基本信息
- 项目名称：
- 双螺旋浆推进用新型永磁电机
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本发明应用于水下航行器对转螺旋桨推进系统，是一种具有单电输入端口、双机械输出端口的全新概念的双转子电机。当该电机通入一组对称三相电流时，可使双两个转子同速异向旋转直驱双螺旋桨。
- 详细介绍：
- 中小型水下航行器是指某些军用武器(如鱼雷)和各类水下勘察机器人等，近年来在军事领域和海洋科学调查方面得到越来越广泛应用。推进装置是水下航行器最重要的组成部分，其性能直接关系到航行器的速度、时间、成本、效率和可靠性等。为克服现有双螺旋桨推进电机系统的种种弊端，本作品提出并设计一种双螺旋浆推进用新型永磁电机，不仅可大大简化推进系统的结构、减小体积、降低重量、成本和噪声，而且没有电刷滑环，运行更加安全可靠。该电机采用的交叉式环形绕组，在只通入一组三相对称电流时，可在定子内外两侧分别产生两个与内外转子相交链的异向旋转旋转磁场，此时两个转子能够产生方向相反的电磁转矩，亦是本作品的特色和创新所在。该电机具有单输入的电端口和两个独立的机械输出口，是一种完全有别于传统电机的新型机电能量转换装置。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本发明的目的和基本思路 自主式水下航行器推进系统主要采用对转螺旋桨（桨叶倾斜角相反）结构，该种结构能有效避免了中小型水下航行器的侧滚现象，保证了航行器的前进姿态，提高了系统的运行效率。该种推进结构目前采用的传动方式有：常规电机+行星齿轮和双转子永磁直流电机直驱。前者由于增加了行星齿轮减速传动结构，使得整个系统结构变复杂，效率较低；后者具有两套电刷和滑环装置，这使得推进系统运行可靠性大大降低。为了解决上述两种传动方式存在的不足，本作品设计了一种水下航行器推进用新型异向旋转双转子永磁电机，该电机在只输入一组三相对称电流的情况下，可实现内外双转子同速异向旋转直接驱动对转螺旋桨，这不仅可大大简化机械推进系统的结构，减小系统体积、降低系统重量和成本，而且没有电刷滑环结构，运行更加安全可靠。 创新点 1）双螺旋桨推进用新型永磁电机具有单输入的电端口和两个独立输出的机械端口，是一种完全有别于常规电机的全新概念电机。 2）该电机定子内外圆周开槽并嵌放特殊型式的环型交叉式绕组结构，当通入一组三相对称电流，可以驱动两个转子同速异向旋转，实现了单电口输入双机械口输出。 技术关键 由于本作品与传统电机在结构上有较大不同，目前针对该类电机尚没有成熟的设计方法，因此，需要对该电机进行合理的电磁设计，使得这样一种特殊结构的新型电机具有最大的功率与转矩密度，且具有尽可能高的力能指标，减轻推进系统的重量。 主要技术指标 额定功率：11kW；供电频率：40Hz；转速：800r/min
科学性、先进性
- 目前水下航行器的对转螺旋桨驱动系统一般采用如下方式： 第一种，单台常规电机+复杂的行星减速器传动系统拖动双螺旋桨旋转，由于具有复杂的齿轮传动系统，其机械传动部分比较复杂，且机械传动效率较低。第二种，采用特殊结构的永磁直流电动机驱动。该类电机的运行原理与常规永磁直流电机完全相同，只是让常规直流电机的定子也旋转从而变成了外转子。 本作品与上述两种传动方式相比较具有如下优势： 1，只用单台电机就实现了同速异向旋转的双机械量输出，与第一种方案相比，取消了复杂的机械传动机构，电机可直接用于驱动双螺旋桨；减小了整个推进系统的体积和重量，提高了水下航行器的续航能力，降低了系统成本，同时降低了机械传动系统运行维护费用，运行更加安全可靠。 2，本电机的一个定子和两个转子均直接参与机电能量转换，与目前用得较多的水下航行器推进用永磁直流电动机相比，取消了纯粹用于机械支撑的外机械定子，特别是取消了永磁直流电动机所需的换向器和电刷滑环组件，电机体积减小，成本降低，而且提高了电机运行的可靠性。
获奖情况及鉴定结果
作品所处阶段
- 目前处在实验室研究阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 样机实物、现场演示、录像、图纸、图片。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品可应用在各种水下航行器及小型水面船只中，大大简化推进系统的结构、减小体积、降低重量、从而提高水下航行器的续航能力；另外，本作品采用逆变电源直接对定子绕组供电，没有电刷滑环装置，可以减小噪声，并使系统运行更加安全可靠。众所周知，续航能力和可靠性是水下航行器最重要的两个性能指标，而本作品恰恰对这两个重要的性能指标有明显的改善，因此，可以相信本作品将会具有非常广阔的应用前景，以及重大的经济效益，而在军事安全、科学探索等重要领域的应用所产生社会效益将会是更加巨大。
同类课题研究水平概述
- 最近几年，具有单电量输入、双机械口输出的新概念电机（即双转子电机）受到越来越多的关注,具有非常广泛的应用前景，已经成为国内外电机领域新的研究热点之一。2002年德国Esslingen大学的Eugen Nolle教授所领导的研究小组，研制了一种内外双转子感应电机；同年美国Wisconsin大学的Thomas A. Lipo教授所领导的研究小组也研制了一种内外双转子永磁电机，但他们所研制的电机均为同向旋转双转子电机，无法作为水下航行器对转螺旋浆驱动系统的推进电机。目前所公开的异向旋转电机均不是单一电端口输入形式的，部分采用双轴非同心式输出，所以也无法应用在对转螺旋桨驱动系统，而能实现单端同心式输出的电机大多采用两组（或多组）电源对两套（或多套）绕组供电，实现双转子异向旋转输出。 国内对双转子电机的研究起步较晚，现有的研究工作主要针对传统电机结构的改进，即定子作为外转子实现“双转子”结构。例如，杭州工业大学的冯浩等人在2002年提出了一种外定子内双转子结构的感应电动机模型；2005年华南理工大学邓志君等人针对汽车用双转子永磁电机进行了研究。现有对转螺旋桨电动力推进系统所采用的双转子电机为我国包头长安永磁电机研发有限公司生产的双转子永磁直流电动机，该电机就是将直流电机的定子作为外转子，因此具有换向器、滑环和两套电刷装置，电机的运行可靠性大大降低了，同时也使得电机成本较高、结构仍显复杂，加之纯粹用于机械支撑的外机械定子，使得电机的体积仍然较大。可以预见未来水下航行器对转螺旋浆的推进系统将会向着结构简单、可靠性高、体积更小、性能更好的方向发展，而本作品符合这种发展的需求。 我们委托辽宁省科学技术情报研究所（国家一级）对本作品同类研究进行查新得出如下结论：以“采用单电口输入，电机定子内外圆周开槽并嵌放特殊型式的环型交叉式绕组结构，同时在电机的内外气隙中产生同速异向的电枢旋转磁场，驱动两个转子同速异向旋转，实现了单电口输入双机械口输出”为查新特点的“双螺旋浆推进用永磁电机”，在国内外文献检索中未见报道。
