本發(fā)明涉及一種水下推進(jìn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著近年來電力電子器件、電機設(shè)計技術(shù)及新能源和新材料等高新技術(shù)的發(fā)展，水下航行裝置的電力推進(jìn)系統(tǒng)也正在經(jīng)歷巨大變革。水下驅(qū)動電機作為水下航行裝置電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心組成部分，其結(jié)構(gòu)是航行器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計過程中必須考慮的重要方面之一。一種好的電機結(jié)構(gòu)，不但可以保證航行器的平穩(wěn)靈活運行，而且可以節(jié)省航行裝置的空間，減小系統(tǒng)的整體尺寸和重量，提高系統(tǒng)運行的可靠性。

一般來說，對于大型船舶，水下驅(qū)動設(shè)備可以做的相對較大，除了功率密度較低以外，其他性能基本可以滿足；而對與小型的水下自主航行器(如水下機器人、魚雷等)而言，與其配套的水下驅(qū)動電機主要面臨兩個問題。一是整個機體的運行姿態(tài)不能保證，往往由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)扭矩過大，航行器出現(xiàn)橫向翻滾的狀況；二是驅(qū)動裝置散熱能力差，功率密度和效率相對較低。

CN102195403A公布了一種大氣隙低噪聲機槳一體化永磁推進(jìn)裝置，該裝置包括基座、推進(jìn)電機和螺旋槳。推進(jìn)電機包括定子和轉(zhuǎn)子，定子和轉(zhuǎn)子之間形成大氣隙；定子與基座連接，螺旋槳與電機為一體化結(jié)構(gòu)，螺旋槳直接嵌在轉(zhuǎn)子內(nèi)部。該發(fā)明的推進(jìn)裝置主要為吊艙式結(jié)構(gòu)，體積較大，適用于大型船舶、潛艇等場合，無法滿足小型航行器對推進(jìn)系統(tǒng)體積重量的限制要求。此外，該推進(jìn)裝置為單轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，推進(jìn)過程會產(chǎn)生橫滾力，會破壞小型航行器的姿態(tài)穩(wěn)定。

針對小型航行器的推進(jìn)問題，目前普遍采用的是高速電機帶減速齒輪箱的推進(jìn)方式。該結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)速高達(dá)10000rpm的高速電機，通過減速齒輪箱將速度將為兩個反向旋轉(zhuǎn)的低速運動，進(jìn)而帶動兩個螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力。該結(jié)構(gòu)采用高速方案提高了電機的功率密度，同時也解決了單螺旋槳的旋轉(zhuǎn)扭矩問題。但是，仍存在以下缺點：

1)高速電機噪聲大，高頻電磁諧波嚴(yán)重，電磁輻射對航行器內(nèi)部靈敏元器件造成電磁干擾，降低了航行器的整體運行精度。

2)減速齒輪箱為純機械部件，高速情況下發(fā)熱嚴(yán)重，故障率高。

文獻(xiàn)《帶對轉(zhuǎn)螺旋槳的對轉(zhuǎn)永磁無刷直流電動機研究》(《微特電機》2010年第11期，頁碼：62-64,76)提出了一種適用于小型航行器推進(jìn)的定轉(zhuǎn)子對轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子同時帶有兩個螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)扭矩相互抵消，解決了單螺旋槳的旋轉(zhuǎn)扭矩問題。但由于這種結(jié)構(gòu)定轉(zhuǎn)子都是運動的，因此只能采用傳統(tǒng)的自然換熱或風(fēng)冷對其進(jìn)行冷卻，散熱能力差，功率密度低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有水下推進(jìn)系統(tǒng)散熱效果差、工作范圍小、可靠性低、電磁干擾嚴(yán)重、體積重量大等缺點，提出一種雙體對轉(zhuǎn)水下推進(jìn)系統(tǒng)。本發(fā)明采用全開放式結(jié)構(gòu)，安裝在航行器外部，電機與螺旋槳一體化，定子和轉(zhuǎn)子分別單獨實心密封，水流直接流過電機，散熱能力好、工作范圍寬，適應(yīng)性強，不僅可以降低航行器的整體重量，提高其內(nèi)部空間利用率，而且可以有效避免電機對航行器內(nèi)部敏感元器件的電磁干擾，提高系統(tǒng)的整體可靠性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明全開放式雙體對轉(zhuǎn)水下推進(jìn)系統(tǒng)主要由前、后兩臺推進(jìn)電機組成。前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機前后布置。所述前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)相同，分別由定子鐵心、繞組、永磁體、轉(zhuǎn)子軛、螺旋槳、輪轂和軸承組成。本發(fā)明推進(jìn)系統(tǒng)安裝在航行器的外部。

所述前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機共用一個機殼和密封套筒。所述機殼為圓筒狀貫通式全開放結(jié)構(gòu)，通過支撐梁與航行器一體化鑄造成型。所述支撐梁為中空結(jié)構(gòu)，電機電源線從支撐梁內(nèi)部穿出。所述密封套筒為玻璃鋼材質(zhì)，位于兩臺推進(jìn)電機定子鐵芯的內(nèi)側(cè)，套筒與兩側(cè)端蓋形成封閉空間，兩臺電機的定子封閉在封閉空間內(nèi)，封閉空間內(nèi)用環(huán)氧澆灌填充，實現(xiàn)實心密封。

所述前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子軛、螺旋槳、輪轂為一體化結(jié)構(gòu)，一次性鑄造成型。螺旋槳位于轉(zhuǎn)子軛和輪轂之間，輪轂內(nèi)部嵌裝軸承，轉(zhuǎn)子軛表面貼有磁鋼，磁鋼與玻璃鋼套筒之間形成氣隙。

所述前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機共用一個電機軸，所述電機軸為中空結(jié)構(gòu)，通過螺栓固定于航行器尾部；兩臺電機的軸承按照前后次序套裝在同一個軸上，前推進(jìn)電機的軸承在前，后推進(jìn)電機的軸承在后，確保兩臺電機的螺旋槳的扭角方向相反。

本發(fā)明的工作原理及工作過程為：

本發(fā)明推進(jìn)系統(tǒng)在水下運行時，前后兩臺推進(jìn)電機由同一個控制器供電，在各自的定子繞組中產(chǎn)生相互反向的旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子軛表面磁鋼產(chǎn)生的磁場相互作用，將各自轉(zhuǎn)子牽入同步轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動各自的螺旋槳相互反向旋轉(zhuǎn)。由于本推進(jìn)系統(tǒng)為全開放結(jié)構(gòu)，在兩個螺旋槳的旋轉(zhuǎn)作用下，系統(tǒng)前部的水流被吸入電機，一部分直接流過氣隙，對電機定子進(jìn)行了充分冷卻，一部分在螺旋槳的推動作用下從電機后部噴出，驅(qū)動航行器前進(jìn)。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明為全開放結(jié)構(gòu)，水流直接流過氣隙，提高了電機的冷卻效果；同時，定轉(zhuǎn)子均采用單獨實心密封，不存在任何空腔，可以在水下任意深度運行，工作范圍更廣，適應(yīng)性更強。

2、本發(fā)明為對轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，一方面，由于前后兩臺推進(jìn)電機的螺旋槳反向安裝，因此二者均產(chǎn)生向后的推力，成倍增加了航行器的前進(jìn)速度。另一方面，由于兩個螺旋槳相互反向旋轉(zhuǎn)，二者產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩剛好相互抵消，從而避免了航行器橫滾，保證了航行器的姿態(tài)平穩(wěn)。

3、本發(fā)明為雙體結(jié)構(gòu)，兩臺推進(jìn)電機既可以同步控制，同時工作，也可以單獨控制，獨立工作，大大提高了推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和冗余性。

4、本發(fā)明為電機與螺旋槳一體化結(jié)構(gòu)，安裝在航行器外部，一方面，有效避免了電磁輻射對航行器內(nèi)部靈敏元器件的電磁干擾；另一方面，大大減小了航行器的體積和重量，進(jìn)而在一定程度上提高了航行器的靈活性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明全開放式雙體對轉(zhuǎn)水下推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中：101第一定子鐵芯、102第一定子繞組、103第一磁鋼、104第一轉(zhuǎn)子軛、105第一螺旋槳、106第一輪轂、107第一軸承、201第二定子鐵芯、202第二定子繞組、203第二磁鋼、204第二轉(zhuǎn)子軛、205第二螺旋槳、206第二輪轂、207第二軸承、3機殼、4航行器、5支撐梁、6端蓋、7套筒、8電機軸、9環(huán)氧、10電源線；

圖2是本發(fā)明全開放式雙體對轉(zhuǎn)水下推進(jìn)系統(tǒng)的前視圖和后視圖，其中，圖2a為本發(fā)明全開放式雙體對轉(zhuǎn)水下推進(jìn)系統(tǒng)的前視圖；圖2b為本發(fā)明全開放式雙體對轉(zhuǎn)水下推進(jìn)系統(tǒng)的后視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明全開放式雙體對轉(zhuǎn)水下推進(jìn)系統(tǒng)包括前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機。前推進(jìn)電機由第一定子鐵芯101、第一定子繞組102、第一磁鋼103、第一轉(zhuǎn)子軛104、第一螺旋槳105、第一輪轂106和第一軸承107組成；后推進(jìn)電機由第二定子鐵芯201、第二定子繞組202、第二磁鋼203、第二轉(zhuǎn)子軛204、第二螺旋槳205、第二輪轂206和第二軸承207組成。

如圖1和圖2a、圖2b所示，前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機共用一個機殼3和密封套筒7。機殼3為圓筒狀貫通式全開放結(jié)構(gòu)，通過多個支撐梁5與航行器4一體化鑄造成型，圖2a和圖2b所示為4個支撐梁5。支撐梁5為中空結(jié)構(gòu)，電源線10從支撐梁5內(nèi)穿出。密封套筒7為玻璃鋼材質(zhì)，套筒7與兩側(cè)端蓋6形成封閉空間，將第一定子鐵芯101、第一定子繞組102、第二定子鐵芯201、第二定子繞組202封閉在所述封閉空間內(nèi)，封閉空間內(nèi)用環(huán)氧9澆灌填充，實現(xiàn)實心密封。

如圖1和圖2a、圖2b所示，第一轉(zhuǎn)子軛104、第一螺旋槳105、第一輪轂106為一體化結(jié)構(gòu)，第一螺旋槳105位于第一轉(zhuǎn)子軛104和第一輪轂106之間，由多個葉片組成，圖2、圖2b所示為6個。第一輪轂106內(nèi)部嵌裝第一軸承107。第二轉(zhuǎn)子軛204、第二螺旋槳205、第二輪轂206為一體化結(jié)構(gòu)，第二螺旋槳205位于第二轉(zhuǎn)子軛204和第二輪轂206之間，由多個葉片組成，圖2、圖2b所示為7個。第二輪轂206內(nèi)部嵌裝第二軸承207。

如圖1和圖2a、圖2b所示，前推進(jìn)電機和后推進(jìn)電機共用一個電機軸8。電機軸8為中空結(jié)構(gòu)，通過螺栓固定于航行器4的尾部。第一軸承107和第二軸承207按照前后次序套裝在電機軸8上，第一軸承107在前，第二軸承207在后，確保第一螺旋槳105和第二螺旋槳205的扭角方向相反。