一种采用单电机驱动的三级水下推进器

1.本发明涉及水下推进器，特别涉及一种采用单电机驱动的三级水下推进器。


背景技术：

2.水下推进器是实现潜航器、水下机器人等具备航行能力的重要部件，能够满足水下机器人等不同作业工具在不同航速下的推力需求。
3.然而随着水下机器人的应用越来越广泛，对推进器的推进效率、紧凑型和低噪声特性要求越来越明显。水下运行环境要求推进器具有防水、耐压的能力，在应用到水下机器人上时，要求推进器结构尽量紧凑，便于机器人上其他设备的布置。由于水下机器人上携带的能源有限，要求推进器的效率尽量高，满足水下机器人长时间航行和作业要求，同时水下机器人上携带的声学设备对于推进器产生的自噪声也有一定约束。传统的推进器采用电机通过传动轴驱动螺旋桨选择，进而产生推力，这种方式传动效率低，占用空间大，为了满足推力要求，螺旋桨的转速较高，会产生较强的噪声影响水下机器人的声学设备工作，为了能够满足水下运行环境，必须对电机输出轴做动密封处理，密封位置需要定期维护。
4.因此，设计一种能够长期在水下环境中工作，并且具有结构紧凑、效率高、噪声低的推进器是很有必要的。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种采用单电机驱动的三级水下推进器，该三级水下推进器能在水下环境中工作，并且具有结构紧凑、效率高、噪声低等特点。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种采用单电机驱动的三级水下推进器，包括三级螺旋桨组件、机壳、四级导叶组件、定子绕组、转子磁钢、转子衬套及轴，其中轴设置于机壳内，所述三级螺旋桨组件和四级导叶组件间隔交替地套装在所述轴上；所述定子绕组设置于所述机壳的内壁上，所述转子衬套设置于所述三级螺旋桨组件上，所述转子磁钢设置于所述转子衬套的外侧，并且与所述定子绕组对应；所述机壳的前后端分别设有前端盖和后端盖。
8.所述三级螺旋桨组件包括一级螺旋桨、二级螺旋桨及三级螺旋桨，所述二级螺旋桨的外侧套装所述转子衬套；所述一级螺旋桨和所述三级螺旋桨的外侧分别设有前连接套和后连接套，所述前连接套和后连接套分别与所述前端盖和后端盖连接。
9.所述一级螺旋桨、二级螺旋桨和三级螺旋桨都通过锥面配合套装在所述轴上，所述一级螺旋桨和三级螺旋桨用小锁紧螺母锁死，所述二级螺旋桨用大锁紧螺母锁死。
10.所述转子衬套通过锥面配合固定在所述二级螺旋桨上，所述转子衬套的端面有若干螺纹孔，用螺钉将所述二级螺旋桨锁死在所述转子衬套上。
11.所述四级导叶组件包括一级导叶、二级导叶、三级导叶及四级导叶；所述一级导叶与所述前连接套连接，所述二级导叶与所述前端盖连接；所述三级导叶与所述后端盖连接；所述四级导叶与所述后连接套连接。
12.所述二级导叶的中孔内装有前轴承，所述三级导叶的中孔内装有后轴承，所述前轴承和后轴承为水润滑轴承，所述前轴承和后轴承的轴向位置由定位螺母进行定位。
13.所述定位螺母上有沿径向方向的螺纹孔，所述定位螺母在所述轴上位置调整完毕后，所述定位螺母的径向螺纹孔内可拧入顶丝进一步锁死所述定位螺母在轴上的位置。
14.所述一级导叶的前端设有导流帽；所述四级导叶的后端设有尾导流锥。
15.所述前端盖和后端盖之间还装有定子密封套，所述定子密封套通过密封圈a和密封圈c分别与所述前端盖和后端盖密封连接。
16.所述机壳上有两个出线孔，其中一个出线孔上装有出线管，另一个出线孔上装有油堵，所述出线管的内径满足所述定子绕组的引出线；所述机壳内全部充满油，所述出线管上安装软管将所述定子绕组的引出线引出。
17.本发明具有以下优点及有益效果：
18.1.本发明采用三个串联的螺旋桨，相对于单级螺旋桨，在同样的推力需求下转速较低，能够大幅降低推进器在水下运行时候的噪声。
19.2.本发明的电机机壳中采用了密封结构，定子绕组的出线通过出线管向外引出，出线管可直接安装软管，将绕组引出线引到其他位置，机壳中的油能够抵御外界水压，并保证定子绕组绝缘和冷却，满足水下环境的应用需求。
20.3.本发明的电机转子磁钢通过转子衬套直接套装在二级螺旋桨上，一级螺旋桨、二级螺旋桨和三级螺旋桨采用锥面配合安装在同一根轴上，传动效率高，对中性好，便于维护，结构紧凑。
21.4.本发明采用水润滑轴承支撑轴和各级螺旋桨，轴承内孔和端面都有螺旋形的凹槽，在轴旋转时能够实现水膜在轴与轴承接触面上快速形成，提高轴承润滑性，降低轴承噪声，并满足水下长期稳定运行的需求。
附图说明
22.图1为本发明采用单电机驱动的三级水下推进器的轴测图；
23.图2为本发明采用单电机驱动的三级水下推进器的剖视图；
24.图3为本发明中轴部分的局部剖视图；
25.图4为本发明中二级螺旋桨部分的局部剖视图；
26.图5为本发明中电机定子上部分的局部剖视图；
27.图6为本发明中电机定子下部分的局部剖视图；
28.图7为本发明中前轴承的轴测图；
29.图8为本发明中定位螺母的剖视图。
30.其中：1为导流帽，2为一级导叶，3为前连接套，4为二级导叶,5为前端盖，6为机壳，7为后连接套，8为四级导叶，9为尾导流锥，10为三级螺旋桨，11为三级导叶，12为后端盖，13为二级螺旋桨，14为定子绕组，15为转子磁钢，16为转子衬套，17为轴，18为一级螺旋桨，19为小锁紧螺母，20为定位螺母，21为前轴承，22为大锁紧螺母，23为后轴承，24为出线管，25为密封圈a，26为密封圈b，27为密封圈c，28为定子密封套，29为油堵。
具体实施方式
31.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。
32.如图1-2所示，本发明提供的一种采用单电机驱动的三级水下推进器，包括三级螺旋桨组件、机壳6、四级导叶组件、定子绕组14、转子磁钢15、转子衬套16及轴17，其中轴17设置于机壳6内，三级螺旋桨组件和四级导叶组件间隔交替地套装在轴17上；定子绕组14采用过盈配合的方式设置于机壳6的内壁上，转子衬套16设置于三级螺旋桨组件上，转子磁钢15设置于转子衬套16的外侧，并且与定子绕组14对应；机壳6的前后端分别设有前端盖5和后端盖12。
33.本发明的实施例中，三级螺旋桨组件包括一级螺旋桨18、二级螺旋桨13及三级螺旋桨10，二级螺旋桨13的外侧套装转子衬套16；一级螺旋桨18和三级螺旋桨10的外侧分别设有前连接套3和后连接套7，前连接套3和后连接套7用螺钉分别固定在前端盖5和后端盖11上。
34.具体地，如图3-4所示，一级螺旋桨18、二级螺旋桨13和三级螺旋桨10都通过锥面配合套装在轴17上，保证与轴17的同轴度，三个螺旋桨轴孔附近都有螺纹孔，方便三个螺旋桨的拆卸。一级螺旋桨18和三级螺旋桨10用小锁紧螺母19锁死，二级螺旋桨13用大锁紧螺母22锁死。转子衬套16通过锥面配合固定在二级螺旋桨13上，转子衬套16的端面有若干螺纹孔，用螺钉将二级螺旋桨13锁死在转子衬套16上。
35.如图4所示，转子磁钢15采用过盈配合的方式套装在转子衬套16上，转子衬套16通过锥面配合并采用螺钉固定在二级螺旋桨13上，保证转子衬套16与二级螺旋桨13的同轴度。
36.如图2-3、图7所示，本发明的实施例中，四级导叶组件包括一级导叶2、二级导叶4、三级导叶11及四级导叶8；一级导叶2与前连接套3连接，二级导叶4与前端盖5连接；三级导叶11与后端盖12连接；四级导叶8与后连接套7连接。二级导叶17的中孔内装有前轴承21，三级导叶11的中孔内装有后轴承23，轴17采用前轴承21和后轴承23支撑。前轴承21和后轴承23为水润滑轴承，前轴承21和后轴承23的轴向位置由定位螺母20进行定位。定位螺母20可以调节二级螺旋桨13的轴向位置，定位螺母20与前轴承21和后轴承23的端面为滑动摩擦副。
37.如图8所示，本发明的实施例中，定位螺母20上有沿径向方向的螺纹孔，定位螺母20在轴17上位置调整完毕后，定位螺母20的径向螺纹孔内可拧入顶丝进一步锁死定位螺母20在轴17上的位置，保证定位螺母20与前轴承21和后轴承23之间的间隙。
38.本发明的实施例中，一级导叶2的前端设有导流帽1；四级导叶8的后端设有尾导流锥9，导流帽1和尾导流锥9起到前后导流作用。一级导叶2、一级螺旋桨18、二级导叶4、二级螺旋桨13、三级导叶11、三级螺旋桨10和四级导叶8依次排列，叶片部分的内径和外径相同，使流体在内部流通顺畅。
39.在上述实施例的基础上，如图5-6所示，前端盖5和后端盖12之间还装有定子密封套28，定子密封套28通过密封圈a25和密封圈c27分别与前端盖5和后端盖12密封连接。
40.具体地，定子密封套28的材料为工程塑料，定子密封套28、前端盖5、机壳6和后端盖12构成封闭的空间，起到定子绕组14的防护作用，前端盖5和后端盖12上有密封槽，槽内
分别安装密封圈a 25和密封圈c 27。
41.如图5-6所示，本发明的实施例中，机壳6上有两个出线孔，其中一个出线孔上装有出线管24，另一个出线孔上装有油堵29，出线管24的内径满足定子绕组14的引出线；机壳4内全部充满油，出线管24上安装软管将定子绕组14的引出线引出。
42.具体地，出线管24和油堵29上都装有密封圈b26，出线管24上可以套接其它软管，将定子绕组14的引出线引到其它位置。
43.进一步地，机壳6内形成密闭的空间后，在该空间内充满油，充油时卸下油堵29，油液由出线管24进入，空气由油堵29安装孔排出，充满油后保证该密闭空间中不存在任何气泡，装上油堵29，机壳6内的油液能够保护定子绕组14的绝缘性和散热要求，同时使机壳6抵御外界水下。
44.本发明的实施例中，如图7所示，前轴承21的内孔上有螺旋形的凹槽，端面上有沿径向的凹槽，端面凹槽从内孔向外圆柱面延伸，弯曲方向与内孔凹槽的螺旋方向相反，推进器在运行时轴17的旋转方向与内孔凹槽的螺旋方向一致。后轴承23内孔上的凹槽与前轴承21的凹槽外形相同，螺旋方向和弯曲方向相反，前轴承21和后轴承23上的凹槽能够保证轴17旋转时快速建立水膜，提供良好的润滑条件，进而降低轴承摩擦损耗和噪声。
45.本发明采用三个串联的螺旋桨，轮缘电机转子直接驱动二级螺旋桨，并通过轴驱动一级和三级螺旋桨，结构紧凑，传动效率高，在相同推力需求下，三个串联的螺旋桨能够降低电机转速，进而降低推进器噪声，电机定子部分采用密封、充油的方式，能够保护定子绕组，并且抵御深水中的外界压力，采用水润滑轴承支撑轴和各级螺旋桨，使推进器能够长期工作在水下环境中。本发明采用一台电机转子直接驱动二级螺旋桨，并通过轴驱动其它螺旋桨，传动效率高，结构紧凑，便于布置；在使用过程中，不占用水下机器人的其它空间，与单级推进器相比，在相同的推力下转速低，噪音小，电机定子部分的充油密封方式、轴承材料和凹槽设计能够保证本发明长期、稳定的工作在水下环境中。
46.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。