一种吊舱式多转子水下推进器的制作方法

本发明涉及一种吊舱式多转子水下推进器。

背景技术：

1、电机作为已有的技术应用已有100多年的历史，然而电机的应用场合越来越多，对电机也提出了更高要求，当前科研领域普遍关注如何改进现有电机的性能，研发体积小、重量轻、效率高、结构简单并可适应更多不同应用场合的新型电机是研发的主攻方向。

2、吊舱式水下推进器作为水下动力输出设备，其内部核心机构依旧是电机。目前随着新能源船舶或船舶外挂推进装置的应用推广，吊舱式水下推进器通常是这类船舶或推进装置较佳的动力部件选择。

3、目前上述吊舱式水下推进器主要的结构形式分为下面两种：

4、其一为电机螺旋桨同轴结构方案：其构成主要包含固定支架、固定在支架底部的电机外壳、设置在电机外壳内的电机，电机与螺旋桨同轴，具有结构简单、轴向短、制造相对方便等优点。但由于电机与螺旋桨同轴布置以及转速和螺旋桨同步，且大型船舶的螺旋桨转速均非常低，以千吨级船舶为例，螺旋桨转速每分钟在200转以下，万吨级船舶螺旋桨转速每分钟仅几十转。而电机功率为转速乘扭距，故此类结构方案的推进器在低转速情况下要满足其大功率只能提高电机的扭距。这就导致其电机存在体积大，重量重、迎水面积大阻力大，效率低等缺点。因此该结构方案很难设计成全回转螺旋桨；

5、其二为电机、螺旋桨同轴心行星齿轮减速结构方案：其构成主要包含固定支架、固定在支架底部的电机外壳、设置在电机外壳内的电机及行星减速结构，电机轴与行星减速器输出轴同心，输出轴再固定螺旋桨。这种推进器具有提高电机转速，减小电机的体积及重量，减少迎水面积降低阻力等优点，但由于电机轴与行星齿轮减速器轴同心串联布局，推进器轴向尺寸较长，转向半径过大，转向控制困难，结构相对复杂，该结构也很难设计成全回转螺旋桨。

技术实现思路

1、本发明目的是：本发明一方面是针对背景技术中提到的现有水下推进器的不足而提供一种可以实现更高转速，工作效率更高同时体积小、重量轻、结构简单，尤其是单个转子的磁极磁路短、磁阻小，有较低的磁热损耗的吊舱式多转子水下推进器，其能够使较大功率水下吊舱式电动推进器全回转结构方案得以实现应用。

2、本发明的技术方案是：一种吊舱式多转子水下推进器，包括支架、固定在支架底部的电机外壳、设置在电机外壳内的电机、由电机驱动旋转的主轴和固定其上的螺旋桨；其特征在于：

3、电机为三相三层多转子电机或者三相单层多转子电机；

4、三相多层多转子电机包括沿主轴的轴向安装的三个单相多转子电机组，每个单相多转子电机组均由相应转子和定子交替环周向串联安装而成，其中每个定子中心设有绕线槽用于绕制定子线圈，以绕线槽为中心两侧设有相对应的半圆磁极，分别耦合相邻的两个永磁体转子，每个永磁体转子则同时耦合相邻两侧定子的半圆磁极构成一个小电机；三个单相多转子电机组的定子线圈之间为三角形连接或星形连接；

5、三个单相多转子电机组的转子均沿电机轴向一一对应设置，并且在轴向上相对应的三个单相多转子电机组的转子之间通过同一转子轴同轴串接，它们的磁场方向依次错开120度；

6、主轴上还固定有主轴齿盘，该主轴齿盘与各转子轴上固定的小齿轮均啮合，且啮合时，各单相多转子电机组内转子的磁场方向均保持一致，使得该主轴齿盘既作为三个单相多转子电机组的转子的正时齿轮用于限定所有转子磁场需对应的角度关系，以驱动各单相多转子电机组的转子持续运转，又作为三个单相多转电机组的转子的推力齿轮以输出电机扭矩；

7、而三相单层多转子电机则包括以电机的主轴为中心闭环安装的三个等分的弧形单相多转子电机组以及固定至主轴上用于输出电机扭矩的主轴齿盘；每个弧形单相多转子电机组均由转子和定子交替串联安装而成，定子中心设有绕线槽用于绕制定子线圈，以绕线槽为中心两侧设有相对应的半圆磁极，分别耦合相邻的两个永磁体转子，每个永磁体转子则同时耦合相邻两侧定子的半圆磁极构成一个小电机；而三个弧形单相多转子电机组的定子线圈之间为三角形连接或星形连接；

8、三个弧形单相多转子电机组的转子磁场方向依次错开120度，主轴齿盘与各转子的转子轴上固定的小齿轮均啮合，且啮合时，每个弧形单相多转子电机组内的转子的磁场方向均保持一致，使得该主轴齿盘既作为三个弧形单相多转子电机组的转子的正时齿轮用于限定所有转子磁场需对应的角度关系，以驱动各弧形单相多转子电机组的转子持续运转，又作为三个弧形单相多转子电机组的转子的推力齿轮以输出电机扭矩。

9、进一步的，本发明中所述定子的绕线槽内的定子线圈采用扁线绕组绕制。

10、进一步的，本发明中所述小齿轮的齿数能被3整除，而主轴齿盘的齿数可由x整除，x=360度/y，y为圆周上相邻两个转子的夹角度数。

11、进一步的，本发明中还包括主轴端盖、齿轮箱盖和电机端盖，电机外壳前端固定齿轮箱盖，而主轴端盖扣合固定至齿轮箱盖前端，主轴端盖和齿轮箱盖之间形成密封所述主轴齿盘的齿盘油室；电机端盖固定至电机外壳后端，并且电机端盖后部固定有水封总成，水封总成内部设有套于主轴上并且与所述螺旋桨固定的水封轴套；所述主轴端盖内侧固定有套于所述主轴上的前轴承，而电机端盖内固定有套于所述主轴上的后轴承，主轴末端固定有将所述螺旋桨锁紧至水封轴套上的紧固螺母。

12、更进一步的，本发明中所述电机外壳包括与所述齿轮箱盖固定的支撑端壁，该支撑端壁上成型有外环壁和位于外环壁内侧的内环壁，内环壁和外环壁之间形成用于嵌装所述三相三层多转子电机或者三相单层多转子电机的环形槽；并且内环壁内设有多条轴向贯通电机外壳的用于冷却所述三相三层多转子电机或者三相单层多转子电机的内水道；所述主轴端盖上对应各内水道设有与之连通的进水孔，而所述电机端盖上对应各内水道设有与之连通的出水孔。

13、更进一步的，本发明中所述电机端盖上的所述出水孔为l形孔，其入口与对应的内水道轴向相对，而出口则沿电机端盖径向分布。

14、实际实施时，所述主轴端盖外周、齿轮箱盖外周、电机外壳外周以及电机端盖外周上则均可成型有若干对应的定位耳，定位耳上设有定位孔用于穿设螺钉以将四者固定在一起。

15、所述定子的顶部和底部设有定位凸部，而所述内环壁的外壁面上设有与定子底部的定位凸部匹配的定位凹槽，而所述外环壁的内壁面上则设有与定子顶部的定位凸部匹配的定位凹槽。对于加工电机外壳而言工艺非常简单，同时定子嵌入电机外壳可获得精确的定位并起到良好的散热作用。

16、本发明的优点是：

17、1、本发明的吊舱式多转子水下推进器，其采用三相三层多转子电机，这种多转子电机的整体设计方案的一个优点在于每一个单相多转子电机组分别是由若干小电机组成的一个360度闭合环结构，该闭合环中所有单个小电机磁路完全闭合，无任何磁场损失，每一个单相多转子电机组中相邻定子线圈的接线极短，减少了线损，有利于节省电机整体的制造材料并减化生产工艺。

18、具体展开来看，一方面由于每个单相多转子电机组中定子两侧分别作为相邻两个转子的磁极，通电后，产生磁场的力同时作用于两侧转子，相比现有所有种类电机，大大缩短了磁场的路径，磁路极短，磁阻极小，减少了磁热损耗。另一方面由于定子绕线槽开放结构设计，线圈可用薄铜片扁线绕制，槽满率相比现有任何一种电机更高，减少了铜热损耗，由此提高了电机效率。相比现有最高效同功率电机节省矽钢片及铜材料50%以上，相比传统电机节省矽钢片及铜材料95%以上。再者，定子线圈的绕线工艺相比现有任何一种电机更简单。且每个定子的磁极上下侧均与电机外壳的内外壁面接触，接触面积大，有效改善了散热条件，提高了电机的散热效果，与传统电机相比其它材料也有不同程度的节省。

19、2、本发明整体设计方案可以显著提高转子的转速，构成各个单相多转子电机组的转子的额定运行转速可达到大功率电机的许多倍。所有转子传动耦接一个主轴齿盘既保证所有转子角度的正时关系，同时实现降低速度和增加扭矩的效果，并且使得电机整体结构更加简单。

20、3、本发明整体设计方案，体积小，重量轻，视电机转速、功率、扭矩需要可做到现有高速电机二分之一体积、重量，甚至更小更轻，重量仅为传统电机几十分之一。

21、4、本发明整体设计方案输出转速扭矩可根据需要，用不同小电机及不同大小的主轴齿轮盘灵活设计配置，实现更为灵活的功率和转速配置，与普通电机相比相当宽泛的转速使用情况下无需再配变速箱，节约了齿轮变速箱的费用，提供了更多定制化的选择。

22、5、传统电机制造过程最复杂的工艺是绕线，特别是大功率电机，其中绕线，嵌线，扎线基本都须人工操作。中小功率电机即便可以采用自动绕线设备生产，但设备极其昂贵，以一条10千瓦绕线生产线设备为例，至少在1000万以上，投入巨大，而且一整套设备也只能生产一种产品，没有通用性，仍需要较多人工。本发明的三相三层多转子电机方案的绕线工艺极其简单，一台绕线设备只要更换简单的工装即可适合几十到几百千瓦功率电机使用，通用性极强，且极容易实现全自动生产，一条全自动生产线投入也不会超过传统电机设备的十分之一，且可实现无人化生产。

23、6.本发明同时兼备了电机螺旋桨同轴结构和电机、螺旋桨同轴心行星齿轮减速结构这两种方案的所有优点，同时又解决了其所有缺点，且比现有两种方案具有体积更小，迎水面积更小，重量更轻，效率更高，结构更合理，生产工艺更简单，使用原材料更少，成本更低，安装更方便，操纵性更好。更适合用于全回转电动螺旋桨的应用场景。

24、7.相对现有吊舱式水下推进器而言，本案提供的吊舱式水下推进器的结构其最大特点是采用多个小电机环绕螺旋桨主轴布置，小电机的转子上的小齿轮与主轴齿盘捏合产生较大的转速比，从而级大提高了电机的转速。与现有电机螺旋桨同轴结构方案比较，减轻90%重量、减小70%体积及迎水阻力。与现有电机、螺旋桨同轴心行星齿轮减速结构方案比较，减轻50%重量，减小50%体积及迎水阻力。同时均大幅度提高了电机效率、降低制造成本，最大程度的解决了现有方案存在的缺点，特别适合吊舱式水下推进器设计成360°水平转动的全回转矢量推进装置。因此本案提供的这种吊舱式多转子水下推进器在新能源电动船舶领域具有极大地应用价值。