一种采用双电机的水空两用推进器

1.本发明属于推进器技术领域，特别涉及一种采用双电机的水空两用推进器。


背景技术：

2.水空两栖跨域航行器是一种既可以在水下环境中航行，又可以在空中飞行的新概念航行器，能够极大扩展作业范围和应用领域。为了实现水空两栖跨域航行器在水下和空气中两种介质的航行功能，需要具有水下和空中作业功能的推进器。然而，由于水和空气的密度和粘性等特性不同，推进器设计方法也存在较大差异，对推进器驱动电机输出特性要求差别很大。对于同一螺旋桨，在空气中要求电机转速高、转矩小，在水下推进时要求电机转速低、输出转矩大，同一台电机几乎无法同时满足空气中和水中的高效运行需求。采用同一螺旋桨的水空两用推进器需要两种机械特性的电机实现空气中和水下的高效推进，同时要避免高速电机运行时拖动低速电机旋转，因为这样一方面会增加高速电机的负载，另一方面会使低速电机线间反向电动势大幅增高，会对电机控制器产生破坏性影响。同时水空两用推进器还需要具有较高的集成度和紧凑性，降低推进器重量，提高推进器的推重比和系统可靠性。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种采用双电机的水空两用推进器。该推进器采用外转子电机和轮缘电机驱动同一螺旋桨的方案，满足水下和空中的高效推进需求，并具有系统集成度高、结构紧凑、重量轻、可靠性高等特点。
4.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
5.一种采用双电机的水空两用推进器，包括外转子电机、轮缘电机、螺旋桨、定子支架、单向离合机构及推进器安装架，其中外转子电机通过定子支架与推进器安装架固连，所述外转子电机的输出轴与所述螺旋桨固连；
6.所述轮缘电机套设于所述螺旋桨的外侧、且与所述定子支架连接；所述单向离合机构设置于所述轮缘电机与所述螺旋桨之间，用于所述轮缘电机与所述螺旋桨的脱开或楔合；
7.当在空气中工作时，所述单向离合机构与所述螺旋桨处于脱开状态，所述外转子电机拖动所述螺旋桨旋转；
8.当在水下工作时，所述单向离合机构与所述螺旋桨处于楔合状态，所述轮缘电机拖动所述螺旋桨旋转。
9.所述轮缘电机包括轮缘机壳、轮缘端盖、轮缘转子、轮缘定子、轮缘磁钢、轮缘磁轭、前转动支撑组件及后转动支撑组件，其中轮缘定子设置于轮缘机壳的内侧，所述轮缘磁轭和轮缘磁钢由内到外依次设置于轮缘转子的外侧；
10.所述轮缘机壳的后端与所述定子支架连接，前端与轮缘端盖连接；
11.所述轮缘转子的后端通过后转动支撑组件与所述轮缘机壳连接，前端通过前转动
支撑组件与所述轮缘端盖连接。
12.所述前转动支撑组件包括轮缘前保持架及沿周向设置于所述轮缘前保持架上的多个轮缘前滚珠；所述轮缘端盖的内侧沿周向设有圆弧形内滚道ⅰ，所述轮缘转子前端外表面沿周向设有圆弧形外滚道ⅰ，所述轮缘前滚珠容置于所述圆弧形内滚道ⅰ和圆弧形外滚道ⅰ之间。
13.所述后转动支撑组件包括轮缘后保持架及沿周向设置于所述轮缘后保持架上的多个轮缘后滚珠；所述轮缘机壳的后端内侧沿周向设有圆弧形内滚道ⅱ；所述轮缘转子后端外表面沿周向设有圆弧形外滚道ⅱ，所述轮缘后滚珠容置于所述圆弧形内滚道ⅱ和圆弧形外滚道ⅱ之间。
14.所述轮缘转子的前端内侧沿周向设有槽口，所述槽口内设有多个所述单向离合机构。
15.所述单向离合机构包括离合楔块、楔块限位销、楔块磁铁a及楔块磁铁b，其中离合楔块通过楔块转轴安装在所述轮缘转子前端槽口的底部；所述楔块限位销和所述楔块磁铁b分别设置于所述离合楔块的两侧，所述楔块磁铁a嵌设于所述离合楔块靠近所述楔块磁铁b的一端；
16.所述楔块磁铁b与所述楔块磁铁a吸合，所述离合楔块绕所述楔块转轴转动，使远离所述楔块磁铁a的另一端与所述楔块限位销抵接，所述离合楔块处于与所述螺旋桨脱离状态；
17.当所述轮缘转子转动时，所述离合楔块在离心力的作用下嵌设有所述楔块磁铁a的一端绕所述楔块转轴反向转动至与所述轮缘转子的内侧抵接；所述离合楔块的另一端与所述螺旋桨抵接，从而实现所述轮缘转子与所述螺旋桨的契合。
18.所述离合楔块为三角形结构，且远离所述楔块磁铁a的另一端开有用来控制重心位置的槽口；
19.所述楔块转轴在所述离合楔块上向远离所述楔块磁铁a的方向偏心设置。
20.所述轮缘转子前端槽口的内侧面形状为圆柱面。
21.所述轮缘定子、轮缘磁钢和轮缘磁轭均采用环氧树脂灌封；
22.所述轮缘端盖、轮缘机壳、轮缘转子、螺旋桨、定子支架和推进器安装架均采用铝合金材料并且表面作硬质阳极氧化处理。
23.所述轮缘电机的前端设有与所述轮缘端盖连接的前导流罩，所述轮缘电机的后端设有与所述轮缘机壳连接的后导流罩，所述推进器安装架与所述后导流罩连接；
24.所述外转子电机的外侧设有电机导流罩，所述电机导流罩与所述定子支架连接。
25.本发明具有以下优点及有益效果：
26.1.本发明能够实现水下和空气两种介质中的推进功能，是构建水空两栖跨域航行器的重要组成部分。
27.2.本发明在空气中以外转子电机为动力，螺旋桨与轮缘电机转子脱离，能够实现电机高转速、低扭矩运行，满足空气中推进需求，且具有较大的推重比。
28.3.本发明能够在水下以轮缘电机为动力，螺旋桨与轮缘电机转子楔合，实现轮缘电机低转速、大扭矩运行，满足水下推进需求，且具有较高的力效。
29.4.本发明的轮缘电机的转子支承方案采用无内外圈的一体化滚动轴承设计，即轮
缘电机转子代替内圈，电机外机壳代替外圈，陶瓷球作为滚动体，并且绕组采用灌封处理，满足电机在水下工作需求，并且有较小的尺寸和重量、耐压和防水等优点。
30.5.本发明的单向离合机构在不工作时离合楔块自动复位，避免与被拖动零部件摩擦，具有高效率和高寿命等优点。
31.6.本发明所有零部件具有防水、防腐能力。
32.7.本发明具有重量轻、结构紧凑、可靠性高等优点。
附图说明
33.图1为本发明一种采用双电机的水空两用推进器的轴侧图；
34.图2为本发明一种采用双电机的水空两用推进器的俯视图；
35.图3为本发明一种采用双电机的水空两用推进器的四分之一剖视轴测图；
36.图4为本发明中轮缘部分的纵剖面局部剖视图；
37.图5为本发明中轮缘端盖的内部结构示意图；
38.图6为本发明中单向离合机构的离合楔块脱开状态的局部剖视图；
39.图7为本发明中单向离合机构的离合楔块楔合状态的局部剖视图；
40.图8为本发明中离合楔块的透视轴测图。
41.图中：1为前导流罩，2为螺旋桨，3为轮缘外壳，4为后导流罩，5为推进器安装架，6为定子支架，7为外转子电机，8为电机导流罩，9为轮缘前滚珠，10为轮缘端盖，11为轮缘转子，12为轮缘定子，13为轮缘磁钢，14为轮缘磁轭，15为轮缘后滚珠，16为轮缘前保持架，17为轮缘后保持架，18为轮缘内六角螺栓，19为离合楔块，20为楔块限位销，21为楔块转轴，22为楔块磁铁a，23为楔块磁铁b。
具体实施方式
42.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
43.如图1-3所示，本发明提供的一种采用双电机的水空两用推进器，包括外转子电机7、轮缘电机、螺旋桨2、定子支架6、单向离合机构及推进器安装架5，其中外转子电机7通过定子支架6与推进器安装架5固连，外转子电机7的输出轴与螺旋桨2固连；轮缘电机套设于螺旋桨2的外侧、且与定子支架6连接；单向离合机构设置于轮缘电机与螺旋桨2之间，用于轮缘电机与螺旋桨2的脱开或楔合；当在空气中工作时，单向离合机构与螺旋桨2处于脱开状态，外转子电机7拖动螺旋桨2旋转；当在水下工作时，单向离合机构与螺旋桨2处于楔合状态，轮缘电机拖动螺旋桨2旋转。
44.如图4所示，本发明的实施例中，轮缘电机包括轮缘机壳3、轮缘端盖10、轮缘转子11、轮缘定子12、轮缘磁钢13、轮缘磁轭14、前转动支撑组件及后转动支撑组件，其中轮缘定子12设置于轮缘机壳3的内侧，轮缘定子12采用过盈配合的方式固定在轮缘机壳3内。轮缘磁轭14和轮缘磁钢13由内到外依次设置于轮缘转子11的外侧；轮缘机壳3的后端与定子支架6连接，前端通过轮缘内六角螺栓18与轮缘端盖10连接；轮缘转子11的后端通过后转动支撑组件与轮缘机壳3连接，前端通过前转动支撑组件与轮缘端盖10连接。
45.具体地，前转动支撑组件包括轮缘前保持架16及沿周向设置于轮缘前保持架16上
的多个轮缘前滚珠9；轮缘端盖10的内侧沿周向设有圆弧形内滚道ⅰ，轮缘转子11前端外表面沿周向设有圆弧形外滚道ⅰ，轮缘前滚珠9容置于圆弧形内滚道ⅰ和圆弧形外滚道ⅰ之间。后转动支撑组件包括轮缘后保持架17及沿周向设置于轮缘后保持架17上的多个轮缘后滚珠15；轮缘机壳3的后端内侧沿周向设有圆弧形内滚道ⅱ；轮缘转子11后端外表面沿周向设有圆弧形外滚道ⅱ，轮缘后滚珠15容置于圆弧形内滚道ⅱ和圆弧形外滚道ⅱ之间。
46.具体地，轮缘前保持架16和轮缘后保持架17上沿周向上均设有多个圆柱形孔，多个轮缘前滚珠9和多个轮缘后滚珠15分别容置于轮缘前保持架16和轮缘后保持架17的圆柱形孔内，轮缘转子11的前、后端分别通过多个轮缘前滚珠9和多个轮缘后滚珠15支撑。
47.如图1-3所示，本发明的实施例中，轮缘电机的前端设有与轮缘端盖10连接的前导流罩1，轮缘电机的后端设有与轮缘机壳3连接的后导流罩4，推进器安装架5与后导流罩4连接，后导流罩4为两部分剖分结构。外转子电机7的外侧设有电机导流罩8，电机导流罩8与定子支架6连接，前导流罩1、后导流罩4和电机导流罩8使水空两用推进器整体呈现流线型。
48.如图5所示，本发明的实施例中，多个轮缘磁钢13粘贴在轮缘磁轭14外侧，轮缘磁轭14采用过盈配合的方式固定在轮缘转子11上。轮缘转子11的前端内侧沿周向设有槽口，槽口内设有多个单向离合机构。
49.如图6-7所示，本发明的实施例中，单向离合机构包括离合楔块19、楔块限位销20、楔块磁铁a22及楔块磁铁b23，其中离合楔块19通过楔块转轴21安装在轮缘转子11前端槽口的底部；楔块限位销20和楔块磁铁b23分别设置于离合楔块19的两侧，楔块磁铁a22嵌设于离合楔块19靠近楔块磁铁b的一端；楔块磁铁b23与楔块磁铁a22吸合，离合楔块19绕楔块转轴21转动，使远离楔块磁铁a22的另一端与楔块限位销20抵接，离合楔块19处于与螺旋桨2脱离状态；当轮缘转子11转动时，离合楔块19在离心力的作用下嵌设有楔块磁铁a22的一端绕楔块转轴21反向转动至与轮缘转子11的内侧抵接；离合楔块19的另一端与螺旋桨2抵接，从而实现轮缘转子11与螺旋桨2的契合。
50.如图8所示，本发明的实施例中，离合楔块19为三角形结构，离合楔块19上设有固定所述磁铁a22的安装孔和安装楔块转轴21的圆形通孔，楔块转轴21在离合楔块19上向远离楔块磁铁a22的方向偏心设置。离合楔块19的旋转角度受到楔块限位销20的限制，楔块磁铁b23固定于轮缘电机转子11槽底面，楔块磁铁a22在其活动空间内均受到磁铁b23的磁拉力。
51.进一步地，离合楔块19在远离楔块磁铁a22的另一端开有用来控制重心位置的槽口，使重心远离转轴中心，以保证离合楔块19有足够的离心力矩克服磁拉力矩而发生旋转。
52.具体地，轮缘转子11前端槽口的内侧面形状为圆柱面，当轮缘电机旋转时，单向离合机构的离合楔块19与轮缘转子11前端槽口内侧面接触时会发生自锁，离合楔块19与螺旋桨2处于楔合状态，此时轮缘转子11通过单向离合机构将动力传递到螺旋桨2上，从而带动螺旋桨2共同旋转。当轮缘电机不旋转，磁铁b23对磁铁a22产生磁拉力，离合楔块19在磁拉力的作用下保持位置不变，离合楔块19与螺旋桨2处于脱开状态，螺旋桨2不会带动轮缘转子11旋转。
53.本发明的实施例中，轮缘定子12、轮缘磁钢13和轮缘磁轭14均采用环氧树脂灌封；轮缘端盖10、轮缘机壳3、轮缘转子11、螺旋桨2、定子支架6和推进器安装架5均采用铝合金材料并且表面作硬质阳极氧化处理。轮缘前滚珠9和轮缘后滚珠15均采用氮化硅陶瓷材料，
轮缘前保持架16和轮缘后保持架均17采用聚醚醚酮材料。
54.轮缘机壳3、定子支架6上有通孔，用于轮缘电机出线，推进器安装架5上有穿线孔，用于电机出线。推进器安装架5上有用于固定推进器的安装孔，能够与航行体实现机械连接。
55.如图6所示，当外转子电机7拖动螺旋桨2高速旋转时，轮缘电机不旋转，磁铁b23对磁铁a22产生磁拉力，离合楔块19在楔块磁铁a22的带动下旋转，旋转到与楔块限位销20接触的位置停止，并且离合楔块19在磁拉力的作用下保持位置不变，离合楔块19与螺旋桨2处于脱开状态。
56.如图7所示，当轮缘电机旋转时，离合器楔块19跟随轮缘电机转子11一起旋转，此时离合楔块19受到离心力而绕楔块转轴21反向旋转，离合楔块19的一端与轮缘电机转子11槽内侧面接触，另一端旋转到与螺旋桨2外侧面接触的位置停止，受力并保持位置不变，离合楔块19与螺旋桨2处于楔合状态，从而轮缘转子11带动螺旋桨2低速旋转。
57.本发明提供的一种采用双电机的水空两用推进器在空气中和水下的工作原理为：
58.在空气中工作时，外转子电机7为高转速、低转矩电机，外转子电机7驱动螺旋桨2高速旋转，轮缘转子11与螺旋桨2脱开，不旋转，对外转子电机7不形成额外负载，螺旋桨2在空气中高速旋转产生推进力。
59.轮缘电机具有低转速、大扭矩特性，在水下工作时轮缘电机运行，轮缘电机的轮缘转子11低速旋转，并且在离合楔块19的作用下轮缘转子11与螺旋桨2楔合，驱动螺旋桨2低速旋转，在水下形成推力，推力由螺旋桨2依次传递到外转子电机7、定子支架6和推进器安装架5上。
60.综上所述，在空气中工作时，外转子电机驱动螺旋桨高速旋转，单向离合机构处于脱开状态，轮缘转子不旋转；在水下工作时，轮缘电机主动旋转，单向离合机构处于楔合状态，轮缘电机驱动螺旋桨低速旋转。外转子电机和轮缘电机的定转子采用灌封工艺，满足水下耐压、防水、防腐等需求。本发明利用了外转子电机高转速、低扭矩和轮缘电机低转速、高扭矩的特性，实现水下和空中的高效推进，具有结构紧凑、推进效率高等特点。
61.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。