一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构的制作方法

本发明属于潜艇推进技术领域，具体涉及一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构。

背景技术：

潜艇在水下航行过程产生的阻力来自于流体(水)产生的复合阻力，这些复核阻力主要构成为：压差阻力、摩擦阻力、兴波阻力和突出体阻力。压差阻力也称为漩涡阻力，指的是潜艇在航行时，流体通过潜艇表面会形成一个梭子型流体，因流体流速、方向等不同原因，会在梭子型流体整体结构中产生压差。理想的梭子型流体除流向外是完全对称的，因其对称，理想梭子型流体各方向上不存在压差。但因潜艇的结构中存在指挥塔、水平翼、推进泵等突出体结构，使得潜艇外形不是理想的梭子型结构，流动形态主要有层流、湍流(紊流)等，其中湍流现象以及螺旋桨切割流体产生的大量气泡，是造成压差阻力的主要原因，且这些现象主要集中在潜艇尾部，从而产生前后压力严重不对称；摩擦阻力指的是潜艇在航行时与海水产生的摩擦力，摩擦阻力的主要原因是流体与在其中运动的物体产生粘性力造成，摩擦阻力主要与流体的表面张力以及运动物体的表面张力有关；突出体阻力指的是潜艇指挥塔与推进器等凸起部分在流体环境中造成的阻力；兴波阻力指的是海面海浪震动对潜艇造成的阻力，该阻力会随着下潜深度增加越来越小直至忽略不计。该阻力不是潜艇水下航行阻力的主要原因。为了克服以上几种阻力，潜艇的指挥塔、推进器等结构优化几乎到了极致；摩擦阻力目前开发了一种超空泡潜艇，在潜艇头部制造一个超大的空气泡，使其完全包裹潜艇表面，将潜艇与海水分隔开，减少摩擦阻力。在小体量规模上取得了巨大成果，但因空气泡无法做的很大，无法包裹潜艇这种大体积物体，一直没能在潜艇体量规模上成功。对于压差阻力，现有的解决方法主要集中在通过克服突出体阻力与摩擦阻力从而间接解决压差阻力，没有其他非常有效的技术手段。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其设计新颖合理，通过前置全电永磁无轴矢量推进器，可有效平衡潜艇在前进过程中产生的前后方向压力差，显著降低潜艇在前进过程中因流体产生的负压阻力,同时为潜艇提供辅助动力来源，减少推进器放热，降低噪音及功效损失，利用前后置三元矢量整流喷口，可有效降低推进器产生的湍流现象，减少气泡，降低阻力，显著提高航行速度，增加潜艇机动性与灵活性，提高潜航生存率，加强隐蔽性，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其特征在于：包括设置在潜艇头部且与潜艇空泡维持外壳前端连接的前置全电永磁无轴矢量推进器和设置在潜艇尾部且与潜艇空泡维持外壳后端连接的后置全电永磁无轴矢量推进器，前置全电永磁无轴矢量推进器的前端安装有前置防海洋生物外壳，前置全电永磁无轴矢量推进器的后端安装有前置三元矢量整流喷口，后置全电永磁无轴矢量推进器的前端安装有后置防海洋生物外壳，后置全电永磁无轴矢量推进器的后端安装有后置三元矢量整流喷口，前置全电永磁无轴矢量推进器包括与前置防海洋生物外壳固定连接的前置保护壳、设置在前置保护壳内的前置连接架和安装在前置连接架上的前置全电永磁无轴矢量推进机构，后置全电永磁无轴矢量推进器包括与后置防海洋生物外壳固定连接的后置保护壳、设置在后置保护壳内的后置连接架和安装在后置连接架上的后置全电永磁无轴矢量推进机构，所述前置全电永磁无轴矢量推进机构和所述后置全电永磁无轴矢量推进机构结构相同；

所述前置全电永磁无轴矢量推进机构包括同心安装的前置顺时针推进叶轮装置和前置逆时针推进叶轮装置，所述前置顺时针推进叶轮装置包括前置第一轮缘、与前置第一轮缘滑动配合且固定在前置连接架上的前置第一轮缘轨道和至少十五片沿前置第一轮缘圆周方向均匀安装在前置第一轮缘内壁上的前置顺时针永磁无轴叶片，前置第一轮缘轨道内沿前置第一轮缘轨道的圆周方向无间隙依次安装有多个前置第一三相定子，前置顺时针永磁无轴叶片靠近前置第一轮缘的一端安装有与前置第一三相定子配合的前置第一永磁转子；

所述前置逆时针推进叶轮装置包括前置第二轮缘、与前置第二轮缘滑动配合且固定在前置连接架上的前置第二轮缘轨道和至少十五片沿前置第二轮缘圆周方向均匀安装在前置第二轮缘内壁上的前置逆时针永磁无轴叶片，前置第二轮缘轨道内沿前置第二轮缘轨道的圆周方向无间隙依次安装有多个前置第二三相定子，前置逆时针永磁无轴叶片靠近前置第二轮缘的一端安装有与前置第二三相定子配合的前置第二永磁转子。

上述的一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其特征在于：所述前置防海洋生物外壳为弹头型复合外壳，所述后置防海洋生物外壳为漏斗型复合外壳，所述弹头型复合外壳和所述漏斗型复合外壳均由内层支撑层和表层减阻层复合而成，所述前置防海洋生物外壳上和后置防海洋生物外壳上均设置有多个进水格栅，所述进水格栅上覆盖有纤维格栅网，所述进水格栅的孔径为100mm～1000mm，纤维格栅网的网格孔径为2mm～10mm。

上述的一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其特征在于：所述前置三元矢量整流喷口包括与前置保护壳尾部连接的前置纤维整流网和多个均与前置纤维整流网远离前置保护壳的一侧连接的前置扰流矢量叶片，前置纤维整流网为多层孔隙交叉排列的前置表面张力纤维整流网，所述前置表面张力纤维整流网的层数为2层～10层，所述前置表面张力纤维整流网的网格孔径为0.1mm～5mm。

上述的一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其特征在于：所述后置三元矢量整流喷口包括与后置保护壳尾部连接的后置纤维整流网和多个均与后置纤维整流网远离后置保护壳的一侧连接的后置扰流矢量叶片，后置纤维整流网与前置纤维整流网的结构相同，后置扰流矢量叶片与前置扰流矢量叶片的结构数据均相同。

上述的一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其特征在于：所述潜艇空泡维持外壳包括艇身外壳、设置在艇身外壳外层的保护层和设置在保护层外层的纤维绒毛层，纤维绒毛层中的绒毛长度不大于2mm，纤维绒毛层中的绒毛直径不大于0.1mm，纤维绒毛层中的绒毛分布密度不小于10个/mm²。

上述的一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其特征在于：所述前置顺时针推进叶轮装置和前置逆时针推进叶轮装置的安装同心度误差不大于±0.1mm。

上述的一种高速潜艇用前后双驱动全电永磁无轴矢量推进结构，其特征在于：所述前置第一三相定子和前置第二三相定子通过前置导体与潜艇主控器连接，所述前置导体设置在前置连接架内；后置全电永磁无轴矢量推进机构中的后置第一三相定子和后置全电永磁无轴矢量推进机构中的后置第二三相定子通过后置导体与潜艇主控器连接，所述后置导体设置在后置连接架内。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过设置前置全电永磁无轴矢量推进器，可有效平衡潜艇在前进过程中产生的前后方向压力差，显著降低潜艇在前进过程中因流体产生的负压阻力,同时为潜艇提供辅助动力来源，前置全电永磁无轴矢量推进器与后置全电永磁无轴矢量推进器结构相同，减少放热，降低噪音及功效损失，将推进器外置在潜艇艇身外侧，并可有效节约艇内设备空间，降低航行噪音，有效提高潜艇潜航的隐蔽性，便于推广使用。

2、本发明通过设置前置三元矢量整流喷口和后置三元矢量整流喷口，可有效降低推进器产生的湍流现象，减少气泡，降低阻力，三元矢量整流喷口的扰流矢量叶片可作全方位摆动，显著增加潜艇机动性与灵活性，可靠稳定，使用效果好；通过设置前置防海洋生物外壳和后置防海洋生物外壳，可以防止海洋生物撞击推进器叶轮装置，保护叶轮不受损害。

3、本发明设计新颖合理，利用潜艇空泡维持外壳，可显著提高潜艇外壳的表面张力，促使潜艇在航行过程中产生的气泡大量包围在潜艇外表面，显著降低潜艇与海水之间的摩擦阻力，便于推广使用。

4、本发明通过前置全电永磁无轴矢量推进器与后置全电永磁无轴矢量推进器搭配使用，前后双驱动推进器配合使用，有效平衡潜艇在前进过程中产生的前后方向压力差，克服传统螺旋桨式推进器的高噪音、体积大、高发热，可显著提高潜艇的航行速度。

综上所述，本发明设计新颖合理，通过前置全电永磁无轴矢量推进器，可有效平衡潜艇在前进过程中产生的前后方向压力差，降低潜艇在前进过程中因流体产生的负压阻力,同时为潜艇提供辅助动力来源，前后双驱动推进器配合使用可显著提高潜艇航速；减少推进器放热，降低噪音及功效损失，利用前后置三元矢量整流喷口，可有效降低推进器产生的湍流现象，减少气泡，降低阻力，显著增加潜艇机动性与灵活性，提高航行速度和潜航生存率，加强隐蔽性，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明前置全电永磁无轴矢量推进器与前置防海洋生物外壳和前置三元矢量整流喷口的安装关系示意图。

图3为本发明前置顺时针推进叶轮装置的结构示意图。

图4为图3的a-a剖视图。

图5为本发明前置逆时针推进叶轮装置的结构示意图。。

图6为图5的c-c剖视图。

图7为本发明后置全电永磁无轴矢量推进器与后置防海洋生物外壳和后置三元矢量整流喷口的安装关系示意图。

图8为图1的b处放大图。

附图标记说明:

1—前置全电永磁无轴矢量推进器；

1-1—前置顺时针推进叶轮装置；1-1-1—前置第一轮缘；

1-1-2—前置顺时针永磁无轴叶片；

1-1-3—前置第一永磁转子；1-1-4—前置第一轮缘轨道；

1-1-5—前置第一三相定子；

1-2—前置逆时针推进叶轮装置；1-2-1—前置第二轮缘；

1-2-2—前置逆时针永磁无轴叶片；1-2-3—前置第二永磁转子；

1-2-4—前置第二轮缘轨道；1-2-5—前置第二三相定子；

1-3—前置连接架；1-4—前置保护壳；

2—后置全电永磁无轴矢量推进器；

2-1—后置顺时针推进叶轮装置；

2-2—后置逆时针推进叶轮装置；2-3—后置连接架；

2-4—后置保护壳；3—潜艇空泡维持外壳；3-1—艇身外壳；

3-2—保护层；3-3—纤维绒毛层；

4—前置防海洋生物外壳；5—纤维格栅网；

6—前置扰流矢量叶片；7—前置纤维整流网；8—后置扰流矢量叶片；

9—后置纤维整流网；10—后置防海洋生物外壳。

具体实施方式

如图1至图7所示，本发明包括设置在潜艇头部且与潜艇空泡维持外壳3前端连接的前置全电永磁无轴矢量推进器1和设置在潜艇尾部且与潜艇空泡维持外壳3后端连接的后置全电永磁无轴矢量推进器2，前置全电永磁无轴矢量推进器1的前端安装有前置防海洋生物外壳4，前置全电永磁无轴矢量推进器1的后端安装有前置三元矢量整流喷口，后置全电永磁无轴矢量推进器2的前端安装有后置防海洋生物外壳10，后置全电永磁无轴矢量推进器2的后端安装有后置三元矢量整流喷口，前置全电永磁无轴矢量推进器1包括与前置防海洋生物外壳4固定连接的前置保护壳1-4、设置在前置保护壳1-4内的前置连接架1-3和安装在前置连接架1-3上的前置全电永磁无轴矢量推进机构，后置全电永磁无轴矢量推进器2包括与后置防海洋生物外壳10固定连接的后置保护壳2-4、设置在后置保护壳2-4内的后置连接架2-3和安装在后置连接架2-3上的后置全电永磁无轴矢量推进机构，所述前置全电永磁无轴矢量推进机构和所述后置全电永磁无轴矢量推进机构结构相同；

需要说明的是，后置全电永磁无轴矢量推进器2为潜艇航行时的主要动力来源，在潜艇的前段设置前置全电永磁无轴矢量推进器1且前置全电永磁无轴矢量推进器1与后置全电永磁无轴矢量推进器2搭配使用，可有效平衡潜艇在前进过程中产生的前后方向压力差，降低潜艇在前进过程中因流体产生的负压阻力,同时为潜艇提供辅助动力来源，可有效提高航行速度；前置全电永磁无轴矢量推进器1的前端安装有前置防海洋生物外壳4且后置全电永磁无轴矢量推进器2的前端安装有后置防海洋生物外壳10的目的是有效阻挡及防止海洋生物撞击推进器，保护推进器叶轮不受损害；前置全电永磁无轴矢量推进器1的后端安装有前置三元矢量整流喷口且后置全电永磁无轴矢量推进器2的后端安装有后置三元矢量整流喷口的目的是有效降低推进器产生的湍流现象，减少气泡，降低阻力，三元矢量整流喷口的扰流矢量叶片可作全方位摆动，显著增加潜艇机动性与灵活性，提高航行速度和潜航生存率，可靠稳定，使用效果好；另外，前置全电永磁无轴矢量推进器1与后置全电永磁无轴矢量推进器2均设置在潜艇艇身外侧，可有效节约艇内设备空间。

所述前置全电永磁无轴矢量推进机构包括同心安装的前置顺时针推进叶轮装置1-1和前置逆时针推进叶轮装置1-2，所述前置顺时针推进叶轮装置1-1包括前置第一轮缘1-1-1、与前置第一轮缘1-1-1滑动配合且固定在前置连接架1-3上的前置第一轮缘轨道1-1-4和至少十五片沿前置第一轮缘1-1-1圆周方向均匀安装在前置第一轮缘1-1-1内壁上的前置顺时针永磁无轴叶片1-1-2，前置第一轮缘轨道1-1-4内沿前置第一轮缘轨道1-1-4的圆周方向无间隙依次安装有多个前置第一三相定子1-1-5，前置顺时针永磁无轴叶片1-1-2靠近前置第一轮缘1-1-1的一端安装有与前置第一三相定子1-1-5配合的前置第一永磁转子1-1-3；

所述前置逆时针推进叶轮装置1-2包括前置第二轮缘1-2-1、与前置第二轮缘1-2-1滑动配合且固定在前置连接架1-3上的前置第二轮缘轨道1-2-4和至少十五片沿前置第二轮缘1-2-1圆周方向均匀安装在前置第二轮缘1-2-1内壁上的前置逆时针永磁无轴叶片1-2-2，前置第二轮缘轨道1-2-4内沿前置第二轮缘轨道1-2-4的圆周方向无间隙依次安装有多个前置第二三相定子1-2-5，前置逆时针永磁无轴叶片1-2-2靠近前置第二轮缘1-2-1的一端安装有与前置第二三相定子1-2-5配合的前置第二永磁转子1-2-3。

本实施例中，所述前置顺时针推进叶轮装置1-1和前置逆时针推进叶轮装置1-2的安装同心度误差不大于±0.1mm。

需要说明的是，所述前置全电永磁无轴矢量推进机构包括同心安装的前置顺时针推进叶轮装置1-1和前置逆时针推进叶轮装置1-2，实际安装使用中，所述前置第一三相定子1-1-5和前置第二三相定子1-2-5通过前置导体与潜艇主控器连接，所述前置导体设置在前置连接架1-3内，利用前置导体给固定在前置连接架1-3上的前置第一轮缘轨道1-1-4内前置第一三相定子1-1-5的通电，并且给前置第二轮缘轨道1-2-4内前置第二三相定子1-2-5的通电；前置第一三相定子1-1-5产生旋转磁场，前置第一永磁转子1-1-3在旋转磁场中受到电磁力作用运动，输出动力，使前置顺时针永磁无轴叶片1-1-2顺时针转动，进而带动前置第一轮缘1-1-1在前置第一轮缘轨道1-1-4内顺时针转动，同时前置第二三相定子1-2-5产生旋转磁场，前置第二永磁转子1-2-3在旋转磁场中受到电磁力作用运动，输出动力，使前置逆时针永磁无轴叶片1-2-2逆时针转动，进而带动前置第二轮缘1-2-1在前置第二轮缘轨道1-2-4内逆时针转动，控制电流大小进而控制前置第一轮缘1-1-1与前置第二轮缘1-2-1转速相等，该设计将电机与叶轮结构结合为一体，避免传统的电机与螺旋桨分开，占用体积，且多个前置顺时针永磁无轴叶片1-1-2的中心位置处空置无轴，减少发热，降低噪音，推进器噪音过大会降低潜艇隐蔽性，推进器热量过大也会降低潜艇隐蔽性，且会导致潜艇内部环境温度过高，艇员身体严重不适；优选的三相定子采用超导体制成，永磁转子采用稀土永磁转子，减少功效损失；前置顺时针推进叶轮装置1-1靠近前置防海洋生物外壳4，流体首先与前置顺时针推进叶轮装置1-1作用，利用流体给前置顺时针推进叶轮装置1-1中前置顺时针永磁无轴叶片1-1-2反作用力，使前置顺时针推进叶轮装置1-1带动潜艇前进，接着流体与前置逆时针推进叶轮装置1-2作用，前置逆时针推进叶轮装置1-2逆时针反转吸附流体穿过前置逆时针推进叶轮装置1-2，且前置顺时针永磁无轴叶片1-1-2和前置逆时针永磁无轴叶片1-2-2均采用至少十五片，有效对流体进行切削，减少湍流现象；

所述后置全电永磁无轴矢量推进机构和所述前置全电永磁无轴矢量推进机构结构相同，所述后置全电永磁无轴矢量推进机构包括同心安装的后置顺时针推进叶轮装置2-1和后置逆时针推进叶轮装置2-2，所述后置顺时针推进叶轮装置2-1包括后置第一轮缘、与后置第一轮缘滑动配合且固定在后置连接架2-3上的后置第一轮缘轨道和至少十五片沿后置第一轮缘圆周方向均匀安装在后置第一轮缘内壁上的后置顺时针永磁无轴叶片，后置第一轮缘轨道内沿后置第一轮缘轨道的圆周方向无间隙依次安装有多个后置第一三相定子，后置顺时针永磁无轴叶片靠近后置第一轮缘的一端安装有与后置第一三相定子配合的后置第一永磁转子；

所述后置逆时针推进叶轮装置2-2包括后置第二轮缘、与后置第二轮缘滑动配合且固定在后置连接架2-3上的后置第二轮缘轨道和至少十五片沿后置第二轮缘圆周方向均匀安装在后置第二轮缘内壁上的后置逆时针永磁无轴叶片，后置第二轮缘轨道内沿后置第二轮缘轨道的圆周方向无间隙依次安装有多个后置第二三相定子，后置逆时针永磁无轴叶片靠近后置第二轮缘的一端安装有与后置第二三相定子配合的后置第二永磁转子，后置全电永磁无轴矢量推进机构中的后置第一三相定子和后置全电永磁无轴矢量推进机构中的后置第二三相定子通过后置导体与潜艇主控器连接，所述后置导体设置在后置连接架2-3内，利用后置导体给固定在后置连接架2-3上的后置第一轮缘轨道内后置第一三相定子的通电，并且给后置第二轮缘轨道内后置第二三相定子的通电，后置顺时针推进叶轮装置2-1和后置逆时针推进叶轮装置2-2的工作过程与前置顺时针推进叶轮装置1-1和前置逆时针推进叶轮装置1-2的工作过程相同，此处不再赘述；所述后置全电永磁无轴矢量推进机构和所述前置全电永磁无轴矢量推进机构结构配合使用，可有效平衡潜艇在前进过程中产生的前后方向压力差，减少放热，降低噪音及功效损失，有效提高潜艇潜航的隐蔽性。

如图2所示，本实施例中，所述前置防海洋生物外壳4为弹头型复合外壳，所述后置防海洋生物外壳10为漏斗型复合外壳，所述弹头型复合外壳和所述漏斗型复合外壳均由内层支撑层和表层减阻层复合而成，所述前置防海洋生物外壳4上和后置防海洋生物外壳10上均设置有多个进水格栅，所述进水格栅上覆盖有纤维格栅网5，所述进水格栅的孔径为100mm～1000mm，纤维格栅网5的网格孔径为2mm～10mm。

需要说明的是，进水格栅的孔径为100mm～1000mm，海水可通过进水格栅进入推进器，体积大的海洋生物会被进水格栅隔开，少数体积小的海洋生物会被纤维格栅网5隔开，避免海洋生物撞击破坏推进器。

如图2所示，本实施例中，所述前置三元矢量整流喷口包括与前置保护壳1-4尾部连接的前置纤维整流网7和多个均与前置纤维整流网7远离前置保护壳1-4的一侧连接的前置扰流矢量叶片6，前置纤维整流网7为多层孔隙交叉排列的前置表面张力纤维整流网，所述前置表面张力纤维整流网的层数为2层～10层，所述前置表面张力纤维整流网的网格孔径为0.1mm～5mm。

如图7所示，本实施例中，所述后置三元矢量整流喷口包括与后置保护壳2-4尾部连接的后置纤维整流网9和多个均与后置纤维整流网9远离后置保护壳2-4的一侧连接的后置扰流矢量叶片8，后置纤维整流网9与前置纤维整流网7的结构相同，后置扰流矢量叶片8与前置扰流矢量叶片6的结构数据均相同。

需要说明的是，前置纤维整流网7和后置纤维整流网9的作用均为利用纤维整流网表面张力网格将推进器运行时造成的尾部湍流与气泡分割或细化为细微的气泡，流向混乱的湍流流体形态会被梳理为流动方向统一的层流流体形态，从而间接降低压差阻力，前置扰流矢量叶片6和后置扰流矢量叶片8可实现360°旋转，可显著提高潜艇机动性与灵活性。

如图8所示，本实施例中，所述潜艇空泡维持外壳3包括艇身外壳3-1、设置在艇身外壳3-1外层的保护层3-2和设置在保护层3-2外层的纤维绒毛层3-3，纤维绒毛层3-3中的绒毛长度不大于2mm，纤维绒毛层3-3中的绒毛直径不大于0.1mm，纤维绒毛层3-3中的绒毛分布密度不小于10个/mm²。

需要说明的是，优选的艇身外壳3-1采用钛合金制成，满足艇身外壳强度，保护层3-2为聚四氟乙烯涂层，满足潜艇隔水需求的同时可有效提高艇外壁表面张力，减少航行摩擦阻力，并可显著降低声纳反射率，提高潜艇隐蔽性，纤维绒毛层3-3采用聚四氟乙烯纤维绒毛层，可显著提高潜艇外表面的表面张力，可显著降低水流在潜艇外壁的挂壁现象，并可促使潜艇外表面附着大量细微气泡，显著降低潜艇与海水的摩擦阻力。

本发明使用时，可显著提高潜艇的航行速度，以及显著提高潜艇机动性与灵活性，有效提高潜艇的潜航生存率；并可有效节约艇内设备空间，降低航行噪音，有效提高潜艇潜航的隐蔽性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。