CN104443340A - 一种水下推进装置及包含该装置的水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水下推进装置，包括电机和至少2个螺旋桨，所述电机的定子与所述电机的转子通过磁场耦合驱动，所述电机的转子与所述螺旋桨一体成型。同时，本发明还提供一种包含上述水下推进装置的水下机器人，包括密封舱壳体，所述密封舱壳体的材质为非磁性且非金属材质；所述电机的定子设置于所述密封舱壳体的内部，所述电机的转子通过滚动轴承固定在所述密封舱壳体的外部，所述电机的定子与所述电机的转子的位置相互对应。本发明结构简单、耐压力、流线型设计、性能高、成本低、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下推进装置及包含该装置的水下机器人，属于水下机器人控制技术领域。
背景技术
传统的小型水下机器人带有外壳、密封舱、外挂式电动螺旋桨推进装置、电动姿态控制装置、发泡材料浮体，由发泡材料浮体提供主要浮力。其大致结构是，有一个圆筒形的外壳，电子设备密封舱和电动姿态控制装置安装在外壳内，外挂式电动螺旋桨推进装置在外壳外部，推进装置可以在密封舱的侧面或尾部。上述结构中，由于独立的耐压密封舱和电动螺旋桨推进装置两个部分是独立的结构，从而由完全不同的结构和部件构成，因此设计，制造，组装成本较高。而且，这两个部分通常由穿过耐压壳体的导线或密封轴承连接，耐压壳体的导线和密封轴承对壳体的机械强度和水密性会有负面的影响，推进装置与螺旋桨通过密封轴承连接，成本较高且容易磨损，同时分体式结构也难以达到最佳的流体力学设计，装配不方便，电路引线不便连接，存在系列化大规模生产成本高的缺陷。
发明内容
发明目的： 本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种抗磨损、成本低、装配方便的水下推进装置。
同时，本发明还提供一种包含水下推进装置的水下机器人。
技术方案： 本发明所述一种水下推进装置，包括电机和至少2个螺旋桨，所述电机的定子与所述电机的转子通过磁场耦合驱动，所述电机的转子与所述螺旋桨一体成型。
转子与定子之间通过磁场耦合以驱动，消除了密封轴承，传统的密封轴承可以采用密封胶圈，但是密封胶圈容易磨损的寿命往往比较短。另外一种采用磁性液体密封的方法价格比较昂贵，没有密封轴承，保证了设备耐压壳体的机械连续性，从而提高了整体强度。
对上述水下推进装置进一步限定的技术方案为，所述电机的定子和所述电机的转子之间的耦合方式包括永磁耦合、感应耦合或磁阻耦合。
进一步地，所述电机为永磁电机，所述永磁电机的永磁铁安装在所述电机的转子上。
进一步地，所述电机为感应电机，所述电机的转子为鼠笼结构，所述鼠笼结构的鼠笼条的材质为铝。感应电机的成本较低，但是效率和扭矩相对没有永磁电机高。
本发明提供的另一技术方案为：一种包含上述水下推进装置的水下机器人，包括密封舱壳体，所述密封舱壳体的材质为非磁性且非金属材质；所述电机的定子设置于所述密封舱壳体的内部，所述电机的转子通过滚动轴承固定在所述密封舱壳体的外部，所述电机的定子与所述电机的转子的位置相互对应。
转子与定子之间通过磁场耦合以驱动，消除了密封轴承，传统的密封轴承可以采用密封胶圈，但是密封胶圈容易磨损的寿命往往比较短。另外一种采用磁性液体密封的方法价格比较昂贵，没有密封轴承，保证了设备耐压壳体的机械连续性，从而提高了整体强度。
对上述水下机器人进一步限定的技术方案为，所述密封舱壳体的厚度不超过10mm。
进一步地，所述电机的转子的转动轴与所述密封舱的主轴重合。
进一步地，所述电机的定子与所述密封舱壳体的内壁之间的气隙小于1mm。
进一步地，所述电机的转子与所述密封舱壳体的外壁之间的气隙小于1mm。
电机的驱动由定子绕组产生磁场穿过定子气隙，密封舱，转子气隙而和转子进行耦合及电磁感应以产生转矩，因此，上述的密封舱壳体的厚度、定子气隙和转子气隙的值均为能产生最佳转矩所需的值。
进一步地，所述水下机器人包括的所述推进装置的个数为2~3个。
有益效果：本发明提供的一种水下推进装置及包含该装置的水下机器人，通过密封舱与推进装置的融合，解决推进电机的水密和推进***体积、重量及经济性问题，降低推进***的复杂度，实现了结构简单、耐压力、流线型设计、性能高、成本低、可靠性高等特点；本发明由于是一体化的动力部件，装配很方便，零部件的通用性较高，仅更换外壳型材或密封舱型材的长度即可改变规格，所有规格结构相同，同一直径系列内零部件通用，方便系列化生产；本发明主要壳体零件采用挤出塑料型材，或注塑件较大地降低了成本，电子设备的体积决定了密封舱的大小，而密封舱的大小决定了机器人的大小，根据拟采用电子设备的体积和所携带的外挂设备的重量。
附图说明
图1为本发明提供的一种包含水下推进装置的水下机器人的正视图；
图2为本发明提供的一种包含水下推进装置的水下机器人的左视图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：本发明提供一种包括水下推进装置的水下机器人，其正视图如图1所示，其左视图如图2所示，包括2~3个水下推进装置，实现三维自由移动，下面对其具体的结构进行详述。
在介绍水下机器人之前，首先介绍其包含的水下推进装置。水下推进装置包括电机和至少2个螺旋桨U2，电机的定子U3与电机的转子U5通过磁场耦合驱动，电机的转子U5与螺旋桨U2一体成型。电机的定子U3和所述电机的转子U5之间的耦合方式包括永磁耦合、感应耦合或磁阻耦合。本实施例中，电机为永磁电机，所述永磁电机的永磁铁安装在所述电机的转子U5上。
上述水下推进装置，转子与定子之间通过磁场耦合以驱动，消除了密封轴承，传统的密封轴承可以采用密封胶圈，但是密封胶圈容易磨损的寿命往往比较短。另外一种采用磁性液体密封的方法价格比较昂贵，没有密封轴承，保证了设备耐压壳体的机械连续性，从而提高了整体强度。
水下推进装置不使用密封轴承，应用于水下机器人，可以使其便于流线型设计，减小水的阻力，下面对包含水下推进装置的水下机器人进行详细介绍。
包含水下推进装置的水下机器人包括密封舱壳体U1，所述密封舱壳体U1的材质为非磁性且非金属材质，比如ABS塑料，氧化铝陶瓷等，而密封舱壳体U1的厚度不超过10mm，应该在耐压允许的情况下尽量的薄，以便磁场通过，达到很好的磁场驱动效果。
所述电机的定子U3设置于所述密封舱壳体U1的内部，电机的定子U3与密封舱壳体U1的气隙小于1mm，应尽可能薄以增加转矩。电机定子的设计和传统的电机相似，定子绕组和控制电路相连。螺旋桨U2及电机的转子U5是一体化结构，所述电机的转子U5通过滚动轴承U4固定在所述密封舱壳体U1的外部，所述电机的定子U3与所述电机的转子U5的位置相互对应，电机的转子U5的转动轴与所述密封舱的主轴重合。电机的转子U5外由防水材料密封，电机的转子U5与密封舱壳体U1间的气隙小于1mm，应尽可能薄以增加转矩。滚动轴承U4应是防水材料，例如陶瓷轴承。
电机的驱动由电池，变频器，及控制器组成，控制可以由单片机或DSP实现，所有控制元件都置于密封舱内。密封舱内还可放置机器人水下作业所需的感应，拍摄，及控制器件。
本实施例的水下机器人通过永磁电机驱动电机的定子U3，电机的定子U3带动电机的转子U5转动从而带动与电机的转子U5一体成型的螺旋桨U2运动，为水下机器人提供驱动力，整个推进装置不采用密封轴承，机器人的外形最接近流线形，从而减少了水流的阻力，可以提高最大航速，减少耗电。而且，本实施例便于装配，便于产品化，零部件通用性高，低成本，并可以应用到深水的小型水下机器人。
实施例2：
本实施例提供的水下推进装置和包含水下推进装置的水下机器人与实施例1基本相同，不同点为，所述电机为感应电机，所述电机的转子U5为鼠笼结构，所述鼠笼结构的鼠笼条的材质为铝。感应电机的成本较低，但是效率和扭矩相对没有永磁电机高，可以根据水下机器人的功能时间和工作深度进行权衡选择。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (10)
1.一种水下推进装置，包括电机和至少2个螺旋桨（U2），其特征在于，所述电机的定子（U3）与所述电机的转子（U5）通过磁场耦合驱动，所述电机的转子（U5）与所述螺旋桨（U2）一体成型。
2.根据权利要求1所述的一种水下推进装置，其特征在于，所述电机的定子（U3）和所述电机的转子（U5）之间的耦合方式包括永磁耦合、感应耦合或磁阻耦合。
3.根据权利要求1所述的一种水下推进装置，其特征在于，所述电机为永磁电机，所述永磁电机的永磁铁安装在所述电机的转子（U5）上。
4.根据权利要求1所述的一种水下推进装置，其特征在于，所述电机为感应电机，所述电机的转子（U5）为鼠笼结构，所述鼠笼结构的鼠笼条的材质为铝。
5.一种包含权利要求1所述的水下推进装置的水下机器人，包括密封舱壳体（U1），其特征在于，所述密封舱壳体（U1）的材质为非磁性且非金属材质；所述电机的定子（U3）设置于所述密封舱壳体（U1）的内部，所述电机的转子（U5）通过滚动轴承（U4）固定在所述密封舱壳体（U1）的外部，所述电机的定子（U3）与所述电机的转子（U5）的位置相互对应。
6.根据权利要求5所述的一种包含权利要求1所述的水下推进装置的水下机器人，其特征在于，所述密封舱壳体（U1）的厚度不超过10mm。
7.根据权利要求5所述的一种包含权利要求1所述的水下推进装置的水下机器人，其特征在于，所述电机的转子（U5）的转动轴与所述密封舱的主轴重合。
8.根据权利要求5所述的一种包含权利要求1所述的水下推进装置的水下机器人，其特征在于，所述电机的定子（U3）与所述密封舱壳体（U1）的内壁之间的气隙小于1mm。
9.根据权利要求5所述的一种包含权利要求1所述的水下推进装置的水下机器人，其特征在于，所述电机的转子（U5）与所述密封舱壳体（U1）的外壁之间的气隙小于1mm。
10.根据权利要求5所述的一种包含权利要求1所述的水下推进装置的水下机器人，其特征在于，所述水下机器人包括的所述推进装置的个数为2~3个。
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