永磁对转推进电机及航行器

13.其中，d
av
代表电机转子平均直径、α为所述夹角、l
eff
为电机铁芯有效长度、b
δi
为第i段气隙磁通密度最大值、βi为气隙磁通密度均方极值与最大值之比。
14.在一些实施方式中，在轴向方向上所述第二无轴螺旋桨位于第一无轴螺旋桨后方，且所述第一无轴螺旋桨与第二无轴螺旋桨同轴设置。
15.在一些实施方式中，所述第一转子组件、第二转子组件分别与一独立控制系统连接，所述第一转子组件、第二转子组件的旋转方向相反且形成对转。
16.在一些实施方式中，所述第一定子组件、第二定子组件、第一转子组件、第二转子组件内部还灌装有封装材料以形成密封防护结构。
17.本发明以上实施例提供的永磁对转推进电机在启动后，转子组件通过与定子组件之间的磁感应作用开始旋转，并且由于使用两套独立的控制系统，所以可以实现第一、第二无轴螺旋桨的旋转方向相反的工作，但是此时由于定子组件内表面与转子组件外表面存在夹角，所以会产生轴向磁拉力，由于电机用于推进作用，可以抵消流体的反作用力，且推进效果越明显时抵消力越大，在平衡点处，定子组件与转子组件之间的气隙大小始终保持不变。
18.本发明实施例还提供了一种航行器，包括航行器本体，所述航行器本体上安装有所述永磁对转推进电机。
19.与现有技术相比，本发明实施例所提供的技术方案的优点包括：
20.(1)提供的永磁对转推进电机推进效率高，能够显著提升续航里程及安全、可靠性；
21.(2)提供的永磁对转推进电机内采用了无轴螺旋桨，取消了支撑螺旋桨轴系及其相关附件，增大了导管内的流通面积，有效降低了流阻，提高了功率密度及效率；
22.(3)提供的永磁对转推进电机内定子组件内壁和转子组件外壁与电机轴线存在相同夹角，运行时会产生一定的轴向磁拉力，可以有效抵消轴承摩擦和流体的反作用力；
23.(4)提供的永磁对转推进电机内，利用绝缘漆和环氧树脂来密封转子组件、定子组件，既可以起到防水的作用，还可以减少进入电机的细微沙砾对定子组转子组的阻碍影响，以及，可以隔绝空气，防止氧气腐蚀的情况，从而保障电机推进器的运行稳定性及使用寿命。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明的一个典型实施例中一种永磁对转推进电机的剖面结构示意图；
26.图2为本发明的一个典型实施例中另一种永磁对转推进电机的结构示意图；
27.附图标记说明：1-机壳；2-第一定子组件；3-第二定子组件；4-第一转子组件；5-第二转子组件；6-第一无轴螺旋桨；7-第二无轴螺旋桨；8-轴承。
具体实施方式
28.如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和时间，得以提出本发明的技术方案，如下将结合附图及实施例予以具体说明。
29.需要说明的是，在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
30.请参阅图1，本发明的一个典型实施例中，一种永磁对转推进电机包括安装于机壳1内的第一定转子组件和第二定转子组件，该第一定转子组件包括相互配合的第一定子组件2和第一转子组件4，该第二定转子组件包括相互配合的第二定子组件3和第二转子组件5，该第一转子组件4与第二转子组件5同轴设置，并且该第一转子组件4、第二转子组件5分别与第一无轴螺旋桨6、第二无轴螺旋桨7连接，该第一定子组件2的内壁与电机轴线所成夹角和第一转子组件4的外壁与电机轴线所成夹角相同，该第二定子组件3的内壁与电机轴线所成夹角和第二转子组件5的外壁与电机轴线所成夹角相同。利用各定、转子组件与电机轴线所成一定夹角且角度相同这一特性，不仅减小了轴承的摩擦损耗，也可用于抵消流体对无轴螺旋桨桨叶的反作用力，从而提高推进效率。
31.进一步的，该第一定子组件2的内壁和第一转子组件4的外壁之间以及该第二定子组件3的内壁和第二转子组件5的外壁之间均分布有气隙。对于同一气隙而言，其各处大小(气隙宽度)基本保持一致。
32.在一些实施方案中，该第一定子组件的内壁与第一转子组件的外壁相互平行。该第二定子组件的内壁与第二转子组件的外壁也均相互平行。
33.进一步的，在轴向方向上该第二无轴螺旋桨7位于第一无轴螺旋桨6后方，且该第一无轴螺旋桨6与第二无轴螺旋桨7同轴设置。利用共轴线的两个无轴螺旋桨，一个正转，一个反转，分别产生两个单边扭矩，利用控制系统，将两个单边扭矩进行抵消，达到消除横滚和侧翻且提高动力的目的。
34.进一步的，该第一无轴螺旋桨6的桨叶直径大于第二无轴螺旋桨7的桨叶直径。
35.进一步的，该第一无轴螺旋桨6、第二无轴螺旋桨7分别设置于该永磁对转推进电机的前端、尾部。
36.进一步的，该第一转子组件4与第二转子组件5的旋转方向相反且形成对转。具体的，可以通过两套独立的控制系统分别对第一定转子组件、第二定转子组件进行控制，使得第一转子组件4和第二转子组件5的旋转方向相反进行工作，使得第二无轴螺旋桨7充分利用第一无轴螺旋桨6的涡动能量，从而转化为有效的推进动力。
37.进一步的，该第一定子组件2和第一转子组件4之间以及该第二定子组件3和第二转子组件5之间均通过轴承8连接。该轴承8包括水润滑轴承、开放式耐水机械轴承或密封式机械轴承等，且不限于此。
38.进一步的，所述第一定子组件2的内壁与电机轴线所成夹角及所述第二定子组件3的内壁与电机轴线所成夹角的大小可以根据电机的扭矩航行需求进行计算后确定。具体的，航行扭矩与电机的轴向磁拉力和航行推力的大小比例相关，而轴向磁拉力与前述夹角的大小相关，故而，在确定航行推力大小后即可通过相关公式求得前述夹角的大小。其中，航行推力大小可通过下式进行求解：
39.t
i＝ρ
a0(va u
a1
)ua。
40.其中，ρ为流体密度，a0为推进器盘面面积，va为推进器航行速度，u
a1
为推进器盘面处速度增量，ua为推进器盘面无限远后方速度增量。
41.而前述轴向磁拉力可以参考下式计算：
42.f＝1.225
×
106d
av
tgαl
eff
(β
ibδi
)243.其中f代表轴向磁拉力大小、d
av
代表电机转子平均直径、α为前述夹角、l
eff
为电机铁芯有效长度、b
δi
为第i段气隙磁通密度最大值、βi为气隙磁通密度均方极值与最大值之比。
44.较为优选的，所述第一定子组件2的内壁与电机轴线所成夹角及所述第二定子组件3的内壁与电机轴线所成夹角均大于0而小于或等于45
°
。
45.进一步的，该第一定转子组件与第二定转子组件的轴向长度比例可根据对转螺旋桨转速、转矩需求进行调整。
46.进一步的，该第一定子组件2、第二定子组件3包括线圈绕组，用于产生旋转磁场，该第一转子组件4、第二转子组件5包括永磁体，用于提供旋转扭矩。
47.其中，可以在各线圈绕组、各永磁体的外部覆盖有绝缘漆。以及，可以在该第一定子组件2、第二定子组件3、第一转子组件4、第二转子组件5内部灌装有封装材料以形成密封防护结构。适用的封装材料可以是环氧树脂等，且不限于此。
48.前述各定子组件和转子组件在长时间工作后容易受到腐蚀，绝缘漆和封装材料等既可以起到防水的作用，此外不仅可以减少进入电机的细微沙砾对定子组件转子组件的影响，还可以隔绝空气，防止氧气腐蚀的情况。
49.进一步的，前述永磁体的安装结构包括表贴式或内嵌式安装结构等多种永磁电机永磁体安装方式，且不限于此。
50.进一步的，前述永磁体的材质可以包括但不限于铷铁硼等多种磁性材料。
51.进一步的，前述永磁体可为单节或多段设置。
52.进一步的，设置于各定子组件内的线圈绕组可以采用但不限于分布绕组、集中绕组或其他绕线方式。
53.进一步的，设置于各转子组件内的永磁体可以设置为单节或多段，且材质可以选用但不限于铷铁硼等各种磁性材料。
54.进一步的，前述永磁体的安装方式可为表贴式，也可以是内嵌式等各种永磁电机磁体安装方式。
55.进一步的，前述定、转子组件中铁芯的材质可以采用但不限于硅钢片等多种导磁
材料。
56.进一步的，可以通过改变各定子组件的线圈绕组分布方式、线圈匝数、线径，改变定、转子铁芯的材质，改变永磁体的材质和体积等，来改变推进电机的功率大小。
57.进一步的，还可以通过改变各无轴螺旋桨的叶片数量、形状和材质改善整体推进效率。
58.进一步的，所述永磁对转推进电机可以是三相电机也可以是除三相外的其它多相电机。
59.进一步的，前述轴承8在壳体1中的安装位置也是可以依据实际需求调整的，例如可以布置在定转子之间(图1)，转子中心位置(参阅图2)等处，只需使两个转子组件能够自由旋转即可。
60.进一步的，还可以通过在机壳1内充、放绝缘油，并配合压力平衡装置等来实现电机内部压力调节，以适应不同水深的应用。
61.该典型实施例提供的一种永磁对转推进电机包括前后两套相互独立的驱动控制系统控制的带有无轴螺旋桨的定转子组件，由于一个定转子组件中定子组件内壁与转子组件外壁与电机轴线所成夹角相同，故该夹角的存在可以产生一定的轴向磁拉力用于抵消轴承摩擦和推进时流体的反作用力，并且两套转子组件工作时旋转方向相反，第二无轴螺旋桨能够有效利用第一无轴螺旋桨尾流中的涡动能量，从而具有工作效率高，续航时间长，扭矩平衡等优点。
62.该典型实施例提供的永磁对转推进电机可以作为推进器应用于船舶等航行器。例如，该永磁对转推进电机可设置于航行器下方或尾部等位置。
63.总是，本发明实施例提供的永磁对转推进电机具有结构简单紧凑，轴承摩擦损耗进一步大幅度降低，推进效率高，续航里程长等优点，并且噪音控制十分明显，运行性能稳定，使用寿命长，能适用不同的压力环境，在各类航行器中具有广阔应用前景。
64.应当理解，以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。