CN217207508U - 基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，能够有效解决电磁吸振器零漂问题、提高吸振器输出力精度。船用推进装置包括：发动机、弹性联轴器、尾部推力轴承、推进轴系、螺旋桨以及电磁吸振器；其中电磁吸振器采用变气隙式电磁吸振器，通过对动子和定子之间的气隙宽度进行调整，使动子产生位移时不产生静磁力，进而保障船用推进装置工作的可靠性。

Description

基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置

技术领域

本实用新型涉及一种船用推进装置，具体涉及一种基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，属于船舶海洋产业技术领域。

背景技术

现代舰艇非常重视设计、研制、建造、使用及维修等全寿命周期噪声治理工作，随着减隔振、管路包裹、消声瓦及新型推进器等手段应用，机械噪声、水动力噪声和推进器噪声得到显著控制，舰艇总体声学性能不断向低噪声方向发展。与此同时，舰艇螺旋桨-推进轴系-壳体结构耦合振动已经越来越受重视，此类振动频带范围广、响应力度大、破坏能力强，严重影响舰艇尾部结构强度和船员工作环境。

以图1所示的某型船体结构为例，主要有指挥舱室1、居住舱室2、甲板区域3和轮机舱室4等区域，其常用推进装置的工作原理为：发动机9通过弹性联轴器5向尾部传递动力，动力通过尾部推力轴承6传递给尾轴，再通过推进轴系7将动力传递给螺旋桨8，由螺旋桨8转动产生反推力作用于尾部推力轴承6和舰船壳体结构，最终使舰船获得向前运动推力。该过程中，推进轴系7受螺旋桨激振作用将产生扭振和弯曲，并通过尾部推力轴承6传递至舰船壳体结构。为保持推进轴系7良好推进效率，必须确保尾部推力轴承6与船体结构刚性连接，但同时会将轴系振动全部传递至船体结构，并可能诱发复杂的桨-轴-船体耦合振动，进而影响舰船隐身性和安全性。主动吸振技术以其可有效隔离设备运转所致低频线谱振动而备受关注，若将其用于舰船推力轴承振动轴承控制，将能有效降低桨-轴-船体耦合振动不利影响。

目前，主动吸振技术主要集中在控制策略开发和执行机构设计两个方面，且后者对控制效果影响更为直接。常用执行机构主要有电磁吸振器、惯性质量作动器和压电陶瓷作动器等，其中电磁吸振器具有线性度好、承受载荷大、功耗低等特点，针对舰船等大型机械设备振动具有较好控制效果，但在输出力精度、单位体积输出力及输出频带范围等静态和动态性能，已经成为制约主动吸振技术应用的重要因素。

然而，现有对电磁吸振器的研究主要考虑输出力、反应灵敏度和功耗等因素，进而对电磁吸振器进行优化改进，还尚未有效解决吸振器输出力零漂与精度问题，这将导致主动吸振技术应用存在失效风险。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供一种基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，能够有效解决电磁吸振器零漂问题、提高吸振器输出力精度，从而保障船用推进装置工作的可靠性。

本实用新型的技术方案为：基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，包括：通过尾部推力轴承支撑的推进轴系以及安装在所述尾部推力轴承上的两个以上电磁吸振器；

所述尾部推力轴承刚性固接在船壳体结构上；

至少一个所述电磁吸振器的轴向与所述尾部推力轴承的轴向平行，以控制所述尾部推力轴承的轴向振动；

至少一个所述电磁吸振器的轴向与所述尾部推力轴承的径向平行，以控制所述尾部推力轴承的径向振动；

所述定子同轴套装在动子外部，所述线圈位于所述定子中心的内凹环形面内；所述定子内圆周面与动子外圆周面之间的间隙为气隙；所述动子包括：动子铁芯；定子包括：上定子铁芯、上永磁体、下永磁体、下定子铁芯和C型铁芯；

所述上定子铁芯与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递增，所述下定子铁芯与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递减；所述C型铁芯上端与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递减，下端与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递增。

所述动子包括：动子铁芯；定子包括：上定子铁芯、上永磁体、下永磁体、下定子铁芯和C型铁芯；所述C型铁芯为具有中心通孔且内圆周面具有环形凹槽的环形结构，所述动子铁芯外圆周面与C型铁芯上的环形凹槽对应的位置也具有环形凹槽；所述上永磁体和上定子铁芯均为具有中心孔的圆盘结构，依次层叠在C型铁芯上端面；所述永磁体和下定子铁芯均为具有中心孔的圆盘结构，依次层叠在C型铁芯下端面，且上下永磁体磁极对称分布；所述线圈设置在C型铁芯的环形凹槽内；

所述上定子铁芯的内圆周面为上窄下宽的圆台面，所述下定子铁芯的内圆周面为上宽下窄的圆台面；所述C型铁芯上端中心孔的内圆周面为上宽下窄的圆台面；下端中心孔的内圆周面为上窄下宽的圆台面；且上述四个圆台面母线角度大小相同。

优选的，包括五个电磁吸振器；其中四个所述电磁吸振器设置在尾部推力轴承一端的端面上，且沿所述尾部推力轴承的周向均匀间隔分布，另一个电磁吸振器设置在尾部推力轴承的顶部，且该电磁吸振器的轴向沿竖直方向。

优选的，发动机的动力输出端通过弹性联轴器与一端支撑在尾部推力轴承上的推进轴系相连，所述推进轴系的另一端与螺旋桨相连。

有益效果：

本实用新型中的电磁吸振器为变气隙电磁吸振器，通过改变动子和定子间气隙磁阻，使动子产生位移时不产生静磁力，实现了系统总磁能与位移无关；理论分析和仿真结果表明：该变气隙式电磁吸振器结构方案，可有效解决电磁吸振器零漂问题、提高吸振器输出力精度，并改善电磁吸振器工作性能，使其具有更大的单位体积输出力和更小的涡流损耗，有利开展主动吸振技术工程应用，从而保障船用推进装置工作的可靠性。

附图说明

图1为某型船体结构推进装置的工作原理示意图；

图2为具有变气隙式电磁吸振器的船用推进装置的原理示意图；

图3为传统定气隙式电磁吸振器的轴向剖面示意图；

图4为本实用新型中变气隙式电磁吸振器的轴向剖面示意图；

图5为电磁吸振器的布局示意图。

其中，1-指挥舱室、2-居住舱室、3-甲板区域、4-轮机舱室、5-弹性联轴器、6-尾部推力轴承、7-推进轴系、8-螺旋桨、9-发动机、10-上永磁体、11-下永磁体、12-下定子铁芯、13-线圈、14-C型铁芯、15-动子铁芯、16-上定子铁芯、17-电磁吸振器

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。

传统定气隙式电磁吸振器中定子和动子之间的气隙宽度为恒定值，结构如图3所示（由于吸振器为圆柱形轴对称结构，可选取任意截面予以说明），主要包括：上定子铁芯16、上永磁体10、下永磁体11、下定子铁芯12、线圈13、C型铁芯14、动子铁芯15；其中上下永磁体磁极对称分布。定气隙式电磁吸振器基本原理为：给线圈13施加交变电流，在气隙中产生交变磁场，与永磁体相互作用，产生交变吸引-排斥力。但该电磁吸振器在线圈13未通电状态条件下，动子铁芯15会发生位移并输出静磁力，进而产生零漂并影响其输出力精度，进而影响船用推进装置工作的可靠性。

基于此，本实施例提供一种具有变气隙式电磁吸振器的船用推进装置，通过对电磁吸振器的气隙宽度进行调整，使动子产生位移时不产生静磁力，从而有效解决电磁吸振器零漂问题、提高吸振器输出力精度，进而保障船用推进装置工作的可靠性。

如图2所示，该船用推进装置包括：发动机9、弹性联轴器5、尾部推力轴承6、推进轴系7、螺旋桨8以及五个电磁吸振器17；发动机9的动力输出端通过弹性联轴器5与一端支撑在尾部推力轴承6上的推进轴系7相连，推进轴系7的另一端与螺旋桨8相连；发动机9可以为柴油机或汽轮机及其变速箱机组等；发动机9和尾部推力轴承6均通过螺栓刚性固接在舰船轮机舱室4内部的壳体上；五个电磁吸振器17设置在尾部推力轴承6上，其中四个电磁吸振器17设置在尾部推力轴承6一端的端面上，且沿周向均匀间隔分布，以实现轴向振动的控制，另一个电磁吸振器17设置在尾部推力轴承6的顶部，且该电磁吸振器17的轴向沿竖直方向，以实现径向振动的控制，如图5所示。

发动机9工作时，其动力通过弹性联轴器5和尾部推力轴承6传递给推进轴系7，再通过推进轴系7将动力传递给螺旋桨8，由螺旋桨8转动产生反推力作用于推力轴承6和舰船壳体结构，最终使舰船获得向前运动推力。该过程中，推进轴系7受螺旋桨8激振作用将产生扭振和弯曲，并通过尾部推力轴承6传递至舰船壳体结构。由于尾部推力轴承6与船体结构刚性连接，会将轴系振动全部传递至船体结构，并可能诱发复杂的桨-轴-船体耦合振动。而在尾部推力轴承6上设置的五个电磁吸振器17能够有效隔离设备运转所致低频线谱振动（轴向振动和径向振动），从而有效降低桨-轴-船体耦合振动不利影响。

且本例中，电磁吸振器17采用如图4所示的变气隙式电磁吸振器，该变气隙式电磁吸振器包括：动子、定子和线圈13，其中定子同轴套装在动子外部，定子内圆周面与动子外圆周面之间的间隙为气隙。动子包括：动子铁芯15；定子包括：上定子铁芯16、上永磁体10、下永磁体11、下定子铁芯12和C型铁芯14；其中C型铁芯14为具有中心通孔且内圆周面具有环形凹槽的环形结构，动子铁芯15外圆周面的中部与C型铁芯14上的环形凹槽对应的位置也具有环形凹槽；上永磁体10和上定子铁芯16均为具有中心孔的圆盘结构，依次层叠在在C型铁芯14上端面（其中上定子铁芯16位于上永磁体10上方）；下永磁体11和下定子铁芯12均为具有中心孔的圆盘结构，依次层叠在在C型铁芯14下端面（其中下定子铁芯12位于下永磁体11下方），且上下永磁体磁极对称分布；线圈13设置在C型铁芯14的环形凹槽内。

为使得动子产生位移时不产生静磁力，对动子和定子之间的气隙宽度进行调整。本例中通过改变定子部分内圆周面的形状来使气隙宽度产生变化，进而不产生静磁力；具体的，通过改变上下定子铁芯内圆周面的倒角结构以及C型铁芯14中心通孔上下端面的倒角结构，使动子产生位移时，气隙宽度随之变化来调整气隙磁阻，最终有效消除静态磁力影响。

如图4所示，上定子铁芯16的内圆周面具有内倒角，即上定子铁芯16内圆周面为上窄下宽的锥台面，由此使得该部分气隙宽度从上往下递增；下定子铁芯12的内圆周面具有内倒角，即下定子铁芯12内圆周面为上宽下窄的锥台面，由此使得该部分气隙宽度从上往下递减；C型铁芯14内圆周面的上下两端均具有外倒角，其中上端的中心孔呈上宽下窄的锥台面，由此使得该部分气隙宽度从上往下递减；下端的中心孔呈上窄下宽的锥台面，由此使得该部分气隙宽度从上往下递增；上述四个倒角结构的斜率相同。

上述变气隙电磁吸振器结构，通过改变动子和定子之间气隙磁阻，使系统总磁能与其输出位移无关，即动子发生位移时不产生静态磁力；理论分析和有限元仿真表明：在稳态条件下，变气隙电磁吸振器可有效解决传统零漂的问题。全磁路分析显示，变气隙吸振器具有更大的单位体积输出力和更小的涡流损耗，这也有效提升了吸振器的动态输出特性。

综上，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 (6)

1.基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，其特征在于，包括：通过尾部推力轴承（6）支撑的推进轴系（7）以及安装在所述尾部推力轴承（6）上的两个以上电磁吸振器（17）；

所述尾部推力轴承（6）刚性固接在船壳体结构上；

至少一个所述电磁吸振器（17）的轴向与所述尾部推力轴承（6）的轴向平行；

至少一个所述电磁吸振器（17）的轴向与所述尾部推力轴承（6）的径向平行；

所述电磁吸振器（17）包括：动子、定子和线圈（13），

所述定子同轴套装在动子外部，所述线圈（13）位于所述定子中心的内凹环形面内；所述定子内圆周面与动子外圆周面之间的间隙为气隙；所述动子包括：动子铁芯（15）；定子包括：上定子铁芯（16）、上永磁体（10）、下永磁体（11）、下定子铁芯（12）和C型铁芯（14）；

所述上定子铁芯（16）与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递增，所述下定子铁芯（12）与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递减；所述C型铁芯（14）上端与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递减，下端与动子外圆周面之间的气隙宽度从上往下递增。

2.如权利要求1所述的基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，其特征在于，所述C型铁芯（14）为具有中心通孔且内圆周面具有环形凹槽的环形结构，所述动子铁芯（15）外圆周面与C型铁芯（14）上的环形凹槽对应的位置也具有环形凹槽；所述上永磁体（10）和上定子铁芯（16）均为具有中心孔的圆盘结构，依次层叠在C型铁芯（14）上端面；所述永磁体（11）和下定子铁芯（12）均为具有中心孔的圆盘结构，依次层叠在C型铁芯（14）下端面，且上下永磁体磁极对称分布；所述线圈（13）设置在C型铁芯（14）的环形凹槽内；

所述上定子铁芯（16）的内圆周面为上窄下宽的圆台面，所述下定子铁芯（12）的内圆周面为上宽下窄的圆台面；所述C型铁芯（14）上端中心孔的内圆周面为上宽下窄的圆台面；下端中心孔的内圆周面为上窄下宽的圆台面；四个所述圆台面母线角度大小相同。

3.如权利要求1或2所述的基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，其特征在于，包括五个电磁吸振器（17）；其中四个所述电磁吸振器（17）设置在尾部推力轴承（6）一端的端面上，且沿所述尾部推力轴承（6）的周向均匀间隔分布，另一个电磁吸振器（17）设置在尾部推力轴承（6）的顶部，且该电磁吸振器（17）的轴向沿竖直方向。

4.如权利要求1或2所述的基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，其特征在于，发动机（9）的动力输出端通过弹性联轴器（5）与一端支撑在尾部推力轴承（6）上的推进轴系（7）相连，所述推进轴系（7）的另一端与螺旋桨（8）相连。

5.如权利要求2所述的基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，其特征在于，

所述上定子铁芯（16）的内圆周面具有内倒角，使其内圆周面为上窄下宽的圆台面；

所述下定子铁芯（12）的内圆周面具有内倒角，使其内圆周面为上宽下窄的圆台面；

所述C型铁芯（14）内圆周面的上下两端均具有外倒角，使其上端中心孔内圆周面呈上宽下窄的圆台面；下端的中心孔内圆周面呈上窄下宽的圆台面。

6.如权利要求4所述的基于变气隙电磁吸振器的船用推进装置，其特征在于，所述发动机（9）和尾部推力轴承（6）均刚性固接在舰船轮机舱室内部的壳体上。

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