一种轴系支撑的轴向磁通电机驱动的环形电力推进器的制作方法

[0001]
本实用新型属于船舶推进器技术领域，具体涉及一种轴系支撑的轴向磁通电机驱动的环形电力推进器。


背景技术：

[0002]
随着电力推进技术的发展，电力推进系统越来越多地应用于船舶上。常见的电力推进系统包括变速齿轮箱、轴系（含轴、联轴器、各种轴承和轴承座、艉管密封）、螺旋桨等；电力推进系统的推进方式是由电动机带动变速齿轮箱减速后，驱动轴系和螺旋桨旋转，产生船舶前进或后退的推力。这种推进方式存在以下问题：结构复杂，零件众多，故障率高、占用空间大、重量重；推进效率低：电机与螺旋桨之间通过齿轮、轴系等部件传动，齿轮啮合产生能量损失，同时轴承通常为滑动轴承，摩擦力大，摩擦功耗大；以上传动环节，产生了中间传动损耗，降低了系统的推进效率；传动齿轮啮合产生振动并引发噪声，其次，水流流经轴系和水下附体后，产生紊流，螺旋桨在紊流中旋转，产生激振和空泡，空泡爆裂产生噪声。


技术实现要素：

[0003]
为克服以上缺点，提高效率、延长轴承寿命，本实用新型提出一种由轴系支撑、置于水中的轴向磁通电机（盘式电机），直接驱动有毂式螺旋桨的环形电力推进器，其转子组件和螺旋桨组件由置于水中的轴系和轴承支撑并将推力传递到电机和船体上。
[0004]
为至少解决上述技术问题之一，本实用新型采取的技术方案为：
[0005]
一种轴系支撑的轴向磁通电机驱动的环形电力推进器，包括：壳体、轴向磁通电机、螺旋桨和轴系组件，其中，
[0006]
所述轴向磁通电机包括：端面法兰、转子组件和定子组件，所述壳体的两端分别设有所述端面法兰，所述定子组件固定于所述端面法兰上，所述转子组件与所述定子组件并列设置且与所述定子组件产生的气隙磁场方向为轴向；
[0007]
所述轴系组件包括：螺旋桨轴、轴承组、轴承座和支撑板，所述螺旋桨轴与所述螺旋桨相连，所述螺旋桨轴通过所述轴承组设置于所述轴承座内，所述轴承座通过支撑板与所述端面法兰相连；
[0008]
所述螺旋桨与所述转子组件相连。
[0009]
进一步的，所述转子组件包括：永磁体和支撑架，所述永磁体嵌在所述支撑架内，所述支撑架与所述定子组件并列设置，且所述支撑架的一端通过叶梢法兰与所述螺旋桨相连。
[0010]
进一步的，所述轴承组装配于所述轴承座内，所述螺旋桨轴与轴承座之间采用水润滑或油润滑方式中的一种或几种。
[0011]
进一步的，采用油润滑方式时，所述螺旋桨轴与轴承座之间具有密封件。
[0012]
进一步的，所述壳体的两端还分别设有防护罩，用于保护所述轴向磁通电机和轴系组件。
[0013]
进一步的，所述定子组件为两个，所述转子组件为一个且设置于两个所述定子组件之间。
[0014]
进一步的，所述定子组件和转子组件均为多个且相互交替穿插于所述壳体内。
[0015]
本实用新型的有益效果至少包括：
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1）降低了摩擦力和磨损：采用轴系加滑动轴承（或滚动轴承），替代了轮缘式的水润滑轴承，轴承表面线速度降低了，摩擦力和摩擦功耗也减小了，磨损量也降低了，延长了轴承的寿命，提高了推进器的可靠性；
[0017]
2）提高了刚度：采用了有毂式螺旋桨，替代了无毂式螺旋桨，提高了螺旋桨-转子组件的刚度，减少了转子的变形，确保了电机气隙均匀，保证了电机的高效率；
[0018]
3）提高了推进效率：首先，采用了双定子单转子结构的轴向磁通永磁无刷电机（盘式电机），转子二侧轴向力平衡，电机效率高、结构紧凑；采用永磁体代替线圈，相比他励式的电动机，减少了电流损耗，进一步提高了电机效率和功率因数；其次，电机的转子内圆直接固定螺旋桨，转子直接驱动螺旋桨转动，不再需要任何中间传动环节；
[0019]
4）可以根据需要提高或降低功率密度：采用双定子单转子结构，转子二侧的磁场均产生电磁力驱动转子，同时出力，功率密度高，或者集成更多的定子和转子，提高功率密度，也可采用单定子单转子，降低功率密度，简化结构，节省成本；
[0020]
5）噪声振动降低：由于转子直接驱动螺旋桨，消除了传统推进型式中齿轮箱齿轮啮合带来的振动与噪声。
附图说明
[0021]
图1为本实用新型推进器结构示意图。
[0022]
图2为本实用新型桨毂与螺旋桨轴一体结构示意图一。
[0023]
图3为本实用新型桨毂与螺旋桨轴一体结构示意图二。
[0024]
图4为本实用新型桨毂与螺旋桨轴分体结构示意图一。
[0025]
图5为本实用新型桨毂与螺旋桨轴分体结构示意图二。
[0026]
图6为图1第一实施例的c-c向剖视图。
[0027]
图7为图6的局部放大图。
[0028]
图8为图1第二实施例的c-c向剖视图。
[0029]
图9为图8的局部放大图。
[0030]
图10为图1第三实施例的c-c向剖视图。
[0031]
图11为图10的局部放大图。
[0032]
其中，壳体1、螺旋桨2、桨毂201、叶梢法兰202、端面法兰3、转子组件4、永磁体401、支撑架402、定子组件5、螺旋桨轴6、轴承组7、轴承座8、支撑板9、防护罩10、密封件11。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0034]
实施例1：如图1、6和7所示，该实施例的环形电力推进器为双定子单转子组件结构，主要包括：壳体、轴向磁通电机、螺旋桨和轴系组件。
[0035]
本实用新型轴向磁通电机采用轴向磁通永磁无刷电机（盘式电机），轴向磁通电机与普通电机不同，其气隙为平面型，气隙磁场方向为轴向，载流导体系径向放置，定子和转子为盘式结构。电机由定子组件、转子组件、机壳、端面法兰组成。左右二个定子组件分别固定在电机左右端面法兰上，中间为单转子组件。电机定子组件为轴向铁心和线圈组成，也可设计为无铁芯结构，定子组件整体灌封多层密封绝缘的填充防护材料，与水隔绝并起到绝缘的作用。转子组件夹在二个定子组件中间，与定子组件平行，而非像普通电机一样与定子成径向同心的结构。转子组件含永磁体和支撑架，永磁体嵌在支撑架内，支撑架内灌封密封绝缘填充材料，防止水进入内部腐蚀永磁体。机壳即为推进器壳体，机壳左右二端连接电机的端面法兰和防护罩。
[0036]
转子内径大，可以容纳螺旋桨，螺旋桨固定在叶梢法兰上，叶梢法兰与转子支撑架内径连接，转子直接带动螺旋桨转动，电机转速即螺旋桨转速，不需要齿轮等中间传动环节。电机左右定子组件在通入三相电源后产生旋转磁场，中间的转子组件中的永磁体在旋转磁场的作用下产生电磁力，转子旋转并输出力矩，带动螺旋桨在水中旋转产生推动船舶的推力。
[0037]
本实用新型采用了有毂式螺旋桨，取代无毂式螺旋桨，提高了转子-螺旋桨组件的刚度，降低了周向变形，螺旋桨为金属质螺旋桨，也可为复合材料螺旋桨，螺旋桨为整体式，叶数根据水动力性能而定，可以为2叶、或者3叶、4叶、5叶或更多。每片叶片通过叶梢法兰与转子支撑架连接，转子通过叶梢法兰直接带动螺旋桨转动，电机转速即螺旋桨转速，不需要采用齿轮等传动环节。
[0038]
本实用新型采用轴系组件（包括轴承组）承受公共转子组件和螺旋桨的重量，同时承受螺旋桨的推力，并将推力传递至船体。
[0039]
参照图2和3所示，螺旋桨的桨毂与螺旋桨轴为一体结构，图2示出所述轴承座与螺旋桨轴之间为水润滑方式，即所述轴承座与螺旋桨轴之间具有间隙设置，便于水流入，图3示出所述轴承座与螺旋桨轴之间为油润滑方式，轴承座与螺旋桨轴之间有密封件，防止油脂漏出和水进入。
[0040]
参照图4和5所示，螺旋桨的桨毂与螺旋桨轴为分体结构，螺旋桨的桨叶叶根部分与桨毂连接，桨毂装配在螺旋桨轴上，螺旋桨轴装配在轴承组上，轴承组装配在轴承座内，轴承座通过支撑板固定在电机端面法兰上；螺旋桨轴、轴承组、轴承座、支撑板等构成了轴系组件。轴承组包含径向轴承和推力轴承，径向轴承支撑转子组件和螺旋桨的重量，推力轴承承受螺旋桨的正反推力和电机的电磁力，并通过轴承座和支撑板，进而传递到电机端面法兰和环形壳体上，进而传递到船体上；图4示出所述轴承座与螺旋桨轴之间为水润滑方式，即所述轴承座与螺旋桨轴之间具有间隙设置，便于水流入；图5示出所述轴承座与螺旋桨轴之间为油润滑方式，轴承座与螺旋桨轴之间有密封件，防止油脂漏出和水进入。
[0041]
前后防护罩安装在电机端面法兰（或机壳）前后端，起着保护电机的作用，防护罩外形可以做成圆弧形或流线型，有利于降低阻力，提高水动力性能。
[0042]
很多情况下，由于船舶的吃水受限制，或船艉空间尺寸有限，导致螺旋桨和推进器的径向尺寸受限，螺旋桨和推进器的直径无法进一步做大，为了在径向尺寸受限的情况下
提高功率，还可以通过增加定子和转子的数量，来提高功率。在径向尺寸受限的情况下，推进器集成的电机定子和转子的数量增加了，功率和功率密度就提高了；推进器集成的电机定子和转子的数量减少了，功率和功率密度也就降低了。
[0043]
实施例2：当功率密度要求不高时，可以采用单定子单转子的型式来降低功率和功率密度，如图8和9所示，该实施例的环形电力推进器为单定子单转子组件结构，与实施例1不同的是，该定子组件的数量设置为一组，转子组件仅由一侧的单定子组件驱动，采用单定子和单转子，功率下降了，功率密度降低了，但是结构简单，成本较低，适合于功率较低、对功率密度要求不高的推进器。
[0044]
实施例3：当功率需要更大，而直径不变，也即需要提高功率密度时，可以采用增加定子组件和转子组件的数量的方式来实现，也即多个定子组件同时驱动多个转子组件，多个转子组件同时驱动一个螺旋桨。如图10和11所示，该实施例的环形电力推进器为三定子双转子组件结构，与实施例1和2不同的是，三个定子组件驱动二个转子组件，两个转子组件同时驱动一个螺旋桨。
[0045]
电机采用三定子双转子的多盘式结构，前后二个定子组件分别固定在电机前后端面法兰上，中间定子组件嵌入在壳体内。每两个定子组件中间为一个转子组件，前定子组件和中定子组件中间为前转子组件，中定子组件和后定子组件中间为后转子组件。两个转子组件的支撑架与螺旋桨叶梢法兰紧固在一起，共同推动螺旋桨旋转，电机功率更大，功率密度提高了。
[0046]
同理，也可以在推进器上同时集成更多的定子组件和转子组件，同时驱动一个螺旋桨，不断提高推进器的功率和功率密度，做到在径向尺寸受限的情况下，通过提高功率密度和功率，让推进器发出更大的推力。
[0047]
综上所述，本实用新型取消了电力推进系统中，电机到螺旋桨之间的各个传动环节，电机直接驱动螺旋桨，采用双定子单转子结构或多定子多转子结构的轴向磁通电机，提高了功率密度和效率，降低了运行噪声。另外，取消中间传动环节也降低了重量、提高了可靠性、减少了占用的舱内空间，提高了舱内空间利用率。适合在各种电动船舶上使用。
[0048]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。