆调节机构5进行绕Y轴旋转的滚摆调节,Z轴磁耦合电机6驱动旋转调节机构7进行绕Z轴旋转的旋转调节,实现了三维三个自由度的转动调节。
如图2、3、4所示,X,Y轴一体磁耦合电机3两端分别通过螺栓与上连接筒2和下连接筒4固定连接,上连接筒2和下连接筒4通过螺栓固定连接,上连接筒2和下连接筒4在连接端面开有半圆形孔槽,可使X,Y轴一体磁耦合电机3上的水密接插件54露出。俯仰调节机构1中的俯仰支撑框架9通过螺栓固定安装在上连接筒2上,下连接筒4上的端面法兰通过螺栓固定安装在滚摆支撑框架23上;X,Y轴一体磁耦合电机3上输出轴通过联轴器I20利用键连接的方式与俯仰调节机构1中的俯仰蜗杆14一端连接,X,Y轴一体磁耦合电机3下输出轴通过联轴器II21利用键连接的方式与滚摆调节机构5中的滚摆蜗杆221一端连接。
如图2、3、4、5所示,俯仰蜗轮12通过键连接与俯仰蜗轮的安装轴13进行周向固定,并通过螺栓轴向安装固定在俯仰蜗轮的安装轴13的法兰上,俯仰蜗轮的安装轴13通过轴承支撑安装在俯仰蜗轮的安装轴轴承支撑座18上,俯仰蜗轮的安装轴轴承支撑座18通过螺栓固定安装在俯仰支撑框架9上,俯仰蜗轮的安装轴13伸出的两端均为方型轴,分别嵌入内开有方型孔的俯仰插座19内,并通过螺栓加强固定连接,俯仰插座19通过螺栓固定连接在载荷平台8的支撑耳板上,因此载荷平台8可与俯仰插座19、俯仰蜗轮的安装轴13和俯仰蜗轮12一起同步绕X轴转动;俯仰蜗杆14与俯仰蜗轮12啮合,且通过轴承支撑两端分别安装在俯仰支撑框架9和俯仰蜗杆轴承支撑座15上,俯仰蜗杆轴承支撑座15上部安装有陶瓷轴承和俯仰轴承压板16,俯仰蜗杆轴承支撑座15和俯仰轴承压板16通过螺栓一起固定安装在俯仰支撑框架9上,俯仰蜗杆14下端伸出与联轴器I20通过平键连接,俯仰支撑框架9上安装有法兰压圈10和316L材质的500目多层防沙阻泥透水筛网11,可防止水中杂质进入俯仰支撑框架9内。俯仰支撑框架9上设置有俯仰调节机构安装端盖17。
如图4和图6所示,X,Y轴一体磁耦合电机下输出轴通过联轴器II21利用平键连接的方式与滚摆蜗杆221上伸出端传动连接,滚摆蜗杆221通过轴承支撑分别安装在滚摆蜗杆轴承支撑座22和滚摆支撑框架23上,滚摆蜗杆轴承支撑座22通过螺栓固定安装在滚摆支撑框架23上,滚摆蜗杆221可绕自身轴线自由旋转;与滚摆蜗杆221啮合的滚摆蜗轮24通过键连接安装在滚摆蜗轮的安装轴25上,并通过螺栓轴向固定安装在滚摆蜗轮的安装轴25的法兰面上,滚摆蜗轮的安装轴25通过轴承支撑安装在滚摆蜗轮的安装轴轴承支撑座27上,滚摆蜗轮的安装轴轴承支撑座27通过螺栓固定安装在滚摆支撑框架23上,滚摆蜗轮的安装轴25两侧伸出端均为方型轴,嵌入在内开有方型孔的滚摆插座26内,并通过螺栓加强固定连接,滚摆插座26通过螺栓固定在旋转支撑架28上,因此旋转支撑架28与滚摆插座26、滚摆蜗轮的安装轴25和滚摆蜗轮24一起同步绕Y轴固定,当X,Y轴一体磁耦合电机3下输出轴驱动滚摆蜗杆221转动时,滚摆蜗杆221带动滚摆支撑框架23连同其上部分一起啮合滚摆蜗轮24绕Y轴转动,滚摆支撑框架23上安装有法兰压圈231和用316L材质的500目多层防沙阻泥透水筛网232,可防止水中杂质进入滚摆支撑框架23内。滚摆支撑框架23上设置有滚摆调节机构安装端盖233。
如图6和图7所示,旋转支撑架28上通过推力陶瓷轴承,下通过深沟球陶瓷轴承安装在底座框架30上,推力轴承通过316L材质的轴用弹性挡圈和推力陶瓷轴承压板29进行轴向固定,推力陶瓷轴承压板29通过螺栓固定安装在底座框架30上,深沟球陶瓷轴承安装在旋转支撑架下支撑轴承座35上,旋转支撑架下支撑轴承座35连同旋转支撑架下支撑轴承压板34一起通过螺栓固定安装在底座框架30底板上,旋转支撑架28上通过键与旋转蜗轮36进行周向固定,并通过旋转蜗轮固定螺栓42与旋转蜗轮36进行轴向固定,因此旋转支撑架28连同旋转蜗轮36一起可绕Z轴进行同步转动;与旋转蜗轮36啮合的旋转蜗杆37通过轴承支撑安装分别在旋转蜗杆左支撑轴承座38和旋转蜗杆右支撑轴承座39上,旋转蜗杆左支撑轴承座38和旋转蜗杆右支撑轴承座39通过螺栓安装固定在底座框架30上,旋转蜗杆37一端伸出端通过联轴器III40利用平键连接的方式与Z轴磁耦合电机6转动连接,Z轴磁耦合电机6通过螺栓与Z轴磁耦合电机安装支架41固定连接,Z轴磁耦合电机安装支架41另一端则通过螺栓安装固定在底座框架30上。底座框架30上设置有底座框架盖板31,盖板31上安装有法兰压圈32和用用316L材质的500目多层防沙阻泥透水筛网33,可防止水中杂质进入底座框架30内。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对其进行限制;尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明,对于本领域的普通技术人员来说,依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。