具有驱动机构的船舶电力推进系统及相关系统和方法与流程

本申请要求于2016年8月1日提交的未决的美国临时申请号62/369,376的优先权，该临时申请通过引用并入本文。

本公开总体上涉及具有驱动机构的船舶电力推进系统及相关系统和方法。在一些实施例中，驱动机构可以制造为紧凑的齐备整装单元，并且可以包括用于增强驱动机构中的元件的同心度的特征。

背景技术：

舷外马达已经使用多年，以推进较小的船只和其他水运工具。传统的舷外马达通常包括二冲程或四冲程内燃发动机。最近，为了响应消费者对更安静和更环境友好的舷外马达的需求，制造商已经开始生产电动舷外马达。

与优化电动舷外马达的效率和功率密度相关的一个挑战是这种马达需要在电动马达本身和与其耦接的螺旋桨之间有明显的齿轮减速。因此，在制造和维修相对简单同时，可能难以提供合适的紧凑，可靠且耐用的齿轮减速驱动机构。

附图说明

图1是根据本技术的实施例配置的用于舷外马达的推进系统的部分示意性局部分解图示。

图2是根据本技术的实施例配置的图1所示的推进系统的一部分的局部示意性截面图示。

图3是图2中所示的推进系统的一部分的放大截面图示。

图4是根据本技术的实施例的承载两个行星齿轮的行星齿轮轴的局部示意性侧视图。

图5a-5e展示了根据本技术的实施例配置的示例性部件的分解视图和部分装配图。

具体实施方式

本技术总体上涉及具有驱动机构的船舶电力推进系统及相关系统和方法。在一些实施例中，驱动机构包括具有若干特征中的一个或多个特征的行星齿轮装置，包括位于提供进一步齿轮减速的公共轴上的行星齿轮，相对于输出轴支撑行星齿轮托架的轴承，和/或允许变速器容易地安装并从相应的舷外马达移除的盒式配置。

下面参照特定的马达配置描述本技术的若干实施例的具体细节，以提供对相关部件的透彻理解。在其他实施例中，该技术可以应用于具有其他配置的电动马达。为了清楚起见，未在以下描述中阐述众所周知的并且通常与舷外马达和/或电动马达相关联但可能不必要地模糊本技术的一些重要方面的结构和/或过程的若干细节。此外，尽管以下披露内容阐述了本技术的不同方面的若干实施例，但是本技术的若干其他实施例具有与本节中描述的那些有所不同的配置或不同的部件。因此，本技术可以具有其他实施例，其中具有附加元件和/或不具有下面参照图1-5e描述的若干元件。

图1是根据本技术的一些实施例的由舷外马达101承载的推进系统100的局部示意图。推进系统100包括对螺旋桨191进行驱动的电动马达105。推进系统100可以容纳在舷外马达101的下部单元110中，该下部单元在使用时在水线下方延伸。下部单元110可以包括承载推进系统100的下部单元壳体111，并且可以进一步包括舷外马达的典型的其他特征，例如，防通风板112(其防止表面空气被螺旋桨191吸入)和艉鳍113(其在舷外马达101撞击物体时防止螺旋桨191损坏)。

下部单元壳体111包括接纳电动马达105的推进系统孔114。因此，推进系统孔114可以容纳定子115，还可以可移除地容纳盒120，该盒包括相应的转子130，转子驱动轴131，变速器140以及输出轴190。输出轴190驱动螺旋桨191，并且变速器140在快速旋转的低扭矩转子130和更慢旋转的高扭矩输出轴190与螺旋桨191之间提供齿轮减速。

在一些实施例中，定子115收缩-配合到推进系统孔114中以将其固定就位。在示例性过程中，下部单元壳体111被加热以使推进系统孔114的直径扩大。在下部单元壳体处于升高的温度时，将定子115插入推进系统孔114中，然后冷却下部单元壳体111以使其围绕定子115收缩，形成了收缩-配合界面119。在一些实施例中，除了加热下部单元壳体111之外或者取而代之，定子115被冷却。更一般地，该过程可以包括引起或增加下部单元壳体111与定子115之间的温度差，插入定子115，并且使温度差减小。

前述方法可以提供若干优点中的一个或多个优点。例如，收缩配合连接预期会非常紧密，从而减少或消除定子115在下部单元壳体111内松动的可能性。在一些实施例中，收缩配合连接是定子115与下部单元壳体111之间的唯一连接，从而消除了对将定子115单独地固定至下部单元壳体111的紧固件的需要。这样进而可以减少将定子115固定就位所需的时间，并且可以进一步降低定子115松动的可能性。收缩配合连接的另一预期优点是期望将定子115置于与下部单元壳体111非常紧密的热连通中。由于定子115在电动马达105的操作期间承载电流并产生热量，所以增强的热连通可以增加将热量经由热传导从电动马达105传送至下部单元壳体111并且经由热传导和对流传送至周围的水的速率。这样进而可以消除对主动冷却系统(例如，内部冷却液体回路或直流海水冷却系统)的需要，同时提供足够的热传递以允许电动马达105持续使用多年。为了进一步增强定子115与下部单元壳体111之间的热连通，前述过程可以包括在将定子115插入推进系统孔114之前用合适的导热膏或其他化合物涂覆定子115。

下部单元壳体111可以进一步包括具有轴承孔118的端部件117，该轴承孔接纳并支撑盒120的相应支撑轴轴承133。端部件117可以与下部单元壳体111一体地形成，或者单独制造然后例如作为定子115的收缩配合过程(如上所述)的一部分或者在收缩配合过程之前经由一个或多个紧固件安装在下部单元壳体中。在组装期间，盒120可以作为整体插入推进系统孔114中，其中支撑轴轴承133被接纳在轴承孔118中，并且转子130设置在定子115的转子开口116中。盒120可以仅用一个或仅用两个机械紧固件121附接至下部单元壳体111。出于说明的目的，图1中示出了两个螺纹机械紧固件121。在一些实施例中，使用其他类型的装置(例如，在一侧上为突耳和槽，而在另一侧上为螺纹紧固件)，这样可以使得对盒120与下部单元壳体111之间的密封进行相应调整。在任何这些实施例中，这种装置的优点在于：由于仅需要一个或两个机械紧固件来使盒120固定就位，所以可以容易地安装盒120，并且如果需要的话可以在以后容易地移除以进行维修。这样进而允许盒120的部件在下部单元壳体111外部进行组装和润滑，而不是逐个插入下部单元壳体111中。通过在将盒120作为整体安装之前在下部单元壳体111外部对部件进行组装，制造商可以更容易地确保部件正确连接和对准。这样进而可以减少在没有正确地执行初始的逐件式安装的情况下从下部单元壳体111逐个移除部件的需要。该过程还允许盒120在安装之前例如在盒制造商处在测试夹具中进行功能测试，这样缩短了生产时间并且降低了与舷外马达的最终组装的相关风险。

如上所述，盒120包括转子130，变速器140和输出轴190。转子130包括耦接至变速器140的驱动轴131以及沿相对方向延伸的支撑轴132。支撑轴132可以经由支撑轴轴承133为转子130提供附加支撑，使得转子130不会悬伸在推进系统孔114内。变速器140包括其中容纳相关的齿轮减速部件的变速器壳体141。下面参照图2-5e描述盒120和变速器140的进一步的细节。

图2是盒120的局部示意性截面图，展示了转子130及其相关联的支撑轴132和驱动轴131。驱动轴131延伸到变速器壳体141中，在此该驱动轴经由行星齿轮组件150耦接至输出轴190。下面参照图3描述行星齿轮组件150以及变速器140的其他元件的进一步的细节。

图3是图2中所示的示例性系统的一部分的放大视图，展示了变速器140和相关部件的进一步的细节。变速器140可以包括由驱动轴131承载的太阳齿轮151。太阳齿轮与由行星齿轮托架156承载的多个行星齿轮152啮合。行星齿轮托架156相对于变速器壳体141固定。相关联的行星齿轮152还与由环形齿轮支撑件154承载的环形齿轮153啮合，该齿轮支撑件进而连接至输出轴190。当驱动轴131旋转时，太阳齿轮151使行星齿轮152旋转，该行星齿轮进而使环形齿轮153旋转，从而以较慢的角速度驱动输出轴190。

行星齿轮托架156可以包括例如利用一个或多个齿轮托架紧固件157连接至第二部分156b的第一部分156a。第一“o”形环142a将行星齿轮托架156密封至变速器壳体141。行星齿轮托架156支撑多个行星齿轮轴155，其中一个行星齿轮轴在图3中可见。每个行星齿轮轴155可以承载与环形齿轮153啮合的至少一个行星齿轮152。在一些实施例中，如图3所展示的，每个行星齿轮轴155承载两个行星齿轮：第一行星齿轮152a与太阳齿轮151啮合，较小的第二行星齿轮152b与环形齿轮153啮合。除了由环形齿轮153提供的齿轮减速比之外，这种装置可以提供另一个齿轮减速比以及相关的减速比。在特定实施例中，第一行星齿轮152a具有第一直径d1，第二行星齿轮152b具有较小的第二直径d2。直径比决定了这两个齿轮提供的齿轮减速比。

相关联的行星齿轮轴155相对于行星齿轮托架156旋转，并且经由第一行星轴轴承158a和第二行星轴轴承158b被支撑以旋转。两个行星轴轴承158a，158b放置在相应的行星齿轮152的相对侧上，使得行星齿轮轴155不是悬伸的，而是在两个端部处或附近被支撑。这种装置进一步稳定了行星齿轮轴155，这样减少了磨损和/或增加了系统的寿命。

如下面参照图4将进一步详细描述的，可以选择第一行星齿轮和第二行星齿轮152a，152b的齿以抵消由每个齿轮提供的推力载荷，从而导致净推力载荷减小。然而，在一些实施例中，系统可以包括推力垫圈159以解决剩余推力载荷。

行星齿轮托架156可以通过第一固定环143a在轴向方向上相对于变速器壳体141固定，该第一固定环使行星齿轮托架156偏置抵靠托架肩部160。行星齿轮托架156可以经由键161固定而不相对于变速器壳体141旋转，该键容纳在变速器壳体141的相应的键道162中。因此，行星齿轮托架156相对于变速器壳体141固定，但是在需要维修的情况下可以通过移除第一固定环143a而容易地移除。如下面将进一步描述的，整个组件可以包括多个固定环143，这样可以类似地使其他系统部件的组装和拆卸成为更有效的操作。

图3中所示的系统可包括用于增强或确保输出轴190相对于驱动轴131和行星齿轮托架156的同心度的特征。例如，输出轴190可以包括延伸部分192，该延伸部分在环形齿轮支撑件154内朝向驱动轴131和行星齿轮托架156而轴向地延伸。变速器140可以包括托架轴承163，该托架轴承设置在行星齿轮托架156的面向内部的表面164与延伸部分192的面向外部的表面193之间。由托架轴承163提供的附加支撑以及其正好位于输出轴190与行星齿轮托架156之间的位置可以减少或消除悬伸负载的存在，否则悬伸负载可能与轴向延伸的环形齿轮支撑件154相关联，并且可以在系统上产生附加磨损。

在一些实施例中，输出轴190可以进一步由输出轴轴承194支撑，该输出轴轴承设置在环形齿轮支撑件154的与托架轴承163相对的一侧。输出轴轴承194通过锁紧螺母196固定就位，该锁紧螺母使轴承偏置抵靠轴肩195。

因为变速器壳体141在操作期间设置在水下，所以系统可以包括防止水进入变速器140的输出轴密封件170。输出轴密封件170可以包括具有密封件支撑件172的密封件壳体171，该密封件支撑件使多个密封件相对于输出轴190设置。多个密封件可以包括位于密封件支撑件172一侧的第一静面密封件173a以及位于密封件支撑件172的相对侧的第二静面密封件173b。静面密封件173a，173b在相应的密封表面174a，174b处与相应的旋转面密封件175a，175b接合。堆叠的面密封件经由设置在输出轴190的相应凹槽中的第二固定环143b和相应的第三固定环143c而固定就位。输出轴密封件170可以进一步包括第二“o”形环142b和第三“o”形环142c，以对密封件壳体171与变速器壳体141之间的界面进行密封。第四“o”形环142d对盒120与下部单元壳体111(图1)之间的界面进行密封。通风路径176允许空气从密封件壳体171向外排出，并且第四固定环143d将密封件壳体171固定至变速器壳体141。销177防止密封件壳体171相对于变速器壳体141旋转。

在变速器140的相对端，转子驱动轴131也被支撑以与多个轴承一起旋转并被密封。因此，该系统可以包括转子轴承壳体134，该转子轴承壳体具有第一部分134a和第二部分134b，这两个部分一起包围一个或多个转子轴承135(出于说明的目的，在图3中示出两个轴承)。转子轴承壳体部分134a，134b可以通过一个或多个紧固件连接。转子轴承壳体134还承载设置在驱动轴131周围的密封件136。密封件136可以防止内部润滑剂泄漏到推进系统孔114(图1)中，该推进系统孔通过第四“o”形环142d和机械紧固件121分别与外部海洋环境密封。

图4是行星齿轮轴155和相关联的第一行星齿轮和第二行星齿轮152a，152b中任一个的示意图。每个行星齿轮152a，152b可以包括相应的螺旋齿166a，166b。第一螺旋齿166a可以相对于行星齿轮轴155的轴心线165倾斜第一齿角a1。第二螺旋齿166b可以相对于轴心线165倾斜第二齿角a2。第一齿角a1和第二齿角a2可以选择为彼此不同，以减小或消除在操作期间由行星齿轮152a，152b产生的相对推力载荷。因为第一行星齿轮152a与向内设置的太阳齿轮啮合，并且第二行星齿轮152b与向外设置的环形齿轮啮合，所以第一齿角a1和第二齿角a2可以具有相同的取向或方向(例如，与“人”字形装置不同)，但是如上所述，可以具有不同的值来抵消推力载荷。

如上所述，至少一些前述实施例的一个特征是其可以包括以紧凑的方式提供进一步的齿轮减速比的多个同轴行星齿轮。至少一些前述实施例的另一特征是行星齿轮轴可以朝向两端受到支撑，以减少可能由悬伸轴产生的载荷和/或磨损。至少一些前述实施例的又一特征是输出轴还可以例如通过延伸部分和相关的托架轴承在多个位置被支撑，以改善同心度和/或减少变速器上的负载和/或磨损。前述特征中的每一个特征可以单独地和/或以任何合适的组合一起改善系统的可靠性和预期寿命。

如上所述，变速器，驱动轴和输出轴都可以在舷外马达的下部壳体外部进行组装和润滑，以形成可以通过一个或至多两个紧固件容易安装和拆卸的盒。这种装置可以进一步提高系统的可靠性和寿命。

至少一些实施例的另一特征是变速器壳体和下部单元壳体包括冗余密封件。因此，这种装置可以降低使水泄漏到变速器中和/或使润滑剂泄漏出去的可能性。

在一些实施例中，变速器140可以产生4:1至10:1的范围内的齿轮减速比，例如7.83:1。该数值范围明显高于与典型内燃舷外发动机相关的齿轮减速比(其通常在2:1至2.5:1的范围内)。因此，尽管具有较大的齿轮减速比，但是前述特征中的一些或全部特征能够提供紧凑，精确的变速器单元的能力可能对电动舷外马达具有特别的适用性和益处。

图5a-5e展示了上面参照图1-4描述的所选部件的分解图和部分组装图。例如，图5a展示了转子130，转子轴131，支撑轴132和支撑轴轴承133。太阳齿轮151安装到驱动轴131，该驱动轴延伸到转子轴承壳体134(由第一部分134a和第二部分134b形成)中。驱动轴131由转子轴承135支撑。

图5b展示了行星齿轮托架的第一部分156a。图5b还展示了承载第一行星齿轮和第二行星齿轮152a，152b的行星齿轮轴155以及将第一部分156a连接至第二部分(图5b中不可见)的相应的托架紧固件157。行星齿轮152被在变速器壳体141中承载，输出轴190从该变速器壳体延伸。

图5c展示了对输出轴190进行密封的密封件壳体171的选定部件。例如，图5c展示了第一旋转面密封件175a和第二旋转面密封件175b以及相应的固定环143b，143c。图5c还展示了将密封件壳体171固定至变速器壳体141的第四固定环143d以及密封所产生的界面的第二“o”形环142b和第三“o”形环142c。

图5d展示了驱动轴190和环形齿轮支撑件154。环形齿轮153配合到环形齿轮支撑件154的开口端中，并且行星齿轮托架156配合在环形齿轮153内。托架轴承163(其内圈在图5d中示出)在行星齿轮托架156与输出轴190的延伸部分192之间提供定心支撑。

图5e展示了安装有内部部件(包括输出轴190和密封件壳体171的部件)的变速器壳体141。托架组件156的第一部分156a露出，以便连接至转子轴承壳体134的第二部分134b，该第二部分连接至转子130。一旦进行该连接，所得到的盒120可以安装在上面参照图1描述的下部单元壳体111中。

从前述内容可以理解，本文已出于说明的目的描述了本技术的特定实施例，但是可以在不脱离本技术的情况下进行多种不同的修改。例如，在至少一些实施例中，例如在不需要或不期望与单个轴上的多个齿轮相关联的附加齿轮减速的情况下，变速器可以包括位于每个行星齿轮轴上的单个行星齿轮，而不是多个齿轮。在图中示为滚柱轴承的轴承在其他实施例中可以具有其他构造。图中所示的机械紧固件作为螺纹螺钉型紧固件，在其他实施例中可以具有其他构造(例如，夹子或快拆式构造)。在一些实施例中，电动马达可以具有约40匹(hp)的马力额定值(或等同值)，并且根据应用可以具有其他值。在一些实施例中，系统可以仅包括一个或两个紧固件以将盒固定至下部单元，例如，如图1所示的两个螺纹紧固件或者与销结合的固定环(以防止该盒旋转)。除了盒/下部单元或替代性的紧固件之外，其他部件可以通过少数紧固件连接。例如，该系统可以仅使用三个紧固件来将转子轴承壳体固定至变速器。在一些实施例中，行星齿轮装置可以包括固定环形齿轮以及由(旋转的)输出轴承载的行星齿轮托架。

在特定实施例的背景下描述的技术的某些方面可以在其他实施例中组合或消除。例如，在一些实施例中，至少一些特征(例如，托架轴承，单个轴上的多个行星齿轮，收缩-配合转子安装，变速器盒，和/或少数机械紧固件)中的任何一个特征可以与任何一个或多个上述特征相结合。在一些实施例中，前述特征中的任何一个或多个特征可以应用于除舷外马达之外的马达的情境下。例如，在一些实施例中，可移除的盒可以应用于其他运输平台，工业机械和/或消费产品(例如便携式钻头)的情境下。此外，虽然已经在那些实施例的情境下描述了与本技术的某些实施例相关的优点，但是其他实施例也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施例都必须表现出这些优点才落入本技术范围内。因此，本公开以及相关技术可以包含未在此明确示出或描述的其他实施例。

在通过引用并入本文的任何材料与本公开冲突的情况下，以本公开为准。