發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于水下航行器的水下推進(jìn)裝置。更具體地，其涉及一種具有可以容易地制造的輕的且簡單的結(jié)構(gòu)的推進(jìn)裝置。

本發(fā)明還涉及配備有這種水下推進(jìn)裝置的水下航行器。

發(fā)明背景

無人水下航行器長期以來都是已知的。特別地，在文獻(xiàn)us741581中公開了一種玩具潛水艇。最近，這種航行器已經(jīng)被用作遙控的機械裝置(drones)，用于在水下環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，例如管道勘察和調(diào)查或軍事任務(wù)。在文獻(xiàn)wo2014/113121中已經(jīng)公開了這種應(yīng)用的示例。

無人水下航行器通常具有小的或微型的尺寸，以便允許它們易于操作以及在有限的空間內(nèi)儲存。然而，這樣的微型尺寸可能增加水下航行器對碎片侵入的脆弱性，或者增加水下航行器對所述航行器的推進(jìn)器中變得纏結(jié)的魚線的脆弱性，這可能顯著降低其性能，并且在最壞的情況下會導(dǎo)致其惡化和航行器的損失。另外，可能是具有挑戰(zhàn)性的是，確保推進(jìn)系統(tǒng)的運動部分具有高可靠性的防水和耐壓。馬達(dá)軸周圍的動態(tài)密封圈可能快速磨損，特別是當(dāng)暴露于水中的懸浮的砂粒或其它顆粒時。當(dāng)暴露在水中，特別是在鹽水中時，暴露的金屬部分也受到腐蝕的影響。失效的密封件通常會導(dǎo)致快速的進(jìn)水，這將損壞內(nèi)部部件，并降低航行器浮力，這可能導(dǎo)致整個航行器的完全損失。

過去已經(jīng)提出了針對這些問題的不同解決方案。

使所述航行器的推進(jìn)裝置的電動馬達(dá)防水和耐壓的一個解決方案是使用o形環(huán)和動態(tài)密封件，o形環(huán)和動態(tài)密封件可能快速磨損。用油來填充馬達(dá)以抵抗外部壓力會降低密封件的應(yīng)力，并減輕水侵入的風(fēng)險，但這增加馬達(dá)窄磁隙內(nèi)的摩擦力，可能會將油釋放到環(huán)境中，并需要定期維護(hù)以更換失去的油?？蛇x地，可以使用馬達(dá)和推進(jìn)器之間的磁耦合器，磁耦合器增加了體積和復(fù)雜性并限制了轉(zhuǎn)矩。

因此，本發(fā)明的第一個目的是提供一種用于微型水下航行器的水下推進(jìn)裝置，在該水下推進(jìn)裝置中避免了上面提及的缺點。

本發(fā)明的第二個目的是提供一種這樣的水下推進(jìn)裝置，該水下推進(jìn)裝置具有緊湊和低輪廓(lowprofile)的結(jié)構(gòu)，以便減少由馬達(dá)的體積所引起的阻力，從而提高水下航行器的性能，特別是當(dāng)推進(jìn)裝置用作姿態(tài)控制推力器并垂直于水下航行器的主要行進(jìn)方向安裝時。

本發(fā)明的第三個目的是提供一種可以容易地制造的水下推進(jìn)裝置。

發(fā)明概述

以這種觀點，本發(fā)明涉及一種水下推進(jìn)裝置，該水下推進(jìn)裝置包括：

-定子，其包括圓周排列的線圈并且適合于產(chǎn)生沿軸向方向的受控的電磁場，

-無軸的推進(jìn)轉(zhuǎn)子，其包括：

-至少兩個磁化的環(huán)形板，其沿著所述軸向方向同軸地隔開并垂直于所述軸向方向，使得所述圓周排列的線圈位于它們之間，每個板界定中心孔并且具有嵌入其中的圓周排列的徑向延伸的磁化極，所述磁化極產(chǎn)生與定子的電磁場相互作用的磁場，以便促使所述板圍繞平行于所述軸向方向的中心軸線旋轉(zhuǎn)，

-至少一個環(huán)形推進(jìn)器，該至少一個環(huán)形推進(jìn)器由其外周和其內(nèi)周界定，所述推進(jìn)器接納在所述板的中心孔內(nèi)并穩(wěn)固地固定至該中心孔，

-多個推進(jìn)器葉片，其從所述推進(jìn)器的內(nèi)周向內(nèi)突出，當(dāng)板旋轉(zhuǎn)時，所述葉片產(chǎn)生沿著中心軸線的推力，

其中所述轉(zhuǎn)子通過間隙與定子軸向地隔開，以便允許在所述間隙內(nèi)形成液壓膜，所述液壓膜適合于為轉(zhuǎn)子提供潤滑，從而減小轉(zhuǎn)子和定子之間的摩擦，并且將轉(zhuǎn)子的軸向推力傳遞到定子。

推進(jìn)裝置的重要特征由從屬權(quán)利要求2至12中限定。

本發(fā)明還涉及一種水下航行器，該水下航行器配備有這種如從屬權(quán)利要求13至19所述的水下推進(jìn)裝置。

由于其軸向磁通磁體布置而不是更常見的徑向磁通磁體布置，本發(fā)明的水下推進(jìn)裝置具有這樣的優(yōu)點，高磁通密度可以在轉(zhuǎn)子的一對磁性板之間實現(xiàn)，而不需要鐵芯。這允許定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙比常規(guī)的徑向磁通電動馬達(dá)更寬，從而減少轉(zhuǎn)子和定子之間的流體動力學(xué)摩擦，并且使得該布置更不傾向于因碎片而磨損。

另外，它簡化了轉(zhuǎn)子的安裝要求。在常規(guī)的永磁馬達(dá)中，任何不平衡都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子中的永磁體之間的大的磁力，該大的磁力使該不平衡增大。為了承受所述力，其它馬達(dá)設(shè)計中的轉(zhuǎn)子通常使用軸承安裝在中心軸上。然而，該解決方案增加了諸如魚線或水生植物的碎屑纏繞在軸上，使轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)的風(fēng)險。相反，在本發(fā)明中，由于定子中不存在鐵芯，除了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的磁力之外不出現(xiàn)所述磁力，從而消除了對剛性軸承的需要。在本發(fā)明中，無軸的轉(zhuǎn)子在水膜上滑動，所述膜形成流體動力軸承，該流體動力軸承將推力傳遞到定子，同時使用周圍的水作為潤滑。此外，可能被捕獲在隔開轉(zhuǎn)子和定子的間隙內(nèi)的小碎屑，如砂粒，容易地被該水膜沖洗掉。由于轉(zhuǎn)子不是剛性安裝的，并且可以暫時地沿軸向或徑向移動，直到顆粒被移出并沖走，因此大大降低了微粒被卡在轉(zhuǎn)子和定子之間而可能導(dǎo)致馬達(dá)損壞的風(fēng)險。

最后，本發(fā)明的推進(jìn)裝置由于其構(gòu)成部分的有限數(shù)量，可以以最小的裝配費用來生產(chǎn)。

附圖簡述

根據(jù)僅通過非限制性示例提供并通過附圖示出的本發(fā)明的一個實施方案的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將更清楚地顯現(xiàn)，在附圖中：

圖1是配備有本發(fā)明的數(shù)個推進(jìn)裝置的潛艇(submarinevessel)的透視圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施方案的推進(jìn)裝置的透視圖；

圖3是圖2的推進(jìn)裝置的分解透視圖；

圖4是圖2的推進(jìn)裝置在不具有其定子外殼的情況下的透視圖；

圖5是在圖4中示出的推進(jìn)裝置的俯視圖；

圖6是在圖4中示出的推進(jìn)裝置的側(cè)面剖視圖；

圖7是圖2的推進(jìn)裝置的定子外殼的俯視圖，示出了增強轉(zhuǎn)子和定子之間的液壓膜的槽；

圖8是圖4中所示的推進(jìn)裝置的定子板的電路板布置圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明的另外的實施方案的推進(jìn)裝置的側(cè)向剖視圖。

本發(fā)明的具體實施方式

參考圖1，示出了具有主體110的潛艇100，潛艇100安裝有根據(jù)本發(fā)明的五個推進(jìn)裝置10a、10b。每個推進(jìn)裝置構(gòu)造成在兩個相反的方向中的任一方向上提供受控的推力，由此推進(jìn)裝置可以被控制以配合使船在任何期望的方向上移動。特別地，三個推進(jìn)裝置10a構(gòu)造成沿著垂直于主體110的縱向軸線xx’的方向提供推力，并且兩個推進(jìn)裝置10b構(gòu)造成沿著平行于所述縱向軸線xx’的方向提供推力。主體110可以有利地具有小的尺寸。特別地，主體的沿著縱向軸線xx’的長度可以優(yōu)選地小于1.5米，并且更優(yōu)選小于80厘米。

如圖2至圖5中所示，每個推進(jìn)裝置10包括牢固地緊固到主體110的定子組件20和位于由定子組件界定的外殼25內(nèi)的無軸轉(zhuǎn)子組件30。轉(zhuǎn)子組件構(gòu)造成圍繞中心軸線zz’在兩個相反的方向中的任一方向上旋轉(zhuǎn)。更具體地，定子組件20包括優(yōu)選由塑料制成的外部防水殼體21，殼體21封裝有定子板22。如圖6和圖8中所示，所述定子板22由多層印刷電路板(pcb)構(gòu)成，每個pcb層包括由導(dǎo)電材料形成并由非導(dǎo)電介電材料支撐的圓周排列的線圈23。線圈被互連以產(chǎn)生適合于單相或多相供電的電路。定子板22可以通過任何公知的pcb制造方法來制造，并且可以例如與專利us6411002的pcb定子相一致。有利地，定子板22還包括由集成電路芯片形成的控制部分24，集成電路芯片連接到通過任何合適的材料形成在定子板的層中的導(dǎo)電圖形26。這樣的控制部分24適合于控制線圈23中的電流，以便產(chǎn)生圍繞軸線zz’旋轉(zhuǎn)的多極電磁場。

如圖3和圖7中所示，當(dāng)在軸向方向上觀察時，外部殼體21具有與定子板22大體相同的形狀。殼體21可有利地比定子板22稍厚，以便界定用于上部環(huán)形板31、下部環(huán)形板32和環(huán)形推進(jìn)器33的外殼腔25，上部環(huán)形板31包含一組磁體，下部環(huán)形板32包含一組磁體，所述板31、32和所述推進(jìn)器33形成轉(zhuǎn)子組件30。因此，所述外殼腔25包括上部盤形子外殼25a和下部盤形子外殼25b，所述子外殼25a、25b具有相對于由定子板22界定的中間平面p的大體對稱的形狀并被與所述中間平面p大體對齊的中心盤形子外殼25c軸向地隔開。如圖2中所示，所述上部子外殼25a和下部子外殼25b的直徑d1有利地略大于所述上部磁化的環(huán)形板31和下部磁化的環(huán)形板32的直徑d2，以便在它們之間界定環(huán)狀間隙，液體w可以在該環(huán)狀間隙內(nèi)循環(huán)，從而允許轉(zhuǎn)子組件30圍繞軸線zz’容易地旋轉(zhuǎn)。液體w可以有利地是推進(jìn)裝置在其中運行的環(huán)繞的液體，例如但不限于水。由于相同的原因，中心子外殼25c的直徑d3可優(yōu)選地略大于推進(jìn)器33的直徑d4。此外，在使用期間，上部板31和下部板32可以分別有利地沿著軸線zz’定位，以便分別與上部子外殼25a的底面25a1、下部子外殼25b的頂面通過液體w可以在其間循環(huán)的間隙軸向地隔開，從而在轉(zhuǎn)子30和定子20之間產(chǎn)生液壓膜，該液壓膜減小了轉(zhuǎn)子30和定子20之間的摩擦，并允許將由推進(jìn)器33產(chǎn)生的推力傳遞到所述定子。該間隙可優(yōu)選小于3mm。如圖7中所詳細(xì)地示出的，上部子外殼25a的底面25a1和側(cè)面25a2、下部子外殼25b的相應(yīng)的頂面和側(cè)面可以有利地設(shè)置有周向隔開的一系列槽27、28，所述槽適合于通過產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子30和定子20之間的圍繞所述槽的楔形容積來改善由轉(zhuǎn)子30和定子20之間的液體w形成的液壓膜。液體w通過轉(zhuǎn)子30的旋轉(zhuǎn)被推入所述楔形容積，這產(chǎn)生從定子排斥轉(zhuǎn)子的軸向力，從而防止定子20和轉(zhuǎn)子30之間的直接接觸并允許軸向推力從推進(jìn)器33傳遞。

在圖9中所示的本發(fā)明的另一個實施方案中，殼體21的上部子外殼25a的下表面25a1、相應(yīng)的下部子外殼25b的頂面25b1可以相對于由殼體的中心盤形子外殼界定的中間平面p有利地略成角度，從而形成朝向中心更薄并且朝向外緣更厚的倒錐形形狀。類似地，面向所述底面25a1的上部環(huán)形板31的底面311可以有利地平行于所述底面25a1，相應(yīng)地面向所述頂面25b1的相應(yīng)的下部環(huán)形板32的頂面321可以有利地平行于相應(yīng)的所述頂面25b1。這樣構(gòu)造的話，推進(jìn)裝置10在其轉(zhuǎn)動時可以具有定子外殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子的改善的自定心。

如圖3中所示，轉(zhuǎn)子30的每個磁化板31、32界定中心盤形孔31a、32a，中心盤形孔31a、32a適合于接納推進(jìn)器33。特別地，所述孔的直徑d5可以有利地大體上等于或稍低于所述推進(jìn)器的直徑d4，以便允許所述推進(jìn)器通過夾持固定地連接到所述板。有利地，推進(jìn)器通過夾持的固定連接是通過兩個磁化板之間的自然產(chǎn)生的磁吸引力實現(xiàn)的。因此，可以將推進(jìn)器容易地安裝到磁化板或從磁化板拆卸，而無需工具的幫助并且無需額外的連接裝置。如圖5和圖6中所示，每個磁化板31、32具有嵌入其中的圓周排列的徑向延伸的磁化極34，所述磁化極產(chǎn)生軸向磁場，該軸向磁場垂直于定子20的線圈23的徑向定向的電流。有利地，磁化板31、32還包含環(huán)狀環(huán)36，環(huán)狀環(huán)36有利地由諸如鐵的鐵質(zhì)材料制成，在背離定子20的一側(cè)上安裝到一組磁體34，以容納磁體的后部磁場，以便增加穿過定子20的磁通量并減小馬達(dá)組件外部的磁場，從而減少與水下航行器上的其它設(shè)備的干擾。因此，當(dāng)上部磁化板31和下磁化板32定位在其相應(yīng)的子外殼25a、25b中時，定子板22定位在所述板31、32之間，使得線圈23定位在相應(yīng)的所述上部磁化板31徑直下方，相應(yīng)地定位在所述下部磁化板32徑直上方，從而使所述磁化板在電磁力的作用下圍繞軸線zz’旋轉(zhuǎn)。

如圖5中所示，推進(jìn)器33包括從所述推進(jìn)器的內(nèi)周向內(nèi)突出的多個推進(jìn)器葉片35，當(dāng)轉(zhuǎn)子30旋轉(zhuǎn)時，所述葉片產(chǎn)生沿軸線zz’的推力。所述葉片35可以構(gòu)造成以便界定具有直徑d的圓柱形自由區(qū)域36，所述區(qū)域36為諸如水生植物或魚線之類的碎片提供穿越路徑，從而防止所述碎屑纏繞在所述推進(jìn)器葉片周圍。

參考附圖，上述詳細(xì)描述說明了本發(fā)明而不是限制本發(fā)明。存在落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的許多的可選方案。