一种用于水下航行器的大功率差对转电机
阅读说明：本技术 一种用于水下航行器的大功率差对转电机 (High-power differential counter-rotating motor for underwater vehicle ) 是由 毛昭勇 欧焕宇 田文龙 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于水下航行器的大功率差对转电机,包括内转子、外转子及内外转子之间的定子电枢,外转子永磁体和磁路Ⅰ定子电枢组成磁路Ⅰ,内转子永磁体和磁路Ⅱ定子电枢组成磁路Ⅱ,内转子永磁体和磁路Ⅲ定子电枢组成磁路Ⅲ；所述的内转子在低功率巡航阶段由磁路Ⅲ单独驱动,在高功率阶段由磁路Ⅱ、磁路Ⅲ共同驱动,通过内轴驱动水下航行器对转桨的后桨；磁路Ⅰ驱动外转子,通过外轴驱动水下航行器的前桨。本发明既能保证以高效率在低功率巡航阶段运行,又能保证高功率状态下运行的用于水下航行器的对转永磁同步电机。(The invention provides a high-power differential counter-rotating motor for an underwater vehicle, which comprises an inner rotor, an outer rotor and a stator armature between the inner rotor and the outer rotor, wherein the outer rotor permanent magnet and the stator armature of a magnetic circuit I form a magnetic circuit I, the inner rotor permanent magnet and the stator armature of the magnetic circuit II form a magnetic circuit II, and the inner rotor permanent magnet and the stator armature of a magnetic circuit III form a magnetic circuit III; the inner rotor is driven by the magnetic circuit III alone at the low-power cruising stage, is driven by the magnetic circuit II and the magnetic circuit III together at the high-power stage, and drives the underwater vehicle to rotate the rear propeller of the propeller through the inner shaft; the magnetic circuit I drives the outer rotor, and the front propeller of the underwater vehicle is driven through the outer shaft. The invention can ensure the running at the low-power cruising stage with high efficiency and ensure the counter-rotating permanent magnet synchronous motor for the underwater vehicle running in the high-power state.)
技术领域
本发明涉及一种电机，特别是一种大功率差对转永磁同步电机。
背景技术
随着海洋科技的迅速发展，各种具有特定任务的水下航行器层出不穷。对于某些较大型水下航行器，一方面由于这种水下航行器任务的特殊性，需具备两个功率状态，即巡航阶段的小功率状态和执行任务时的高功率状态，需要说明的是，这两个功率差别有可能是数量级的，比如几千瓦和一百千瓦；另一方面，为了抑制其横滚现象，这种水下航行器常采用对转电机直接带动对转桨的驱动方式。设计者在设计这种特殊水下航行器时，渴望其具备更高的航速和更远的航程，即如何在一定的体积或者重量限制下使水下航行器达到更远的航程。在这种水下航行器的电机设计角度，如何使得电机更好地满足两个条件(一是低速巡航阶段能以较高功率长时间运行；二是短期工作的高功率状态下能以较高的效率保证所需输出功率)是提高整体效率，提高航程的重要研究方面。
为满足上述设计要求，设计者针对性的使电机有两个输出轴，即内轴和外轴，分别驱动对转桨的两个单桨。在电机设计中，通常采用双磁路的结构设计，每个磁路按照高功率状态下的设计使之满足要求，而在低功率状态时，通过电机控制的方法降低电机的功率使电机达到低功率的运行状态。这就导致了按照高功率设计的电机在低功率状态下运行，根据电机的效率曲线可知电机存在一个最佳功率状态，而大功率电机长时间以较低功率运行，这必然导致电机工作效率低下。
因此，需要设计一种能在低功率状态下以较高的效率而同样满足高功率状态的双转子对转电机。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于水下航行器的大功率差对转电机，既能保证以高效率在低功率巡航阶段运行，又能保证高功率状态下运行的用于水下航行器的对转永磁同步电机。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于水下航行器的大功率差对转电机，包括内转子、外转子及内外转子之间的定子电枢。
所述的内转子包括内转子永磁体、内轴和内转子壳体，所述的内转子永磁体表贴于内转子壳体的外部，内转子壳体两端通过轴承安装在定子壳体上，只允许绕其自身轴线旋转，内转子壳体一端面外同轴安装有内轴；所述的内转子端部装有旋转变压器，测量内转子的位置；
所述的外转子包括外转子永磁体、外轴和外转子壳体，所述的外转子永磁体表贴于外转子壳体的内部，外转子壳体两端通过轴承安装在电机外壳上，只允许绕其自身轴线旋转，外转子壳体一端面外同轴安装有外轴，外轴为中空柱体，内轴同轴穿过外轴的空腔；所述的外转子端部装有旋转变压器，测量外转子的位置；
所述的定子电枢包括磁路Ⅰ定子电枢、磁路Ⅱ定子电枢和磁路Ⅲ定子电枢，安装在定子壳体上；外转子永磁体和磁路Ⅰ定子电枢组成磁路Ⅰ，内转子永磁体和磁路Ⅱ定子电枢组成磁路Ⅱ，内转子永磁体和磁路Ⅲ定子电枢组成磁路Ⅲ；
所述的内转子在低功率巡航阶段由磁路Ⅲ单独驱动，在高功率阶段由磁路Ⅱ、磁路Ⅲ共同驱动，通过内轴驱动水下航行器对转桨的后桨；磁路Ⅰ驱动外转子，通过外轴驱动水下航行器的前桨。
所述的内转子永磁体和外转子永磁体根据电机磁路设计成普通表贴阵列方式或者Halbach阵列方式，使得气隙磁场更加接近正弦分布以提高电机效率。
所述的内转子永磁体和外转子永磁体均采用烧结钐钴永磁体材料。
所述的磁路Ⅱ和磁路Ⅲ的内转子永磁体根据需要选择整体的一套永磁体，或分立的两套永磁体。
所述的磁路Ⅰ定子电枢置于定子壳体的外部，磁路Ⅱ定子电枢和磁路Ⅲ定子电枢安装在定子壳体的内部，磁路Ⅱ定子电枢和磁路Ⅲ定子电枢之间的空间满足定子端部绕组的空间需求。
本发明的有益效果是：可以通过控制调节使得所述的磁路Ⅲ可以单独工作，也可以和所述的磁路Ⅱ串联共同工作形成新的组合磁路，具体做法是断开或者闭合磁路Ⅱ的输入电流。当磁路Ⅲ单独工作时，由内轴22驱动对转桨的后桨，而磁路Ⅰ和磁路Ⅱ不工作，对转桨的前桨通过控制进行自锁不旋转，此时是水下航行器在低功率巡航阶段；当磁路Ⅲ和磁路Ⅱ串联工作时，两个磁路共同组成一个磁路驱动内轴22，而磁路Ⅲ也开始工作驱动外轴23，对转桨的双桨都开始工作，此时是水下航行器的高功率运行状态。与现有同类对转永磁同步电机相比，具有的优点是，水下航行器在低功率运行状态时，只有磁路Ⅲ在额定状态下工作，而不是高功率电机在低功率状态运行，使整体电机的工作效率提高；而在高功率状态时，磁路Ⅱ和磁路Ⅲ串联以满足对转电机的内轴22的高功率输出，而磁路Ⅰ自身则按照电机设计使之满足对转电机的外轴23的高功率要求。如此通过磁路Ⅱ和磁路Ⅲ的组合分阶段使用，从而提高了水下航行器一个工作周期内的电机的平均效率。另外，由于磁路Ⅲ的组合使用，节省了一部分永磁体。
附图说明
图1为本发明的轴向剖视图。
图2为本发明在磁路Ⅰ和磁路Ⅱ处的径向剖视图。
图3为本发明在磁路Ⅲ处的径向剖视图。
图4为本发明的定子壳体的轴侧视图。
图5为本发明的定子端盖的轴向剖视图。
图中，1为电机外壳端盖，2为外转子壳体端盖，3为轴承，4为通线孔，5为大口径旋转变压器，6为轴承，7为定子壳体端盖，8为内转子壳体端盖，9为旋转变压器，10为定子壳体缺口，11为电机外壳，12为内转子壳体，13为永磁体，14为磁路Ⅰ定子电枢，15为外转子壳体，16为磁路Ⅱ定子电枢，17为内转子永磁体，18为磁路Ⅲ定子电枢，19为定子壳体，20为轴承，21为轴承，22为电机内轴，23为电机外轴。
具体实施方式
本发明提供了一种高效率的大功率差的水下航行器对转永磁同步电机，其特征在于，包括由永磁体13、磁路Ⅰ定子电枢14组成的磁路Ⅰ和由磁路Ⅱ定子电枢16、内转子永磁体17组成的磁路Ⅱ以及由磁路Ⅲ定子电枢18、内转子永磁体17组成的磁路Ⅲ。根据运动关系，主要分成内转子、外转子及内外转子之间的定子电枢，下面根据此分类分别介绍其结构关系。
所述的内转子永磁体17表贴于内转子壳体12的外部，并和内轴22、内转子后端盖8通过螺钉连接形成内转子，其两端由轴承6和轴承20固定于定子壳体上，只允许其绕自身轴线旋转。所述的内转子端部装有旋转变压器9以测量内转子的位置用于电机控制。
所述永磁体13表贴于外转子壳体15的内部，并和外轴23、外转子后端盖2通过螺钉连接形成外转子，其两端由轴承3和轴承21固定于电机外壳1和电机外壳11上，只可以绕其轴线旋转。所述的外转子端部装有大口径型旋转变压器5以测量外转子的位置用于电机控制。
所述的磁路Ⅰ定子电枢14、磁路Ⅱ定子电枢16和磁路Ⅲ定子电枢18均通过端部定位及过盈配合夹紧的方式安装在定子壳体19上，形成对转电机的定子电枢。所述的定子电枢14和定子电枢18的接引线都可以通过定子壳体19圆周上的缺口10和定子壳体端盖7上的通线孔4引到外部，而旋转变压器5和旋转变压器9的信号线同样地都可以通过通线孔4引到外部。
优选地，所述的永磁体13和永磁体17可以根据电机磁路设计成普通表贴阵列方式或者Halbach阵列方式，使得气隙磁场更加接近正弦分布以提高电机效率。
优选地，所述的大口径型旋转变压器5和旋转变压器9均可按电机控制的信号频率对应选择合适的型号。
优选地，所述的内转子和定子，外转子和定子及电机外壳之间的空气间隙应根据电机设计经验选择合适值使电机的气隙磁场更优。
优选地，所述的定子电枢14、定子电枢16和定子电枢18的槽型根据电机设计选择梨形槽或扇形槽或平底槽等；绕组根据电机设计需要调整线型、线径、每槽导体数等常规绕组参数。
优选地，电机所有的连接件，如螺钉等均根据电机结构设计需要进行选型使电机整体安装合理。
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的零件和结构元素均用相同的数字标号来表示。为了更加清楚地展示电机内部结构，附图中某些零件没有按照固定比例绘制，且为避免附图冗杂，附图中某些零件没有标号，但不影响附图的描述。
如附图1所示，本发明提供的一种大功率差的对转永磁同步电机的结构主要包括由永磁体13、磁路Ⅰ定子电枢14组成的磁路Ⅰ和由磁路Ⅱ定子电枢16、内转子永磁体17组成的磁路Ⅱ以及由磁路Ⅲ定子电枢18、内转子永磁体17组成的磁路Ⅲ。其中，永磁体13内表贴于外转子壳体15的内壁形成磁路Ⅰ的外转子，而磁路Ⅱ和磁路Ⅲ的内转子永磁体17可以根据需要做成一套较长的永磁体，也可以分别做成两套，但都应表贴于磁路Ⅱ和磁路Ⅲ共同的内转子壳体12的外壁，形成驱动内轴22的内转子。所述的内转子在低功率巡航阶段由磁路Ⅲ单独驱动，在高功率阶段由磁路Ⅱ、磁路Ⅲ共同驱动。所述磁路Ⅰ的磁路Ⅰ定子电枢14置于对转永磁电机定子壳体19的外部，而磁路Ⅱ、磁路Ⅲ的磁路Ⅱ定子电枢16和磁路Ⅲ定子电枢18则安装在电机定子壳体19的内部。需要说明的是，磁路Ⅱ的磁路Ⅱ定子电枢16和磁路Ⅲ的磁路Ⅲ定子电枢18之间应留有足够的空间以满足定子端部绕组的空间需求。
当水下航行器工作时，电机首先按照低功率的状态运行，由磁路Ⅲ单独在额定状态下工作以驱动电机的内轴22，从而驱动水下航行器对转桨的后桨，此时磁路Ⅰ和磁路Ⅱ均处于非工作状态，对转电机的外轴23通过控制锁死，水下航行器的前桨不工作。当水下航行器进入高速运行状态后，对转电机的磁路Ⅰ和磁路Ⅱ都开始工作，其中磁路Ⅱ和磁路Ⅲ串联形成新的高功率磁路以驱动对转电机的内轴22以高功率状态运行，而磁路Ⅰ如上所述，单独以额定状态驱动对转电机的外轴23以高功率状态运行。此时，水下航行器的对转桨的前后单桨都开始对转，从而使水下航行器高速运行。如此，通过对转永磁电机针对水下航行器的两个功率状态对磁路进行必要的组合并分阶段使用，提高了水下航行器对转永磁同步电机在一个工作周期内的平均效率。
本发明一具体实施例中，各磁路的永磁体均采用普通的表贴式排列方式，如附图2和附图3可以看出。
本发明一具体实施例中，磁路Ⅱ和磁路Ⅲ的永磁体做成一体式以保证在串联工作时磁场的分布周向一致。
本发明一具体实施例中，考虑到电机的散热条件较差，且电机的工作温度较高，所有永磁体均采用耐高温的烧结钐钴永磁体材料以防止永磁体高温退磁。
本发明一具体实施例中，考虑到电机工作温度较高，所有绕组漆包线均采用H级绝缘。
具体的装配过程是：将轴承21装入电机壳体11的端部位置后，将贴好永磁体13的外转子通过端部的螺钉和外轴24连接成整体，然后外转子整体安装到位，外轴通过轴承21内孔。接着将预安装好磁路Ⅰ定子电枢14、磁路Ⅱ定子电枢16和磁路Ⅲ定子电枢18的对转电机的定子电枢同样安装到位，然后将贴有内转子永磁体17的对转电机内转子整体安装到位，内轴22穿过电机定子端部的轴承内孔和外轴23的内孔伸到电机外部。最后，将如图1所示的所有端盖、轴承，旋转变压器安装到如图1所示的位置。应注意的是，安装过程中注意定子电枢的接引线和旋转变压器的信号线。
最后应说明：显然上述实施例仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于该领域的技术人员来说，在上述说明的基础上可以调整出其他类似的结构形式。这里无需也无法对所有的结构予以穷举。而由上述所引出显而易见的变化和小调整仍处于本发明的保护范围。
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