高功率密度混合磁通水下推进器

1.本发明涉及推进器技术领域，尤其是涉及一种高功率密度混合磁通水下推进器。


背景技术：

2.水下航行器、船舶等交通工具设置有水下推进器，其中，各种高性能水下机器人、水下航行器对水下推进器的功率密度、轻量化、紧凑性的要求越来越高。水下推进器通常采用电机驱动螺旋桨旋转，通过操控螺旋桨实现船舶的不同速度行驶。电机与螺旋桨驱动连接通常齿轮机构驱动连接，以实现的动力传递，该结构不仅增加了齿轮机构作为转接，同时也增加了水下推进器的整体结构复杂性。
3.为简化水下推进器的结构，中国专利cn 111641308 a公开了一种轴向磁通电机驱动的环形电力推进器，包括：壳体、轴向磁通电机、螺旋桨和轴承组件。本发明环形电力推进器采用置于水中的轴向磁通电机直接带动螺旋桨转动，省去了中间的传动设备，转子和螺旋桨组件由置于水中的轴承支撑并将推力传递到电机和船体上。
4.中国专利cn202011476046.2公开了一种轮缘水下推进器，包括前置导叶、前导流罩、机壳、后导流罩、定子绕组、转子磁钢、转子套及螺旋桨，其中前置导叶和后导流罩分别连接在机壳的前后端，前导流罩设置于前置导叶的外侧；定子绕组设置于机壳的内壁上；螺旋桨容置于机壳的内侧并且可转动地安装在前置导叶上，转子套套装在螺旋桨上，转子磁钢设置于转子套的外侧并且与定子绕组相对应。本发明采用轮缘电机的结构形式，由电机转子直接驱动螺旋桨旋转并产生推力，传动链短，结构紧凑，电机定子部分采用灌封工艺，使用穿舱件将定子绕组出线引入导叶中空部分的干舱内，轴承采用全陶瓷滚动轴承，能够保证推进器长期高效工作于水下环境中。
5.上述的推进器在转子的布局上分别采用轴向和径向磁场单独驱动的结构，仅仅具有单一方向的磁场，存在产生的推力小，功率密度低的技术问题，有必要予以进一步改进。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高功率密度混合磁通水下推进器。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：本发明公开了一种高功率密度混合磁通水下推进器，包括：
8.壳体组件，所述壳体组件呈环形；
9.固定连接于所述壳体组件的定子组件，所述定子组件包括一体结构的定子铁芯、装配于所述定子铁芯的多个轴向绕组和径向绕组，所述轴向绕组沿所述定子铁芯的轴向分布，所述径向绕组沿所述定子铁芯的径向分布；
10.转子组件，包括转子轭、安装于所述转子轭的轴向永磁组和径向永磁组，所述轴向永磁组与所述轴向绕组相对设置，所述径向永磁组与所述径向绕组相对设置，所述转子轭的内圈表面间隔分布有多片桨叶；
11.轴承组件，连接所述转子组件和所述壳体组件。
12.在一实施例中，所述转子轭包括呈环形的磁轭体，所述桨叶自所述磁轭体的内圈表面间隔凸出，所述磁轭体自外圈表面凹陷形成的磁轭槽，所述径向永磁组沿所述磁轭槽的底壁分布，所述轴向永磁组沿所述磁轭槽的槽壁分布，至少部分定子组件伸入所述磁轭槽内。
13.在一实施例中，所述轴向永磁组对称设置于所述磁轭槽的相对两侧槽壁。
14.在一实施例中，所述轴向永磁组包括均匀分布于所述磁轭槽的多个轴向永磁体，每一侧所述磁轭槽的槽壁所分布的轴向永磁体数量为2p，p为整数，以形成极对数为p的轴向磁场。
15.在一实施例中，所述径向永磁组包括多个径向永磁体，所述径向永磁体的数量与每一侧所述磁轭槽的槽壁所分布的轴向永磁体数量相等，以形成极对数为p的径向磁场。
16.在一实施例中，所述轴向绕组分布于所述定子铁芯背对设置的两侧面。
17.在一实施例中，所述定子铁芯的两侧面沿轴向局部凸出形成多个轴向凸台，每个所述轴向绕组对应绕制所述轴向凸台。
18.在一实施例中，所述定子铁芯包括贯穿设置的分隔槽，所述分隔槽的开口延伸相交至所述定子铁芯的内圆面，相邻两个所述分隔槽之间形成径向凸台，每个所述径向凸台对应绕制所述径向绕组。
19.在一实施例中，均匀分布的多个所述桨叶组成无轮毂螺旋桨。
20.在一实施例中，所述轴向绕组和径向绕组分别采用集中绕组形式，所述轴向绕组和径向绕组串联连接或并联连接。
21.本发明的转子组件和定子组件在轴向磁场和径向磁场的复合驱动下运动，通过转子组件的转动实现桨叶直接转动，实现混磁通无轴轮缘推进器的功能。转子轭为整体结构，既能满足轴向转子要求，又符合径向转子要求，使水下推进器的推力大小灵活调节，合理有效利用壳体组件的空间，提高水下推进器的功率密度。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，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。
23.图1是本发明的水下推进器的结构示意图；
24.图2是本发明的水下推进器的剖视结构示意图；
25.图3是图2中a处的放大结构示意图；
26.图4是本发明的水下推进器的爆炸结构示意图；
27.图5是本发明的定子组件的结构示意图；
28.图6是本发明的转子组件的结构示意图；
29.图中：10、壳体组件；11、机壳；12、第一导流罩；13、第二导流罩；14、导流曲面；20、转子组件；21、转子轭；211、第一轴向转子轭体；212、第二轴向转子轭体；213、磁轭槽；214、磁轭体；215、径向转子轭体；22、轴向永磁组；221、轴向永磁体；23、径向永磁组；231、径向永
磁体；24、桨叶；30、定子组件；31、定子铁芯；311、轴向凸台；312、分隔槽；313、径向凸台；314、侧向凸台；32、轴向绕组；33、径向绕组；40、轴承组件。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更详细的描述。但是，应当理解，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式或实施例。相反地，提供这些实施方式或实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式或实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”的可选范围包括两个或两个以上相关所列项目中任一个，也包括相关所列项目的任意的和所有的组合，所述任意的和所有的组合包括任意的两个相关所列项目、任意的更多个相关所列项目、或者全部相关所列项目的组合。
32.见图1至图4所示：本发明公开了一种高功率密度混合磁通水下推进器，水下推进器包括壳体组件10、转子组件20、定子组件30及轴承组件40，定子组件30固定连接于壳体组件10，轴承组件40连接转子组件20和壳体组件10。转子组件20在水下推进器运行过程中相对于定子组件30转动，转子组件20和壳体组件10之间通过轴承组件40活动连接。优选地，轴承组件40采用水润滑轴承，以保持转子组件20和壳体组件10之间间隙小，在水下环境转动灵活性好。
33.壳体组件10呈环形结构，定子组件30位于壳体组件10内，转子组件20位于壳体组件10的内圈并向壳体组件10内部延伸，转子组件20与定子组件30相互磁性感应。在本技术中轴向定义为壳体组件10的轴向方向，径向定义为壳体组件10的径线方向。
34.可选地，壳体组件10包括机壳11、装配于机壳11两侧的第一导流罩12和第二导流罩13，第一导流罩12、机壳11和第二导流罩13之间构成容纳空间，定子组件30固定于机壳11且位于容纳空间内，转子组件20的轴向两侧通过轴承组件40活动连接于第一导流罩12和第二导流罩13。可选地，第一导流罩12和第二导流罩13具有自边缘向中心凹陷的导流曲面14，导流曲面14引导流体在水下推进器运行时的引流，减小流道损耗。
35.定子组件30包括一体结构的定子铁芯31，装配于定子铁芯31的多个轴向绕组32和径向绕组33，轴向绕组32沿定子铁芯31的轴向分布，径向绕组33沿定子铁芯31的径向分布。定子铁芯31为整体结构，轴向绕组32分布于定子铁芯31轴向，以构成轴向磁通。径向绕组33分布于定子铁芯31的径向，以构成径向磁通。轴向磁通及径向磁通公用同一个定子铁芯31，实现轴向定子和径向定子一体，有效地节省了定子组件30的空间尺寸。
36.见图3至图6所示：转子组件20包括转子轭21、安装于转子轭21的轴向永磁组22和径向永磁组23，轴向永磁组22与轴向绕组32相对设置，径向永磁组23与径向绕组33相对设置。轴向永磁组22和径向永磁组23具有多块永磁体组成，轴向永磁组22与轴向绕组32所产生的轴向磁通相互感应，以构成轴向磁通盘式驱动机构。径向永磁组23与径向绕组33所产生的径向磁通相互感应，以构成径向磁通旋转驱动机构。该轴向磁通盘式驱动机构和径向磁通旋转驱动机构共用一个定子铁芯31，组合成混合磁通驱动机构。定子组件30的结构紧凑，轴向尺寸短，输出推力大。
37.其中，转子轭21的内圈表面间隔分布有多片桨叶24，桨叶24自内圈表面向中心方向弯曲延伸，以构成螺旋桨结构。可选地，均匀分布的多个桨叶24组成无轮毂螺旋桨，两组轴向永磁组22和径向永磁组23共同连接到转子轭21，并驱动无轮毂螺旋桨旋转。转子组件20输出转矩直接转化为推进器的推力，以形成同步旋转的无轴轮缘推进器。桨叶24采用混合磁通驱动机构驱动，整体轴向尺寸小，输出推动力大，功率密度高。
38.在一实施例中，转子轭21包括呈环形的磁轭体214，桨叶24自磁轭体214的内圈表面间隔凸出。磁轭体214位于壳体组件10内，磁轭体214自外圈表面凹陷形成的磁轭槽213。磁轭槽213为分布于磁轭体214外圈的凹槽结构，径向永磁组23沿磁轭槽213的底壁分布，轴向永磁组22沿磁轭槽213的槽壁分布。其中，轴向永磁组22沿磁轭槽213分布于一侧或双侧槽壁。可选地，轴向永磁组22对称设置于磁轭槽213的相对两侧槽壁，以构成双轴向转子结构，以进一步提高功率密度。
39.装配有轴向绕组32和径向绕组33的定子铁芯31部分伸入磁轭槽213内，轴向绕组32与轴向永磁组22相对设置，两者的间隔距离及相对位置可控。径向绕组33与径向永磁组23相对设置，两者的间隔距离及相对位置可控。定子铁芯31和磁轭槽213构成互补结构，以方便控制内部配合空间，并降低轴向空间尺寸和径向空间尺寸。
40.在一可选地实施例中，转子轭21包括径向转子轭体215、固定于径向转子轭体215的第一轴向转子轭体211和第二轴向转子轭体212，第一轴向转子轭体211和第二轴向转子轭体212相对设置，在第一轴向转子轭体211、径向转子轭体215和第二轴向转子轭体212之间构成磁轭槽213。第一轴向转子轭体211、径向转子轭体215和第二轴向转子轭体212三者组装配合，方便径向永磁组23及轴向永磁组22的组装，以及各个部件之间气隙调整。
41.在一实施例中，轴向永磁组22包括均匀分布于磁轭槽213的多个轴向永磁体221，轴向永磁体221采用磁钢材料制成，轴向永磁体221环绕槽壁间隔均匀分布。可选地，轴向永磁体221设置为扇形结构或者条形结构。
42.见图3至图6所示：每一侧磁轭槽213的槽壁所分布的轴向永磁体221数量为2p，p为整数，以形成极对数为p的轴向磁场。轴向永磁体221的数量为2的整数倍，以构成极数为p的轴向磁场。相对两侧的槽壁上的轴向永磁体221的极对数相同，可产生相同频率的磁场，提高转子组件20转动的平稳性。
43.在一实施例中，径向永磁组23包括多个径向永磁体231，径向永磁体231的数量与每一侧磁轭槽213的槽壁所分布的轴向永磁体221数量相等，以形成极对数为p的径向磁场。轴向永磁体221的极对数和径向永磁组23的极对数相同，以产生相同频率的磁场，又能保持较高的功率密度。
44.定子铁芯31伸入到磁轭槽213内，轴向绕组32分布于定子铁芯31背对设置的两侧面，轴向绕组32与轴向永磁体221相对设置。其中，轴向绕组32的数量为3m，m为整数，轴向绕组32形成m相绕组。轴向绕组32和轴向永磁组22之间相互作用形成轴向旋转磁场，从而驱动转子组件20转动。
45.基于相同的原理，径向绕组33的数量为3m，m为整数，径向绕组33形成m相绕组。径向绕组33和径向永磁组23之间相互作用形成径向旋转磁场，从而驱动转子组件20转动。
46.轴向绕组32装配于定子铁芯31，可选地，定子铁芯31的两侧面沿轴向局部凸出形成多个轴向凸台311，每个轴向绕组32对应绕制轴向凸台311。轴向凸台311沿定子铁芯31的
轴向凸出，轴向绕组32绕制于轴向凸台311的外周壁。定子铁芯31通过调整轴向凸台311的凸出部位，可以调整轴向绕组32的绕制位置及磁场范围。可选地，轴向绕组32的形状与轴向凸台311的形状相同，从而改变磁场区域。例如，轴向凸台311呈圆柱转、矩形或梯形类多变形状、扇形状等截面，轴向绕组32的形状与该轴向凸台311的形状基本相同，可产生较大的轴向磁通。
47.在一实施例中，定子铁芯31包括贯穿设置的分隔槽312，分隔槽312的开口延伸相交至定子铁芯31的内圆面，相邻两个分隔槽312之间形成径向凸台313，每个径向凸台313对应绕制径向绕组33。径向绕组33绕制于径向凸台313上，径向绕组33至少部分位于分隔槽312内。径向凸台313为定子铁芯31的一部分，磁通效果好。分隔槽312既能容纳部分径向绕组33，又能保持相邻径向绕组33的独立性，空间布局合理，可产生稳定的径向磁通。
48.可选地，径向凸台313的末端朝向相邻的径向凸台313方向局部凸出形成侧向凸台314，相邻两个径向凸台313的侧向凸台314之间形成配合间隙。径向凸台313和侧向凸台314构成近似于“t”字形结构，以限定径向绕组33的绕制范围，有能避免径向绕组33脱离径向凸台313。径向凸台313的末端截面尺寸大，与径向永磁体231之间的感应面积大，以产生较大的推力。
49.在上述实施例中轴向绕组32和径向绕组33分别采用集中绕组形式。
50.可选地，轴向绕组32和径向绕组33串联连接或并联连接。其中，轴向绕组32和径向绕组33可串联或并联成一个混合磁通驱动机构，轴向绕组32和径向绕组33共同驱动螺旋桨转动，推动力大。可选地，轴向绕组32和径向绕组33两者相对独立，根据当前的水下推进器情况独立运行，以提高能源利用率。其中，轴向绕组32和径向绕组33其中一个绕组构成电动机绕组，另一个绕组构成发电机绕组，用于减速及悬停时利用洋流进行能量回收，提高续航能力。
51.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
52.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，包括：壳体组件，所述壳体组件呈环形；固定连接于所述壳体组件的定子组件，所述定子组件包括一体结构的定子铁芯、装配于所述定子铁芯的多个轴向绕组和径向绕组，所述轴向绕组沿所述定子铁芯的轴向分布，所述径向绕组沿所述定子铁芯的径向分布；转子组件，包括转子轭、安装于所述转子轭的轴向永磁组和径向永磁组，所述轴向永磁组与所述轴向绕组相对设置，所述径向永磁组与所述径向绕组相对设置，所述转子轭的内圈表面间隔分布有多片桨叶；轴承组件，连接所述转子组件和所述壳体组件。2.根据权利要求1所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述转子轭包括呈环形的磁轭体，所述桨叶自所述磁轭体的内圈表面间隔凸出，所述磁轭体自外圈表面凹陷形成的磁轭槽，所述径向永磁组沿所述磁轭槽的底壁分布，所述轴向永磁组沿所述磁轭槽的槽壁分布，至少部分定子组件伸入所述磁轭槽内。3.根据权利要求2所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述轴向永磁组对称设置于所述磁轭槽的相对两侧槽壁。4.根据权利要求3所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述轴向永磁组包括均匀分布于所述磁轭槽的多个轴向永磁体，每一侧所述磁轭槽的槽壁所分布的轴向永磁体数量为2p，p为整数，以形成极对数为p的轴向磁场。5.根据权利要求4所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述径向永磁组包括多个径向永磁体，所述径向永磁体的数量与每一侧所述磁轭槽的槽壁所分布的轴向永磁体数量相等，以形成极对数为p的径向磁场。6.根据权利要求1所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述轴向绕组分布于所述定子铁芯背对设置的两侧面。7.根据权利要求6所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述定子铁芯的两侧面沿轴向局部凸出形成多个轴向凸台，每个所述轴向绕组对应绕制所述轴向凸台。8.根据权利要求1所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述定子铁芯包括贯穿设置的分隔槽，所述分隔槽的开口延伸相交至所述定子铁芯的内圆面，相邻两个所述分隔槽之间形成径向凸台，每个所述径向凸台对应绕制所述径向绕组。9.根据权利要求1至8任一项所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，均匀分布的多个所述桨叶组成无轮毂螺旋桨。10.根据权利要求1至8任一项所述的高功率密度混合磁通水下推进器，其特征在于，所述轴向绕组和径向绕组分别采用集中绕组形式，所述轴向绕组和径向绕组串联连接或并联连接。

技术总结
本发明公开了一种高功率密度混合磁通水下推进器，水下推进器包括：壳体组件，定子组件，定子组件包括一体结构的定子铁芯、多个轴向绕组和径向绕组。转子组件，包括转子轭、轴向永磁组和径向永磁组，轴向永磁组与轴向绕组相对设置，径向永磁组与径向绕组相对设置，转子轭的内圈表面间隔分布有多片桨叶；轴承组件，连接转子组件和壳体组件。转子组件和定子组件在轴向磁场和径向磁场的复合驱动下运动，通过转子组件的转动实现桨叶直接转动，实现混磁通无轴轮缘推进器的功能。转子轭为整体结构，既能满足轴向转子要求，又符合径向转子要求，使水下推进器的推力大小灵活调节，合理有效利用壳体组件的空间，提高水下推进器的功率密度。提高水下推进器的功率密度。提高水下推进器的功率密度。


技术研发人员：高云鹏 孙贤备 陈进华 张驰 杨桂林
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/9/20