CN213139108U - 一种轴向磁通电机驱动的对转桨式环形电力推进器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轴向磁通电机驱动的对转桨式环形电力推进器，包括推进器单元，所述推进器单元包括：轴向磁通电机、螺旋桨和轴系组件。本实用新型提出了一种由轴承支撑的、前后布置的轴向磁通电机驱动的对转桨环形电力推进器。这是采用置于水中的轴向磁通电机直接带动对转螺旋桨转动，省去了中间的传动设备，转子组件和螺旋桨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。

Description

一种轴向磁通电机驱动的对转桨式环形电力推进器

技术领域

本实用新型属于船舶推进器技术领域，具体涉及一种轴向磁通电机驱动的对转桨式环形电力推进器。

背景技术

随着电力推进技术的发展，电力推进***越来越多地应用于船舶上。常见的电力推进***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***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***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。

实用新型内容

为降低水润滑轴承的摩擦损耗，简化推进***结构、提高螺旋桨和转子组件的刚度，本实用新型提出了一种由轴承支撑的、前后布置的轴向磁通电机驱动的对转桨环形电力推进器。这是采用置于水中的轴向磁通电机直接带动对转螺旋桨转动，省去了中间的传动设备，转子组件和螺旋桨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。

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：

一种轴向磁通电机驱动的对转桨式环形电力推进器，包括推进器单元，所述推进器单元包括：轴向磁通电机、螺旋桨和轴系组件，所述螺旋桨与所述轴向磁通电机的转子组件相连，所述轴系组件包括：螺旋桨轴、轴承组、轴承座和支撑辐条，所述螺旋桨轴通过轴承组设置于所述轴承座内且与所述螺旋桨相连，所述轴承座通过所述支撑辐条与所述轴向磁通电机的端面法兰相连；

正转推进器单元和反转推进器单元前后同轴并列设置，且所述正转推进器单元的螺旋桨与所述反转推进器单元的螺旋桨的旋向相反，用于产生同样方向的推力。

进一步的，所述轴向磁通电机包括：壳体、端面法兰、转子组件和两个定子组件，所述壳体的两端分别设有所述端面法兰，所述两个定子组件分别固定于两端的所述端面法兰上，所述转子组件设置于所述两个定子组件之间且与所述两个定子组件产生的气隙磁场方向为轴向。

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平行设置，且所述支撑架的一端通过叶梢法兰与所述螺旋桨相连。

进一步的，还包括防护罩，其与所述壳体相连。

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。

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。

进一步的，所述螺旋桨为有毂式螺旋桨。

进一步的，所述对转桨式环形电力推进器包括串联的多个所述推进器单元。

本实用新型的有益效果至少包括：

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；

2）提高了螺旋桨刚度：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；

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），电机效率高；其次，电机转子直接驱动螺旋桨转动，不再需要任何中间传动环节，降低了传动损耗；第三，采用对转桨型式，后桨吸收前桨周向旋转涡流能量，效率进一步提高；

4）功率密度大采用双电机，且每个电机为双定子单转子结构，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，甚至可以通过更多级推进器的组合达到更高的功率和推力；

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

图1为本实用新型推进器结构示意图。

图2为图1第一实施例C-C向剖视图。

图3为图2的局部放大图。

图4为本实用新型螺旋桨的桨毂与螺旋桨轴一体结构示意图一。

图5为本实用新型螺旋桨的桨毂与螺旋桨轴一体结构示意图二。

图6为本实用新型螺旋桨的桨毂与螺旋桨轴分体结构示意图一。

图7为本实用新型螺旋桨的桨毂与螺旋桨轴分体结构示意图二。

图8为图1第二实施例C-C向剖视图。

其中，1.前轴承组；2.前螺旋桨轴；3.前罩盖；4.前轴承座；5.前支撑辐条； 6.前螺旋桨；7.前防护罩；8.前电机前端面法兰；9.前电机双定子组件；10.前电机单转子组件；11.壳体；12.前电机后端面法兰；13.后电机前端面法兰；14.后电机单转子组件；15.后电机双定子组件；16.后电机后端面法兰；17.后防护罩；18.后螺旋桨；19.后支撑辐条；20.后轴承座；21.后罩盖；22.后螺旋桨轴；23.后轴承组；24.叶梢法兰；25.桨毂；26.密封件；27.第一级推进器单元；28. 第二级推进器单元；29. 第三级推进器单元。

具体实施方式

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。

实施例1：在本实用新型的该实施例中，本实用新型为前后布置的两台推进器单元组合而成，参见图1-3所示，正转（前）推进器单元和反转（后）推进器单元前后同轴并列设置，每台推进器单元包含轴向磁通电机（盘式电机）、螺旋桨及轴系组件。每台电机由控制器独立控制，各驱动一个螺旋桨，旋向相反，推力方向一致，形成前后布置的对转桨，后螺旋桨吸收前螺旋桨的周向旋转涡流能量，提高了推进效率。电机型式均为双定子单转子型式的轴向磁通永磁无刷电机（盘式电机），直接驱动螺旋桨旋转，螺旋桨推力通过轴承组传递到电机上，进而最终推动船体。

可以理解的是，本实用新型该实施例中，两台电机前后串列，同轴布置，各驱动一个螺旋桨。前螺旋桨正转，后螺旋桨反转，前后螺旋桨的旋向相反，推力方向一致，后螺旋桨吸收前螺旋桨的周向旋转涡流能量，形成对转桨，提高了推进效率，前、后螺旋桨的叶数和螺距分布等桨叶参数，需要进行水动力优化设计来确定。

本实用新型采用的轴向磁通永磁无刷电机（盘式电机）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，定子组件和转子组件为盘式结构。电机由定子组件、转子组件、壳体、端面法兰组成。本实用新型中前、后电机均为双定子单转子结构，每台电机中，两个定子组件分别固定在电机前后端面法兰上，中间为单转子组件。电机定子组件为轴向铁芯和线圈组成，也可设计为无铁芯结构，定子整体灌封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。转子组件夹在两个定子组件中间，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。壳体即为推进器外壳，壳体左右二端连接电机的端面法兰。

本实用新型转子组件内径大，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，螺旋桨在水中旋转后产生推动船舶的推力。

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。有毂式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组件支撑架连接，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。

参照图4和5所示，螺旋桨的桨毂与螺旋桨轴为一体结构，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。

参照图6和7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，轴承座通过支撑辐条固定在电机端面法兰上；轴承座和支撑辐条可以位于螺旋桨的二侧，即固定在二侧的端面法兰上，当支撑刚度足够时，也可以仅保留单侧的支撑辐条和轴承座，以简化建构和降低成本。螺旋桨轴、轴承组、轴承座、支撑辐条等构成了轴系组件。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辐条，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6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7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。

前防护罩安装在前电机前端，后防护罩安装在后电机后端，且前后防护罩的两端分别设有前罩盖和后罩盖，起着保护电机和旋转着的推力盘、承受螺旋桨推力的作用，前后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。

本实用新型该实施例中，螺旋桨由双定子单转子驱动。但很多情况下，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。

实施例2：本实用新型该实施例中，每台轴向磁通电机及其螺旋桨和轴系形成了独立的、模块化的推进器单元，这样可以进行多推进器单元的串列，形成多级联动的推进器组合。每增加一套推进器单元，只要把该推进器单元的前端面法兰紧固在前面一级推进器单元的后端面法兰上，再把后防护罩和后罩盖装配在最后一级推进器单元上即可。也即不仅可以由二套推进器单元组成对转桨，还可以由3套推进器单元形成如图8所示的3级螺旋桨的推进器，4套推进器单元形成4级螺旋桨的推进器，以及5级、6级、7级及更多级等。通过多级推进器的组合，可以达到更大的功率和推力。当然为提高水动力性能，每级推进器单元的螺旋桨需经水动力优化计算，各级推进器单元的螺旋桨可能有所不同。

综上所述，本实用新型取消了电力推进***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,效率高、结构简单、可靠性高；采用二台电机驱动对转桨或多台电机驱动更多的螺旋桨，效率提高、功率密度大；采用有毂式螺旋桨和轴系的结构，提高了螺旋桨和转子组件的刚度；另外，电机置于水下，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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

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。

Claims (8)

1.一种轴向磁通电机驱动的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，包括推进器单元，所述推进器单元包括：轴向磁通电机、螺旋桨和轴系组件，所述螺旋桨与所述轴向磁通电机的转子组件相连，所述轴系组件包括：螺旋桨轴、轴承组、轴承座和支撑辐条，所述螺旋桨轴通过轴承组设置于所述轴承座内且与所述螺旋桨相连，所述轴承座通过所述支撑辐条与所述轴向磁通电机的端面法兰相连；

正转推进器单元和反转推进器单元前后同轴并列设置，且所述正转推进器单元的螺旋桨与所述反转推进器单元的螺旋桨的旋向相反，用于产生同样方向的推力。

2.根据权利要求1所述的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，所述轴向磁通电机包括：壳体、端面法兰、转子组件和两个定子组件，所述壳体的两端分别设有所述端面法兰，所述两个定子组件分别固定于两端的所述端面法兰上，所述转子组件设置于所述两个定子组件之间且与所述两个定子组件产生的气隙磁场方向为轴向。

3.根据权利要求2所述的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，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平行设置，且所述支撑架的一端通过叶梢法兰与所述螺旋桨相连。

4.根据权利要求2所述的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，还包括防护罩，其与所述壳体相连。

5.根据权利要求1所述的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，所述螺旋桨为有毂式螺旋桨。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的对转桨式环形电力推进器，其特征在于，所述对转桨式环形电力推进器包括串联的多个所述推进器单元。

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