磁性传动电传动装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种封装磁性传动无刷电船舶推进系统，其主要部件围绕中心轴轴向地布置。船舶推进系统包括：无刷直流电机，其包括固定至中心轴的定子和固定在电机转子内的电机磁体，该电机转子通过精密球轴承连接至中心轴；连接至电机转子的高速磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁背衬的交替磁体组；环境隔架，其保护电机且另外容纳极片以调节磁通量；低速磁力传动机构转子，其连接至中心轴并且包括固定至铁磁背衬的交替磁体组；连接至低速磁性传动转子的螺旋桨；和连接至电机安装系统的支柱的罩。
【专利说明】
磁性传动电传动装置
技术领域
[0001]本发明涉及电传动装置，且更具体地涉及磁性传动电传动装置。具体地，本发明涉及围绕中心轴或者外部壳体布置的封装的磁性传动无刷电传动装置。
【背景技术】
[0002]自主的水下航行器推进系统通常使用的电机具有机械传动来降低旋转速度，使其与螺旋桨的最高操作点匹配[如参见，B.Claus，R.Bachmayer jPC.D.Williams，“Development of an auxiliary propuls1n module for an autonomous underwaterglider/’Proceedings of the Institut1n of Mechanical Engineers,Part M: Journalof Engineering for the Maritime Environment,vol.224,n0.4,pp.255-266,2010.[Online] ?可从以下获得:http://pim.sagepub.com/content/224/4/255.abstract; andM.E.Furlong，D.Paxton，和P.Stevenson，“Autosub long range: A long range deepdiving AUVfor ocean monitoring，，，in Autonomous Underwater Vehicles(AUV)，2012IEEE/0ES，sept.2012，pp.l-7L另外的设计为了可靠性原因而使用定制的直接传动无刷电机，但是其具有更多的损耗且比其齿轮传动对应物显著更大[如参见，J.Bellingham，Y.Zhang，J.Kerwin，J.Erikson，B.Hobson,B.Kieft,M.Godin，R.McEwen，T.Hoover，J.Paul，A.Hamilton，J.Franklin，和A.Banka，“Efficient propuls1n for the Tethys long-range autonomous underwater vehicle，，，in Autonomous Underwater Vehicles(AUV),2010IEEE/0ES，sept.2010，pp.l-7]。然而，磁性连接传动系统与传统机械齿轮减速方法相比具有几个显著优点。第一，在旋转部件之间不存在实体接触-与机械制造轴承表面不同-消除了过量的机械磨损和大大地减轻了负载扰动的效果。此外，由输入和输出转子的实体隔离引起的固有的过载保护防止了在突然应用转矩的情况下的过早部件失效。没有机械接触还导致振动和噪音的减少。此外，通过利用空气间隙中的隔离件将电机和驱动电子器件从环境隔离，磁性传动机构可消除对旋转轴密封的需要。因此，可理解磁性传动系统适用于水下航行器推进系统，其中长期的免维护应用为一个优点。磁性传动本身在一百年来都是被关注主题，首先在早至1913年出现在专利中[例如参见，A.H.Neuland，“Apparatus fortransmitting power，”U.S.Patentl 171351，1916] 然而，这些早期的传动装置通常是复杂的机器，且具有低的转矩密度而不能广泛的使用[例如参见，H.T.Faus，“Magnet gearing，”U.S.Patent 2243555，1941;K.Tsurumoto和S.Kikuchi，“A new magnetic gear usingpermanent magnet/’Magnetics，IEEE Transact1ns on，vol.23，n0.5，pp.3622-3624，sep1987;以及S.Kikuchi和K.Tsurumoto，“Design and characteristics of a new magneticworm gear using permanent magnet/’Magnetics，IEEE Transact1ns οη,νο?.29,n0.6,pp.2923-2925，nov 1993]。近来，在2001年，Atallah等提出了包括三个转子的高转矩密度磁性传动装置的初始概念，该三个转子即包括铁磁极片的高速、低速和调制转子[参见seeK.Atallah和D.Howe，“A novel high-performance magnetic gear/’Magnetics，IEEETransact1ns on，vol.37，n0.4，pp.2844-2846，jul2001]。随后的论文提出了实验验证，其中证实了最高100kNm/m3的转矩密度和最高97%的效率以及2-1 2的传动比[参见K.Atallah，S.Calverley，和D.Howe，“Design,analysis and realisat1n of a high-performance magnetic gear，，，Electric Power Applicat1ns , IEEE Proceedings-,vol.151,n0.2,pp.135-143,mar 2004]。
[0003]然而，所需要的是磁性传动电传动装置，其具有意图用于且适用于在水下航行器中的可靠、长期应用，其中能量传送的效率是有用的。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种环境密封的磁性传动电传动装置，其将几个不同的技术部件结合在单个紧凑的方案中，以用于水下航行器，例如遥控潜水器(ROV)，自动潜航器(AUV)和载人水下航行器(HOV)。该装置主要包括电机定子、电机转子、高速内磁力传动机构转子、封装极片、和封装低速外磁力传动机构转子，这些都围绕中心轴而布置。将这些部件组合为单个水下电传动装置提供了低维护和高效配置的水下传动应用。该系统的一个优点在于围绕中心轴的简化配置，其允许多极的传动。该系统的另一个优点在于通过将封装技术与磁性传动技术结合，整个装置可制造为更小和更轻，且从而提高装置的功率密度。
[0005]在一个实施方式中，本发明包括封装磁性传动无刷电传动装置，其主要包括以下部件:连接至中心轴的第一远端的电机安装系统，所述安装系统包括防水壳体，其具有连接至支柱的刚性法兰并包括用于接收动力和命令输入的水密封端口；连接至所述电机安装系统的直流电机，其包括固定至所述中心轴的电机定子和固定在电机转子内的电机磁体，该电机转子通过精密球轴承连接至所述中心轴;连接至所述电机转子的高速内磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁背衬的交替磁体组;连接至所述电机安装系统的环境隔架，其通过O形环密封件密封所述电机安装系统和中心轴，且进一步容纳极片以调节磁通量;连接至所述中心轴的第二远端的低速外磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁体背衬的交替磁体组;连接至所述低速外磁力传动机构转子的螺旋桨;和连接至所述电机安装系统的支柱的罩，其中各所述部件通过使用隔离物和机械止挡件而围绕所述中心轴轴向地布置，且其中所述部件通过键或者轴承之一而保持定位。
[0006]在另一个实施方式中，本发明包括封装磁性传动无刷电传动装置，其主要包括以下部件:连接至中心轴的第一远端的电机外壳系统;连接至所述电机外壳系统的直流电机定子，所述定子以灌封化合物而封装;连接至所述直流电机定子的直流电机转子，所述电机转子容纳电机磁体，所述电机磁体以灌封化合物而封装;连接至所述电机转子的高速内磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁背衬的交替磁体组，所述高速内磁力传动机构转子以灌封化合物而封装;连接至中心轴的容纳极片的中间磁力传动环，其中所述极片以灌封化合物而封装并且保持在极片夹具内；连接至所述中心轴的低速外磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁背衬的交替磁体组，所述低速外磁力传动机构转子以灌封化合物而封装;和连接至所述低速外磁力传动机构转子的螺旋桨，其中各所述部件使用隔离物和机械止挡件而围绕所述中心轴轴向地布置，且其中所述部件通过键或者轴承之一而保持定位。
【附图说明】
[0007]图1是本发明的推进器设计的一个实施方式的等轴测视图；
[0008]图2是图1所示的推进器设计的实施方式的分解等轴测视图；
[0009]图3是图1的推进器设计的实施方式的分解平面视图；
[0010]图4是图1所示的推进器设计的实施方式的横剖视图；
[0011]图5是用于本发明的推进器设计的磁力传动机构的实施方式的示意图；
[0012]图6是本发明的推进器设计的第二实施方式的等轴测视图；
[0013]图7是图6所示的推进器设计的实施方式的分解等轴测视图；
[0014]图8是图6所示的推进器设计的实施方式的分解平面视图；
[0015]图9是图6所示的推进器设计的实施方式的横剖视图。
【具体实施方式】
[0016]本发明的推进系统设计旨在提高当前船舶推进系统的总体效率和可靠性，且还大体使得装配和维护更加容易。其由通过高效率电机控制器所驱动的环境隔离无刷直流电机提供动力。环境隔离通过使用环境隔离件而实现，环境隔离件(environmental barrier)作为磁力传动机构系统的一部分或者通过封装而加倍。留在隔离件外侧的敏感磁体和铁成分被封装而用于环境保护。所有的推进器组件被布置在用作机械基础(mechanical ground)的中心轴上，从而形成合适的装配。在环境隔离件中的静态O形环密封件允许基础轴在干和湿的段之间通过。通过使用专门建造的螺旋桨和护罩以及水动减阻支柱和鼻锥可最大化推力输出。
[0017]尽管磁力传动和封装电机是已知概念，然而将其结合以及将其以这里所公开的方式而围绕中心轴布置是新颖的，且提供了几个特别有用且可因用于船舶推进技术领域的关键的优点。首先，已经示出磁力传动机构本身比相应的机械传动机构更有效率，其展示的效率通常高于95%。这里所公开的围绕中心轴的布置允许磁力传动机构元件的堆叠形成多级磁力传动机构，从而显著地增大传动比率。第二，船舶推进在较低旋转速度和高扭矩实现最佳性能，而无减速器电机大体以高速和低扭矩运行。因此，本发明的方案减慢了电机的速度且增大了扭矩，同时保持了高效的能量转换，在船舶推进技术领域是需要的。此外，通过如这里所公开的封装部件，减少了对于压力腔室或者轴密封的需要，且装置的功率密度和可靠性相应地提高。具体地，由于磁力传动机构系统没有滑动接触-与机械制造轴承表面不同-其中减少了摩擦损失，引起效率的提高。这还表示其中没有磨损，使得比机械传动机构具有在失效之间的更长的平均时间。此外，在转子中的一个被卡住的情况下，磁力传动机构会逐渐减速(ratchet)或者打滑，防止对其它系统部件的损坏。降低的噪音是这里所述的磁力传动机构的另一个特征。
[0018]参考附图和以下说明，更详细地解释了本公开的发明，图1和4分别示出了本发明的推进器设计的一个实施方式的等轴测和横剖视图。图2和3分别为推进器的该实施方式的分解等轴测和平面视图，以示出推进器的组成部分。参考图2和3，推进器主要包括8个部件(其中的七个布置在中心轴上以形成如以下所述的简洁的组件)。电机安装系统I包括具有刚性法兰12的防水壳体11，其形成用于直流电机(大体以3示出)和控制电子器件(未示出)的水密封罩。该刚性法兰12用作支柱13的连接点，支柱13用于固定罩10。电机安装系统I接收中心轴2的一端，且包括水密端口(未示出)，用于从直流电机3接收动力和命令输入。球形整流罩14改进了水动力性能。中心基础轴2是硬质的、刚性、防腐蚀轴，其具有用于O形环24的凹槽，在该轴上布置有所有固定和旋转部件。具体地，固定部件通过键(未示出)保持定位，而旋转部件使用精密球轴承17或者轴承表面25。这些部件通过使用机械止动件、定位螺丝和保持环(未示出)而轴向地固定。中心轴2的使用保证了同心性，最小化由于离心轴承旋转和径向负载所引起的损耗，且因此延长了轴承寿命。中心轴2具有另外的优点，即方便装配和维护。直流电机3包括电机定子4和电机转子5，该电机定子4自定义地缠绕以在输出转矩和旋转速度的要求范围将效率最大化，并且电机转子5包括固定在铁磁背衬16内的电机磁体15，该铁磁背衬16通过精密球轴承17而连接至基础轴2以最小化能量损失并且使用保持环(未示出)而被轴向地约束。该电机转子5直接连接至高速内磁力传动机构转子6。更具体地，且参考图5，磁力传动机构系统具有三个主要部件。第一个部件是高速内磁力传动机构转子6，其包括多个交替的永磁体极对18。这些部件固定至铁磁背衬19，以集中和容纳磁通量。第二个部件是低速外磁力传动机构转子8，其与高速内磁力传动机构转子6相似，只是该低速外磁力传动机构转子8具有更多固定至铁磁背衬21的永磁体极对2 O。在高速内磁体传动机构转子6上的磁体极对18与在低速外磁体传动机构转子8上的磁体极对20的比例确定了传动比。在高速内磁力传动机构转子6与低速外磁力传动机构转子8之间设置有固定在极片夹具23内的极片22。极片22调节在高速内磁力传动机构转子6与低速外磁力传动机构转子8之间的通量，并且形成通量和谐(flux harmony)，允许磁力传动机构转子“嗤合”。该极片22由烧结磁性复合物或者叠片构成，以减少涡流损耗。通过参考图2，3和4，极片夹具23集成至环境隔离件7且形成磁力传动机构系统的固定部件。环境隔离件7机械地连接至电机安装系统1，且通过使用静态O形环密封件24而密封法兰12和中心轴2，且容纳用于调节磁通量和实现要求的磁通和谐的极片22。极片22以灌封化合物封装，从而固定其布置并防止腐蚀。低速磁力传动机构转子8在轴承表面25上连接至中心轴2，且包括交替组的永磁体对20，其固定至铁磁背衬21以集中磁通量。在低速外磁力传动机构转子8中的永磁体极对20和铁磁背衬21以灌封化合物封装，以保护其避免在腐蚀海洋环境被腐蚀。推进器9是船舶推进器，其被尺寸定制为在推力和速度的要求范围内提供最高效率。推进器9通过机械紧固件(未示出)而固定至低速磁力传动机构转子8。保持环(未示出)轴向地约束低速磁力传动机构转子8，而轴承表面25径向地约束低速转子8。罩10是流体动力薄片(foil)，其主要用于两个目的。首先，其通过形成升力面而增大推进器9的输出推力，且最小化由叶片末端涡流所引起的损耗。其次，其包围并保护推进器9避免被碎肩损坏。在一些实施方式中，该罩还可用作推进器的安装点。推进器9被优化以用于罩10中。
[0019]图6至9示出了本发明的另一个实施方式。如图6和9所示，其分别示出了在该实施方式中使用另外的封装的等轴测和横剖视图，其进一步促进了简化并允许部件的“叠加”而不使用隔离件。在该实施方式中，推进器由无刷直流电机(大体以28指示)提供动力，该无刷直流电机具有封装的定子34和固定至铁磁背衬36的电机磁体35。高速内磁力传动机构转子30固定至电机转子29。低速外磁力传动机构转子32连接至推进器33。中间磁力传动环31容纳极片夹具23，其用于磁力传动机构系统的操作。所有的磁体和铁部件都被封装以避免被腐蚀。所有的推进器部件都被布置在中心轴27上，形成简洁的组件。任何非旋转部件都被键配合至轴。中心轴27允许使用者叠加部件，以允许多个传动级。
[0020]将参考图7、8和9更详细地说明本发明的实施方式，所述图中示出了推进器的实施方式的等轴测、平面和横剖视图，从而示出了推进器的构成部件。具体地参考图7和8，推进器主要包括8个部件，其中七个被布置在中心轴27上以形成如下文所述的简洁组件。电机罩系统26主要用作用于直流电机28的保护盖，并且保持中心轴27的一端。中心轴27是硬质、刚性、防腐蚀轴，其上布置有所有的固定和旋转部件。固定部件使用键(未示出)而保持，且旋转部件位于精密球轴承37或轴承表面38上。使用用于所有部件的中心轴27保证了同心性，且最小化由于偏心轴承旋转和径向负载所引起的损失。中心轴27具有方便装配和维护的额外的优点。通过将中心轴27延伸，可叠加额外的传动机构级。参考图7至9，直流电动机定子34被根据要求而缠绕，以在输出转矩和旋转速度的要求范围最大化效率。电机定子34及其绕组(未示出)以灌封化合物封装，以保护其避免被腐蚀海洋环境腐蚀。直流电机转子29是轻质的，并且容纳电机磁体35和铁磁背衬36，以及传递电机的旋转动力。电机磁体35和铁磁背衬36以灌封化合物封装，以保护其避免被腐蚀海洋环境腐蚀。电机转子29通过精密球轴承37连接至中心轴27，以最小化功率损耗。电机转子29直接固定至高速内磁力传动机构转子30。更具体地，再次参考图5，磁力传动机构系统具有三个主要部件。第一个部件是高速内磁体齿轮转子30，其由多个交替的永磁体极对18构成。该永磁体极对18固定至铁磁背衬19，以集中和容纳磁通。第二个部件是低速外磁力传动机构转子32，其与高速内磁力传动机构转子30相似，只是该低速外磁力传动机构转子32具有更多固定至铁磁背衬21的永磁体极对20。在高速内磁力传动机构转子30上的磁体极对18与在低速外磁力传动机构转子32上的磁体极对20的比例确定了传动比。在高速内磁力传动机构转子30和低速外磁力传动机构转子32之间的是固定在极片夹具23中的极片22。极片22调节在高速内磁力传动机构转子30和低速外磁力传动机构转子32之间的通量，并且形成通量和谐，允许磁力传动机构转子“啮合”。极片22由烧结磁体复合物或叠片而构成，以减少涡流损耗。通过参考图7至9，极片夹具23集成至中间磁力传动环31且形成磁力传动系统的固定部件。极片22以灌封化合物封装，从而固定其布置并防止腐蚀。中间磁力传动环31被键配合至中心轴27。低速外磁力传动机构转子32通过使用轴承表面38而连接至中心轴27。永磁体极对20和铁磁背衬21使用灌封化合物封装，以保护其避免被腐蚀海洋环境而腐蚀。推进器33是船舶推进器，其被尺寸定制为在推力和速度的要求范围内提供最高效率。低速外磁力传动机构转子32通过端盖39和固定螺丝40而固定至中心轴27。
[0021]除了以上所述，还存在对如上所述的推进器配置实施方式进行的多种另外的配置和修改，其可潜在地引起性能提升、增强可靠性、或方便制造/组装/维护。具体地，关于极片22，由于其保持在塑料夹具中，所以优选其可永久模制在夹具中而不是将其封装。这可消除对额外的铸封程序的需要，且可保证极片22不会从其壳体松脱。此外，在水下推进器上使用罩8不是必须的。在此，由于罩引起的性能提升通常是微小的，且如果不预期推进器会经历任何碎肩，则可考虑不需要罩，因为罩会增大推进器的总体尺寸和增加其重量。此外，除了使用中心轴作为机械基础以外，还可使用外壳体。在该配置中，内部转子无刷电机可连接至高速内磁力传动机构转子，其由交替的永磁体极对18和铁磁环19构成。外永磁体极对20和铁磁背衬21可被保持固定，且中间极片23可用作低速输出且可连接至螺旋桨。
[0022]由于根据本发明设计的航行器的推力重量比的增大引起的功率密度增大对ROV是有利的，这提高了响应性。响应性的提高可转换为改进的操作性能且可缩短任务完成时间，这使得改进的ROV对用作检查、干预和调查级别航行器是有利的。类似地，根据本发明设计的AUV从提高的推进效率得到益处。具体地，由于AUV在其能量(通常为电池的形式)方面必须是自供应的，所以AUV目标耐力是与在船上的所有系统所使用的能量的量成直接比例的。最佳目标计划通常试图平衡由推进系统和有效载荷传感器所使用的能量，从而以所用的有效载荷传感器通过最大距离。通过提高推进效率，对于相同有效载荷规格的航行器的推力增大，从而提高了 AUV完成任务的总体速度。类似地，通过对于相同的有效载荷保持相同的速度，AUV的耐久性延长，从而增大了调查所覆盖的潜在区域的面积。如上所述，包括本发明的新的推进系统的ROV和AUV系统的操作者可获得提高的效率和节省的成本。
[0023]尽管已经对本发明的【具体实施方式】进行了说明，然而本领域技术人员应理解，可在所附权利要求的范围内对实施方式进行改变和修改。
【主权项】
1.一种封装磁性传动无刷电传动装置，主要包括以下部件: 耦接至中心轴的第一远端的电机安装系统，所述安装系统包括防水壳体，其具有连接至支柱的刚性法兰并包括用于接收动力和命令输入的水密封端口； 耦接至所述电机安装系统的直流电机，其包括固定至所述中心轴的电机定子和固定在电机转子内的电机磁体，该电机转子利用精密球轴承耦接至所述中心轴； 耦接至所述电机转子的高速内磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁背衬的交替磁体组； 耦接至所述电机安装系统的环境隔架，其通过O形环密封件密封所述电机安装系统和中心轴，且进一步容纳极片以调节磁通量； 耦接至所述中心轴的第二远端的低速外磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁体背衬的交替磁体组； 耦接至所述低速外磁力传动机构转子的螺旋桨;和 耦接至所述电机安装系统的支柱的罩， 其中所述部件中的各部件利用隔离物和机械止挡件围绕所述中心轴轴向布置，且其中所述部件通过键或轴承之一而保持定位。2.一种封装磁性传动无刷电传动装置，主要包括以下部件: 耦接至中心轴的第一远端的电机外壳系统； 耦接至所述电机外壳系统的直流电机定子，所述定子以灌封化合物封装； 耦接至所述直流电机定子的直流电机转子，所述电机转子容纳电机磁体，所述电机磁体以灌封化合物封装； 耦接至所述电机转子的高速内磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁背衬的交替磁体组，所述高速内磁力传动机构转子以灌封化合物封装； 耦接至所述中心轴的容纳极片的中间磁力传动环，其中所述极片以灌封化合物封装并保持在极片夹具内； 耦接至所述中心轴的低速外磁力传动机构转子，其包括固定至铁磁背衬的交替磁体组，所述低速外磁力传动机构转子以灌封化合物封装;和耦接至所述低速外磁力传动机构转子的螺旋桨， 其中所述部件中的各部件利用隔离物和机械止挡件围绕所述中心轴轴向布置，且其中所述部件通过键或者轴承之一而保持定位。
【文档编号】H02K51/00GK106061835SQ201580012312
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月6日 公开号201580012312.7, CN 106061835 A, CN 106061835A, CN 201580012312, CN-A-106061835, CN106061835 A, CN106061835A, CN201580012312, CN201580012312.7, PCT/2015/70, PCT/CA/15/000070, PCT/CA/15/00070, PCT/CA/2015/000070, PCT/CA/2015/00070, PCT/CA15/000070, PCT/CA15/00070, PCT/CA15000070, PCT/CA1500070, PCT/CA2015/000070, PCT/CA2015/00070, PCT/CA2015000070, PCT/CA201500070
【发明人】B.克劳斯, R.巴克梅尔, L.麦克尼尔
【申请人】纽芬兰纪念大学