水下潜航器磁齿轮耦合推进系统、工作方法及潜航器
阅读说明：本技术 水下潜航器磁齿轮耦合推进系统、工作方法及潜航器 (Underwater vehicle magnetic gear coupling propulsion system, working method and underwater vehicle ) 是由 华浩 张伯虎 周子成 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种水下潜航器磁齿轮耦合推进系统、工作方法及潜航器,包括：潜航器机壳、电控系统、驱动电机、磁齿轮耦合器以及螺旋桨；潜航器机壳内部安装电控系统和驱动电机,潜航器机壳一端安装磁齿轮耦合器；电控系统连接驱动电机,驱动电机连接磁齿轮耦合器,磁齿轮耦合器连接螺旋桨,螺旋桨安置于潜航器机壳外侧。本装置采用磁齿轮耦合器实现潜航器机壳内部高速动力源和潜航器外部低速螺旋桨的机械连接,一方面可以取代传动机械减速齿轮完成高低转速匹配的功能,另一方面可以实现潜航器机壳内外空间的隔离,这样避免了动静密封要求,降低了系统的耐压设计难度,提升了系统的密封性和可靠性。(The invention provides a magnetic gear coupling propulsion system of an underwater vehicle, a working method and the underwater vehicle, comprising: the submersible vehicle comprises a submersible vehicle shell, an electric control system, a driving motor, a magnetic gear coupler and a propeller; an electric control system and a driving motor are arranged in the shell of the underwater vehicle, and one end of the shell of the underwater vehicle is provided with a magnetic gear coupler; the electric control system is connected with a driving motor, the driving motor is connected with a magnetic gear coupler, the magnetic gear coupler is connected with a propeller, and the propeller is arranged on the outer side of the shell of the underwater vehicle. This device adopts magnetic gear coupler to realize the mechanical connection of the inside high-speed power supply of ware casing of diving boat and the outside low-speed screw of ware of diving boat, can replace transmission machinery reduction gear to accomplish the function that high low rotational speed matches on the one hand, and on the other hand can realize the isolation of the interior outer space of ware casing of diving boat, has avoided the sound sealed requirement like this, has reduced the withstand voltage design degree of difficulty of system, has promoted the leakproofness and the reliability of system.)
技术领域
本发明涉及水下潜航器推进系统领域，具体地，涉及水下潜航器磁齿轮耦合推进系统、工作方法及潜航器。
背景技术
占地球表面积七成以上的海洋及其它水域蕴含丰富的战略性矿物资源、能源资源和生物资源，而高性能水下潜航器是各类型海洋及水下资源勘测开采的关键装备。目前，各类水下潜航器大多采用电力推进方案，作为唯一动力来源，电推进系统的性能直接决定潜航器的航速、航程、机动性、稳定性、可靠性和控制精度。
作为水下潜航器的主要部件，推进系统通常布置在整机尾部以完成推进功能。推进系统一般包括驱动电机、电机控制器和螺旋桨等，通过电机的旋转带动螺旋桨。相比普通工业驱动系统，水下潜航器的推进系统需要更好性能。根据电机学基本原理，驱动电机功率密度和转速成正比例关系，因此希望选用高转速电机以提高推进系统的功率密度，节约水下潜航器的内部空间、降低整机重量、提升续航里程。但是，潜航器螺旋桨的转速通常相对较低，无法直接匹配高速驱动电机，这时，通常需要增加一个额外的机械齿轮箱来耦合高速驱动电机和低速螺旋桨。但是，机械齿轮箱带来机械损耗、发热和可靠性风险，降低潜航器推进系统的效率、增加潜航器的重量、牺牲航程。
另一方面，由于水下压力高、环境恶劣，水体腐蚀性大，水下潜航器的密封问题是关键问题之一。一般来说，动力电池、功率变换器、驱动电机和机械减速齿轮箱等机电设备需要工作在常温常压、清洁干燥的环境中，即它们需要被放置于潜航器机壳内部。由于旋转动力来源(驱动电机及机械减速齿轮箱)在潜航器机壳内部而螺旋桨在潜航器机壳外部，两个旋转部件需要穿过机壳作机械连接，不可避免的需要设计动静密封装置以防止水体渗入潜航器机壳内部，大大增加了系统的耐压设计要求。高效可靠的动静密封装置设计难度高、成本大、可靠性低，尤其随着水下潜航器的工作范围不断向更大水深、更复杂水下环境发展，动静密封装置已成为影响水下潜航器综合性能的瓶颈问题之一。
具体到水下潜航器推进系统，需要解决避免使用动静密封装置，增强潜航器密封性能的问题。
专利文献CN111703563A提供了一种无叶片潜航推进系统，包括主基体、竖直推进器组和水平推进器组。所述主基体包括壳体、可变频直流永磁电机、缆线接口、增压设备、进水管路、出水管路等部分；所述竖直推进器组用于提供所述无叶片潜航推进系统上浮的动力，所述水平推进器组用于提供所述无叶片潜航推进系统前进、后退以及转弯的动力；所述出水管路上设置有电磁阀用于调节各支路出口管路水流的大小和方向。
专利文献CN102530219A涉及一种电推进系统，包括：供电装置、电推进装置、整机控制装置和机械输出装置，所述电推进装置包括推进电机和两套逆变器，每套逆变器的输入与所述供电装置连接，每套逆变器的输出与所述推进电机的输入连接，所述推进电机的输出与所述机械输出装置连接，所述整机控制装置分别与每套逆变器、所述供电装置以及所述机械输出装置连接。
上述专利均未能解决避免使用动静密封装置，增强潜航器密封性能的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下潜航器磁齿轮耦合推进系统、工作方法及潜航器。
根据本发明提供的一种水下潜航器磁齿轮耦合推进系统，包括：潜航器机壳、电控系统、驱动电机、磁齿轮耦合器以及螺旋桨；
所述潜航器机壳内部安装所述电控系统和所述驱动电机，所述潜航器机壳一端安装所述磁齿轮耦合器；
所述电控系统连接所述驱动电机，所述驱动电机连接所述磁齿轮耦合器，所述磁齿轮耦合器连接所述螺旋桨，所述螺旋桨安置于所述潜航器机壳外侧。
优选地，所述磁齿轮耦合器包括：高速端、低速端以及静止调磁环；
所述高速端安装在所述潜航器机壳内侧，所述低速端安装在所述潜航器机壳外侧，所述静止调磁环嵌置在所述潜航器机壳上。
优选地，所述高速端、所述静止调磁环和所述低速端同轴放置，所述高速端和所述静止调磁环之间设置物理气隙，所述低速端和所述静止调磁环之间设置物理气隙；
所述高速端传动连接所述驱动电机，所述低速端传动连接所述螺旋桨。
优选地，所述磁齿轮耦合器还包括：低极对数永磁体磁极和高极对数永磁体磁极；
所述高速端外侧同轴安装所述低极对数永磁体磁极，所述低速端内侧同轴安装所述高极对数永磁体磁极；
所述低极对数永磁体磁极极对数少于所述高极对数永磁体磁极极对数。
优选地，所述静止调磁环包括：金属导磁块和金属非导磁块；
所述金属导磁块和所述金属非导磁块安装有多个；
所述金属导磁块和所述金属非导磁块按照间隔排列并围成所述静止调磁环。
优选地，所述驱动电机包括：定子绕组、定子以及转子；
所述转子与所述定子同轴安装，所述定子上安装所述定子绕组；
所述转子同轴传动连接所述高速端；
所述定子和所述转子之间设置物理气隙。
优选地，所述电控系统包括：动力电池、功率变换器以及控制单元；
所述动力电池电连接所述功率变换器，所述功率变换器电连接所述定子绕组，所述控制单元电连接所述功率变换器。
优选地，所述螺旋桨通过连接杆连接所述低速端，所述低速端旋转中心与所述螺旋桨旋转中心线重合。
优选地，本发明还提供了所述水下潜航器磁齿轮耦合推进系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤S1，在所述控制单元的指令下，所述动力电池通过所述功率变换器变换得到合适电能形式以通入所述定子绕组，所述驱动电机工作；
步骤S2，所述驱动电机将电能转换为机械能，所述转子带动所述高速端同步旋转；
步骤S3，利用磁场调制效应，所述高速端带动所述低速端低速转动，所述低速端驱动所述螺旋桨以低转速同步旋转。
优选地，一种潜航器，使用所述水下潜航器磁齿轮耦合推进系统。
优选地，所述驱动电机包括：永磁同步电机、异步电机、电励磁同步电机以及直流电机；
优选地，所述动力电池包括：燃料电池、超级电容、飞轮储能以及原动机配合发电机；
优选地，所述高速端与所述低速端的转速变比等于所述低极对数永磁体磁极和所述高极对数永磁体磁极的极对数反比。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本装置采用驱动电机完成电能至机械能的转换，系统功率密度高、集成度好，可以显著降低整机重量和体积，提升潜航器航程和机动性；
2、本装置避免使用机械减速齿轮完成驱动电机和螺旋桨的耦合，提升了系统集成度和效率，降低了潜航器重量，更重要的是避免了机械齿轮的额外机械损耗、发热和可靠性问题；
3.本装置采用磁齿轮耦合器实现潜航器机壳内部高速动力源和潜航器外部低速螺旋桨的机械连接，一方面可以取代传动机械减速齿轮完成高低转速匹配的功能，另一方面可以实现潜航器机壳内外空间的隔离，即不需要机械连接部件穿过机壳以耦合驱动电机和螺旋桨，这样避免了动静密封要求，大大降低了系统的耐压设计难度，提升了系统的密封性和可靠性；
4.本装置采用的磁齿轮耦合器为永磁式磁齿轮结构，利用高磁能积永磁体分别安装于磁齿轮耦合器的高速端和低速端，提升系统效率和功率密度；
5.本装置采用功率变换器配合驱动电机的驱动方式，可以利用功率变换器将电能转换为合适的形式，以满足不同工况对潜航器推进系统的要求，保证整机效率、机动性和航程。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为磁齿轮耦合推进系统的结构示意图；
图2为磁齿轮耦合器截面示意图；
图中所示：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种水下潜航器磁齿轮耦合推进系统，包括：潜航器机壳1、电控系统、驱动电机4、磁齿轮耦合器6以及螺旋桨7；潜航器机壳1内部安装电控系统和驱动电机4，潜航器机壳1一端安装磁齿轮耦合器6，电控系统连接驱动电机4，驱动电机4连接磁齿轮耦合器6，磁齿轮耦合器6连接螺旋桨7，螺旋桨7安置于潜航器机壳1外侧。驱动电机4包括：定子绕组41、定子42以及转子43；转子43与定子42同轴安装，定子42上安装定子绕组41，转子43同轴传动连接高速端61，定子42和转子43之间设置物理气隙。电控系统包括：动力电池2、功率变换器3以及控制单元5；动力电池2电连接功率变换器3，功率变换器3电连接定子绕组41，控制单元5电连接功率变换器3。本水下潜航器磁齿轮耦合推进系统可用于潜航器。
如图2所示，磁齿轮耦合器6包括：高速端61、低速端62、静止调磁环63、低极对数永磁体磁极64和高极对数永磁体磁极65；高速端61安装在潜航器机壳1内侧，低速端62安装在潜航器机壳1外侧，静止调磁环63嵌置在潜航器机壳1上。高速端61、静止调磁环63和低速端62同轴放置，高速端61和静止调磁环63之间设置物理气隙，低速端62和静止调磁环63之间设置物理气隙，高速端61传动连接驱动电机4，低速端62传动连接螺旋桨7。高速端61外侧同轴安装低极对数永磁体磁极64，低速端62内侧同轴安装高极对数永磁体磁极65，低极对数永磁体磁极64极对数少于高极对数永磁体磁极65极对数。静止调磁环63包括：金属导磁块66和金属非导磁块67，金属导磁块66和金属非导磁块67安装有多个，金属导磁块66和金属非导磁块67按照间隔排列并围成静止调磁环63。螺旋桨7通过连接杆连接低速端62，低速端62旋转中心与螺旋桨7旋转中心线重合。
水下潜航器磁齿轮耦合推进系统的工作方法，包括以下步骤：步骤S1，在控制单元5的指令下，动力电池2通过功率变换器3变换得到合适电能形式以通入定子绕组41，驱动电机4工作；步骤S2，驱动电机4将电能转换为机械能，转子43带动高速端61同步旋转；步骤S3，利用磁场调制效应，高速端61带动低速端62低速转动，低速端62驱动螺旋桨7以低转速同步旋转。
实施例2
实施例2作为实施例1的优选例。
如图1和图2所示，水下潜航器磁齿轮耦合推进系统包括：潜航器机壳1、动力电池2、功率变换器3、驱动电机4、控制单元5、磁齿轮耦合器6和螺旋桨7。其中，动力电池2、功率变换器3、驱动电机4和控制单元5位于潜航器机壳1的内部，螺旋桨7位于潜航器机壳1的外部。磁齿轮耦合器6包括：高速端61、低速端62、静止调磁环63、低极对数永磁体磁极64、高极对数永磁体磁极65、金属导磁块66和金属非导磁块67。其中，高速端61与静止调磁环63之间有物理气隙，静止调磁环63与低速端62之间有物理气隙。低极对数永磁体磁极64被安装于高速端61上，它们位于潜航器机壳1内部；高极对数永磁体磁极65被安装于低速端62上，它们位于潜航器机壳1外部；静止调磁环63由间隔排列的金属导磁块66和金属非导磁块67组成，且它们被集成于潜航器机壳1上，借助潜航器机壳1实现静止调磁环63功能。本实施例中，驱动电机4为一款永磁同步电机，包括定子绕组41、定子42和转子43，其中定子绕组41被放置于定子42上，且定子42和转子43之间有物理气隙。动力电池2与功率变换器3电连接，功率变换器3与定子绕组41电连接；转子43与高速端61机械连接，低速端62与螺旋桨7机械连接。金属结构的潜航器机壳1内部为密闭空间，其外部暴露在水下运行环境中。动力电池2为电能存储装置，用于存储潜航器运行所需的全部能源。此外，也可以搭配燃料电池、超级电容、飞轮储能等其它电能存储或产生方式，或者使用原动机配合发电机和功率变换器实现发电的方式。驱动电机4可以采用永磁同步电机、异步电机、电励磁同步电机、直流电机等多种类型。
在运行时，动力电池2提供电能，控制单元5依据潜航器工况和需求发出控制指令给功率变换器3，利用电力电子技术原理将动力电池2提供的直流电能转换为合适形式的电能，传递给定子绕组41，使驱动电机4作电动运行以驱动转子43高速旋转。由于高速端61与转子43机械连接，故高速端61同步高速旋转。在磁齿轮耦合器6内部，由于高速端61和低速端62分别安装有极对数不同的低极对数永磁体磁极64和高极对数永磁体磁极65，基于磁场调制原理和自减速磁齿轮效应，高速旋转的高速端61配合静止调磁环63，将会带动低速端62以较低转速旋转。高速端61与低速端62的转速变比等于分别安装于两者的低极对数永磁体磁极64和高极对数永磁体磁极65的极对数的反比，即高速端61的机械转速与其对应低极对数永磁体磁极64极对数的乘积等于低速端62的机械转速与其对应高极对数永磁体磁极65极对数的乘积。参照图2中，低极对数永磁体磁极64的实际永磁体极对数为三，而高极对数永磁体磁极65的实际永磁体极对数为十四，即低速端62机械转速为高速端61机械转速的十四分之三，转速被大大降低，实现自减速效果，低速端62的机械转速符合螺旋桨7的合理转速。进一步地，低速旋转的磁齿轮耦合器6的低速端62带动螺旋桨7以低转速同步旋转，实现推进功能。
本装置可以实现潜航器机壳1的内部和外部的隔离，不需要使用动静密封装置。借助磁齿轮耦合器6的空间隔离和磁场耦合效果，使其两个机械端口，即高速端61和低速端62，可以在不需要机械连接的情况下实现机械能传递，避免了潜航器机壳1上开孔作机械连接的问题。这样，潜航器内部可以保证空间密闭，大大降低系统耐压设计要求，显著提升潜航器可靠性。
本装置包括两套不同转速的旋转运动系统。驱动电机4的转子43和磁齿轮耦合器6的高速端61机械连接，它们以高转速同步旋转。但是，利用磁齿轮耦合器6的自减速磁齿轮效应，磁齿轮耦合器6的低速端62及与其机械连接的螺旋桨7以低转速同步旋转。这样，利用非接触磁场调制原理实现转速降低效果，成功耦合高速旋转系统和低速旋转系统，匹配了两个系统的转速。驱动电机4的高速化可以保证整机功率密度，螺旋桨7的低速运行可以保证合适的潜航器航行。相比传统机械减速齿轮，自减速磁齿轮属于无接触方案，避免了机械摩擦损耗、发热以及长时间工作后的疲劳与可靠性风险。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
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