專利名稱：水下球形電機(jī)推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下以電機(jī)為動(dòng)力裝置的矢量推進(jìn)器，特別是涉及一種采用 外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的球形電機(jī).
(二)
背景技術(shù)：
隨著電機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展，各種形式的電機(jī)開始作為動(dòng)力裝置應(yīng)用于水 下推進(jìn)器。但是在目前的電機(jī)推進(jìn)器中，例如專利號(hào)為200620055186. 1的電機(jī) 推進(jìn)器，推進(jìn)電機(jī)采用的都是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，螺旋槳通過減速器或其他傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn) 子相連接，轉(zhuǎn)子圍繞一根固定軸旋轉(zhuǎn)，螺旋槳只能推著負(fù)載在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)前 進(jìn)和后退，若要變換運(yùn)動(dòng)方向，還需要在推進(jìn)器后面增加方向舵，通過控制舵的 角度來改變負(fù)載的運(yùn)行軌跡，方向舵的增加不僅僅導(dǎo)致水下工作裝置整體機(jī)械結(jié) 構(gòu)和運(yùn)行控制的復(fù)雜化，而且也會(huì)降低推進(jìn)效率。在實(shí)際中，還可以采用多臺(tái)電 機(jī)推進(jìn)器，每臺(tái)電機(jī)推進(jìn)器只實(shí)現(xiàn)某一個(gè)特定方向的推進(jìn)，這樣多臺(tái)聯(lián)合工作， 從而滿足水下推進(jìn)的需求。但這也會(huì)導(dǎo)致工作裝置體積變大，質(zhì)量增加，經(jīng)濟(jì)性 變差。因此目前需要一種新型的電機(jī)推進(jìn)器，在無需復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和其他輔助 裝置的前提下，可以靈活的改變推進(jìn)方向。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在能夠?qū)崿F(xiàn)矢量推進(jìn)的水下電機(jī)推進(jìn)器的同時(shí)， 可使水下工作裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、質(zhì)量減輕、體積縮小，具有更好的應(yīng)用性和更 高的可靠性的水下球形電機(jī)推進(jìn)器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
它包括靜止不動(dòng)的電機(jī)定子部分和轉(zhuǎn)子與螺旋槳一體化的旋轉(zhuǎn)部分，定子鐵 心1為球形，球形定子鐵心表面沿大圓開有三個(gè)相互垂直的槽，槽內(nèi)分別放置三 相集中繞組，繞組包括第一繞組11、第二繞組12和第三繞組13，繞組兩兩垂直， 三相繞組的線圈通過電纜線14接到水下密封插頭16上，定子鐵心外面包有與其 固定在一起的球形密封殼2，球殼形的外轉(zhuǎn)子通過第一橡膠軸承3和第二橡膠軸 承9套在密封殼上，第一橡膠軸承3表面開有水槽4，第二橡膠軸承9表面也開有水槽、并且在中間位置留有過水孔IO，在兩個(gè)橡膠軸承之間為轉(zhuǎn)子鐵心6，在 轉(zhuǎn)子鐵心6和密封殼2之間留有微小的縫隙7，轉(zhuǎn)子鐵心6、第一橡膠軸承3、 第二橡膠軸承9都與外殼5結(jié)合在一起，螺旋槳槳葉8直接固定在外殼上。 本發(fā)明還可以包括
1、 密封殼2由非導(dǎo)磁、防銹、耐磨材料構(gòu)成。
2、 密封殼與負(fù)載連接的端部上留有過孔15。
3、 球殼形的外轉(zhuǎn)子與密封殼之間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
4、 轉(zhuǎn)子鐵心由耐腐蝕、低電阻率的的導(dǎo)磁材料構(gòu)成。
5、 外殼由耐腐蝕的非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。 工作原理-
外部控制器通過水下密封插頭16和電纜線14向繞組11、 12、 13內(nèi)饋入三 相交流電，由電機(jī)學(xué)中交流繞組磁動(dòng)勢(shì)的相關(guān)知識(shí)可知，當(dāng)繞組11和繞組12內(nèi) 的交流電幅值和頻率相同，而相位相差90°電角度時(shí)，會(huì)在球形定子鐵心外表 面上形成一個(gè)在xz平面內(nèi)勻速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)；繞組11和繞組13內(nèi)的交流電幅值 和頻率相同，而相位相差90°電角度時(shí)，會(huì)在球形定子鐵心外表面上形成一個(gè) 在yz平面內(nèi)勻速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)；繞組12和繞組13內(nèi)的交流電幅值和頻率相同， 而相位相差9(T電角度時(shí)，會(huì)在球形定子鐵心外表面上形成一個(gè)在xy平面內(nèi)勻 速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，磁動(dòng)勢(shì)的大小取決于交流電的幅值，轉(zhuǎn)速取決于交流電的頻率， 轉(zhuǎn)向取決于交流電的相位關(guān)系。因此，只要控制饋入三個(gè)繞組內(nèi)的交流電的幅值、 頻率和相位，就可以在球形定子鐵心l的表面形成一個(gè)沿任意一個(gè)大圓，以任意 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)的空間磁場(chǎng)，由于密封殼2為非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。因此定子磁場(chǎng)可 以透過密封殼2進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵心6，在轉(zhuǎn)子鐵心6中形成渦流，進(jìn)而形成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)， 定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線與定子磁場(chǎng)軸線重合，轉(zhuǎn)子 跟隨定子磁場(chǎng)一起旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)螺旋槳槳葉8旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 是利用感應(yīng)電流產(chǎn)生的，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必然低于定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。當(dāng)定子磁場(chǎng)的空 間位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵心6在球形密封殼2表面的相對(duì)位置、 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向也會(huì)跟隨改變，螺旋槳的推進(jìn)方向、推進(jìn)力的大小隨之改變，最終實(shí) 現(xiàn)在三維立體空間內(nèi)任意方向的推進(jìn)。推進(jìn)過程中橡膠軸承3和9起到支撐、定 位作用，水流通過橡膠軸承3表面的水槽4和橡膠軸承9表面的水槽以及過水孔
410，進(jìn)入到轉(zhuǎn)子鐵心6與密封殼2之間的縫隙7中，起到潤(rùn)滑作用。雖然由于密 封殼與其他裝置連接端部的限制，轉(zhuǎn)子鐵心6不可能沿著密封殼2的球形表面任 意大圓轉(zhuǎn)動(dòng)，即螺旋槳偏轉(zhuǎn)角度受到限制，但是螺旋槳的推進(jìn)方向仍可以在較大 空間范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、上浮、下沉、左傳、右轉(zhuǎn)等運(yùn)行狀態(tài)。圖 6(a)給出了電機(jī)推進(jìn)器的一種具體工作狀態(tài)，電機(jī)推進(jìn)器工作時(shí)，定子鐵心靜止， x、 y、 z三個(gè)軸的方向不變，kk'表示定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸線，推進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行 時(shí)，kk'也是轉(zhuǎn)子鐵心和螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸線。通過控制三個(gè)繞組中的交流電，可 以改變kk'與x、 y、 z三軸之間的夾角。在圖9中，kk'與z軸垂直，位于x 軸和y軸之間，當(dāng)螺旋槳按圖中所示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)推進(jìn)器將推動(dòng)負(fù)載向左下 方運(yùn)動(dòng)。kk'空間位置不變，螺旋槳反轉(zhuǎn)，如圖10所示，電機(jī)推進(jìn)器將推動(dòng)負(fù) 載向右上方運(yùn)動(dòng)。改變kk'與z軸的夾角，使兩者不再垂直，則電機(jī)推進(jìn)器又 可以提供z軸方向的推進(jìn)。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
(1) 采用球形定子鐵心、三相交流繞組空間相互垂直放置，通過控制饋入 的三相交流電，可在定子鐵心表面形成任意位置，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向可調(diào)節(jié)的空間旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)。
(2) 采用非導(dǎo)磁材料做成的定子鐵心密封外殼，除用于與其他裝置相連接 和用于繞組進(jìn)線的端部外，外形為球形，其既可以實(shí)現(xiàn)定子繞組密封，確保定子 磁場(chǎng)可透過密封殼，又可以使轉(zhuǎn)子部分沿其球形表面任意轉(zhuǎn)動(dòng)。
(3) 轉(zhuǎn)子鐵心位于兩個(gè)橡膠軸承之間，兩個(gè)橡膠軸承起到支撐、定位作用， 使轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)的牽引下，能夠沿密封殼球形表面旋轉(zhuǎn)，橡膠軸承表面開有水 槽，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入縫隙間的水即可以起到潤(rùn)滑作用，還可以有助于電機(jī)的散 執(zhí)。
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(4) 螺旋槳和電機(jī)轉(zhuǎn)子采用一體化結(jié)構(gòu)，無需傳動(dòng)軸和機(jī)械減速機(jī)構(gòu)。
(5) 球形電機(jī)推進(jìn)器的整體結(jié)構(gòu)中，只有定子繞組采用密封殼實(shí)現(xiàn)靜密封， 不存在任何動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。
(6) 在定子鐵心軸線不變的前提下，轉(zhuǎn)子鐵心軸線即螺旋槳軸線在三維空 間內(nèi)的指向可靈活改變。
有益效果(1) 球形電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)中沒有輸出軸和減速器，體積小、效率高。
(2) 通過磁場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)密封殼內(nèi)外的能量傳遞，不存在動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，密 封性能好，總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于深水環(huán)境。
(3) 單臺(tái)球形電機(jī)推進(jìn)器通過調(diào)節(jié)定子磁場(chǎng)，就可靈活改變推進(jìn)方向，實(shí)
現(xiàn)矢量推進(jìn)，無需方向舵和其他輔助設(shè)備，因此可以簡(jiǎn)化水下工作裝置的總體結(jié) 構(gòu)、減輕質(zhì)量、縮小體積。
(4) 螺旋槳堵轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)電機(jī)推進(jìn)器造成物理性損壞，雖然此時(shí)轉(zhuǎn)子鐵 心發(fā)熱嚴(yán)重，但是由于其置于水中，因此散熱環(huán)境好，不會(huì)燒壞。
(四)


圖1是本發(fā)明球形電機(jī)推進(jìn)器的外形示意圖； 圖2是圖1的右視圖3是球形電機(jī)推進(jìn)器靜止部分的外形示意圖； 圖4是圖3的右視圖5是球形電機(jī)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)部分的外形示意圖6是圖5的右視圖7是球形電機(jī)推進(jìn)器剖面結(jié)構(gòu)圖8是球形電機(jī)推進(jìn)器三相繞組空間位置示意圖9和圖10分別是球形電機(jī)推進(jìn)器的一種工作狀態(tài)示意圖。
(五)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
結(jié)合圖l-圖6，本發(fā)明為了使電機(jī)推進(jìn)器能夠在無需方向舵，更不需要多臺(tái) 電機(jī)推進(jìn)器配合的情況下，依靠自身動(dòng)力改變推進(jìn)方向，在實(shí)現(xiàn)水下電機(jī)推進(jìn)器 矢量推進(jìn)的同時(shí)，可使水下工作裝置簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量、縮小體積，具有 更好的應(yīng)用性和更高的可靠性。所設(shè)計(jì)的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，從結(jié)構(gòu)上可將其 分成靜止不動(dòng)的電機(jī)定子部分和轉(zhuǎn)子與螺旋槳一體化的旋轉(zhuǎn)部分，分別如圖2和 圖3所示?？傮w結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖7所示。定子鐵心l為球形，為了減小工作
過程中的鐵損，可由硅鋼片疊裝而成，球形鐵心表面沿大圓開有三個(gè)相互垂直的
槽，槽內(nèi)分別放置三相集中繞組11、 12、 13，以鐵心的球心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三 維坐標(biāo)系，水平向右為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，垂直紙面向外為z軸正方向，繞組ll、 12、 13的空間位置關(guān)系如圖8所示，繞組兩兩垂直，三相 繞組的線圈通過電纜線14接到水下密封插頭16上。定子鐵心外面包有與其固定 在一起的球形密封殼2，密封殼2由非導(dǎo)磁、防銹、耐磨材料構(gòu)成，為了確保電 機(jī)的性能，密封殼不能太厚，密封殼與負(fù)載連接的端部上留有過孔15，便于電 機(jī)推進(jìn)器的安裝、固定。球殼形的外轉(zhuǎn)子通過橡膠軸承3和橡膠軸承9套在密封 殼上，可沿多個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，橡膠軸承3和9之主要起到支撐作用，橡膠軸承3表 面開有水槽4，橡膠軸承9表面也開有水槽，并且在中間位置留有過水孔IO。在 兩個(gè)橡膠軸承之間為轉(zhuǎn)子鐵心6，其由耐腐蝕、低電阻率的的導(dǎo)磁材料構(gòu)成，在 轉(zhuǎn)子鐵心6和密封殼2之間留有微小的縫隙7。轉(zhuǎn)子鐵心6、橡膠軸承3、橡膠 軸承9都與外殼5結(jié)合在一起，外殼5由耐腐蝕的非導(dǎo)磁材料構(gòu)成，并且螺旋槳 槳葉8直接固定在外殼上，形成螺旋槳與外轉(zhuǎn)子一體化的結(jié)構(gòu)。
外部控制器根據(jù)航向、航速等指令，控制饋入定子繞組11、 12、 13的三相 交流電，進(jìn)而調(diào)節(jié)定子磁場(chǎng)在定子球形鐵心1上的空間位置、旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)向， 定子磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鐵心6中產(chǎn)生渦流，形成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，穩(wěn)定 運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵心6的軸線kk'與定子磁場(chǎng)軸線重合，并且轉(zhuǎn)子鐵心6隨著定 子磁場(chǎng)一起同向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速必然低于定子磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)速，由于螺旋槳槳葉8與轉(zhuǎn)子采用一體化結(jié)構(gòu)，因此螺旋槳的推進(jìn)方向、推進(jìn) 速度會(huì)跟隨定子磁場(chǎng)的改變而變化，從而可以使球形電機(jī)推進(jìn)器完全依靠自身動(dòng) 力實(shí)現(xiàn)推進(jìn)過程中的推進(jìn)方向的改變，而不需要方向舵和其他輔助裝置。轉(zhuǎn)子鐵 心6依靠橡膠軸承3和橡膠軸承9來支撐、定位，運(yùn)行過程中，水通過橡膠軸承 3表面的水槽4、鐵心6與密封殼2之間的縫隙7、橡膠軸承9表面的水槽以及 過水孔IO，形成回路，即可以起到潤(rùn)滑作用，又有利于電機(jī)的散熱。
以上實(shí)施方式中定子繞組采用的是集中繞組形式，為了改進(jìn)電機(jī)性能，定子 繞組也可以采用分布繞組，其他細(xì)節(jié)同上述實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1、一種水下球形電機(jī)推進(jìn)器，它包括靜止不動(dòng)的電機(jī)定子部分和轉(zhuǎn)子與螺旋槳一體化的旋轉(zhuǎn)部分，其特征是定子鐵心1為球形，球形定子鐵心表面沿大圓開有三個(gè)相互垂直的槽，槽內(nèi)分別放置三相集中繞組，繞組包括第一繞組11、第二繞組12和第三繞組13，繞組兩兩垂直，三相繞組的線圈通過電纜線14接到水下密封插頭16上，定子鐵心外面包有與其固定在一起的球形密封殼2，球殼形的外轉(zhuǎn)子通過第一橡膠軸承3和第二橡膠軸承9套在密封殼上，第一橡膠軸承3表面開有水槽4，第二橡膠軸承9表面也開有水槽、并且在中間位置留有過水孔10，在兩個(gè)橡膠軸承之間為轉(zhuǎn)子鐵心6，在轉(zhuǎn)子鐵心6和密封殼2之間留有微小的縫隙7，轉(zhuǎn)子鐵心6、第一橡膠軸承3、第二橡膠軸承9都與外殼5結(jié)合在一起，螺旋槳槳葉8直接固定在外殼上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是密封殼2由非導(dǎo)磁、防銹、耐磨材料構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是密封殼與負(fù)載連接的端部上留有過孔15。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是球殼形的外轉(zhuǎn)子與密封殼之間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是球殼形的外轉(zhuǎn)子與密封殼之間可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是轉(zhuǎn)子鐵心由耐腐蝕、低電阻率的的導(dǎo)磁材料構(gòu)成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是轉(zhuǎn)子鐵心由耐腐蝕、低電阻率的的導(dǎo)磁材料構(gòu)成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是轉(zhuǎn)子鐵心由耐腐蝕、低電阻率的的導(dǎo)磁材料構(gòu)成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水下球形電機(jī)推進(jìn)器，其特征是轉(zhuǎn)子鐵心由耐腐蝕、低電阻率的的導(dǎo)磁材料構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水下球形電機(jī)推進(jìn)器。定子鐵心為球形，球形定子鐵心表面沿大圓開有三個(gè)相互垂直的槽，槽內(nèi)分別放置三相集中繞組，繞組兩兩垂直，三相繞組的線圈通過電纜線接到水下密封插頭上，定子鐵心外面包有與其固定在一起的球形密封殼，球殼形的外轉(zhuǎn)子通過橡膠軸承套在密封殼上，橡膠軸承表面開有水槽，在兩個(gè)橡膠軸承之間為轉(zhuǎn)子鐵心，在轉(zhuǎn)子鐵心和密封殼之間留有微小的縫隙，轉(zhuǎn)子鐵心、橡膠軸承與轉(zhuǎn)子外殼結(jié)合在一起，螺旋槳槳葉直接固定在轉(zhuǎn)子外殼上。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了水下電機(jī)推進(jìn)器的矢量推進(jìn)，在提高了推進(jìn)器性能的同時(shí)，可使水下工作裝置簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量、縮小體積，具有更好的應(yīng)用性和更高的可靠性。
文檔編號(hào)B63H21/00GK101505076SQ200910071519
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月11日
發(fā)明者劉宏達(dá), 孟繁榮, 強(qiáng) 張, 張敬南, 張文義, 江 游, 紅 王, 鵬 程, 羅耀華, 趙凱岐 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)