共轴推进器动力系统及共轴双桨水下推进器和飞行器的制作方法

本实用新型涉及水下推进器技术领域，具体的说，是共轴推进器动力系统及采用该共轴推进器动力系统的共轴双桨水下推进器和共轴双桨飞行器。

背景技术：

推进器是当前水下设备，包括水下机器人及水下助力设备中的核心部件，推进器的性能直接关系到设备的运动性能。

推进器主要由三叶或以上的桨叶、电机及驱动电路、流道及外壳组成。由于推动力由电机带动桨叶旋转切水产生，在电机旋转的过程中会行成与桨叶旋转方向同向的扭矩，在连续运行中，这种扭矩会迫使推进器沿桨叶旋转方向自旋。这种自旋会影响设备运动的精度以及姿态稳定。对于放置在刚性结构上的推进器而言，较大的自旋扭矩会使结构受力，更易造成结构机械疲劳。

共轴双桨技术在飞行器，尤其是螺旋桨飞机上有广泛的应用。共轴双螺旋桨技术在直升机，尤其是海上直升机上较为成熟。该方案的特点是，在一根主轴上，依次放置两层螺旋桨，飞机工作时，两层桨同时旋转但转动方向相反，螺旋桨同时产生一组反向的扭矩，借此将两层桨叶旋转造成的扭矩抵消。同时，上层的桨叶在旋转时将下层输入气体预压缩，为下层桨叶带来了额外的吸气量，使得升力提升。但缺点在于该套方案所采用的是一个发动机，并通过齿轮与传动轴等结构将动力按比例分配给两层桨叶。由其优点可知，由于上层桨叶的预压缩，下层桨叶产生的升/推力往往大于上层，因此上下层的扭矩往往无法完全抵消，因此该套方案的传动系统会带有变速箱等结构用于调节上下层的转速。对于飞机等在空气中运行的桨叶而言，其传动结构能够有效的在空气中进行维护及更换，因此可以允许结构较为复杂。但如果将该套技术直接或稍加改进用于水下推进器，则对于水下设备而言，过重的机械传动结构会造成大量的浮力缺失，并且通常为金属的结构在海水环境下必须严格防腐，注定了该套方案无法直接在水下设备上进行套用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于以飞行器的共轴双桨技术为基础，结合水下环境的特殊性，进而设计出共轴推进器动力系统及共轴双桨水下推进器和飞行器，可抵消推进器沿桨叶旋转方向的自旋，获得更好的运动精度和更稳定的姿态的同时获得更加的推力。

本实用新型通过下述技术方案实现：

本实用新型提供了一种共轴推进器动力系统，包括第一桨叶驱动系统和第二桨叶驱动系统；

所述第一桨叶驱动系统包括同轴设置的上游驱动马达和第一桨叶，所述上游驱动马达传动连接所述第一桨叶；

所述第二桨叶驱动系统包括同轴设置的下游驱动马达和第二桨叶，所述下游驱动马达传动连接所述第二桨叶；

所述上游驱动马达与所述下游驱动马达同轴设置并固定连接。

采用上述设置结构时，将上游驱动马达和下游驱动马达同轴设置，当第一桨叶和第二桨叶同时且反向转动时，可有效地降低设备运行过程中的自旋问题，同时可增加单个推进器的推力，提高设备运动性能。第一桨叶驱动系统和第二桨叶驱动系统分别以上游驱动马达和下游驱动马达作为动力机，使得第一桨叶和第二桨叶可实现单独驱动控制，两者互不影响，不再采用现有共轴双桨结构的一系列机械传动系统，以极简的结构发挥同样的功能，尤其适合布置空间有限的推进器。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述上游驱动马达为无轴外转子电机，所述下游驱动马达为有轴马达；所述第一桨叶固定连接所述上游驱动马达的外转子处，所述下游驱动马达的定子或中轴伸入所述上游驱动马达的定子内侧并与所述上游驱动马达的定子支撑连接，所述下游驱动马达的中轴贯穿上游驱动马达，所述第二桨叶固定连接所述下游驱动马达的中轴的伸出段处；

或，

所述上游驱动马达为有轴马达，所述下游驱动马达为无轴外转子电机；所述第二桨叶固定连接所述下游驱动马达的外转子处；所述上游驱动马达的定子或中轴伸入所述下游驱动马达的定子内侧并与所述下游驱动马达的定子支撑连接，所述上游驱动马达的中轴贯穿所述下游驱动马达，所述第一桨叶固定连接所述上游驱动马达的中轴的伸出段处。

采用上述设置结构时，无轴外转子电机与有轴马达采用嵌套式或部分嵌套式的连接结构，能进一步缩小该共轴推进器动力系统的轴向长度，尤其适合尺寸有限仅能放置一个单桨推进器的水下设备，电机的采用可凭借其优秀的启动扭矩及灵敏高精度的驱动控制，以极简的结构发挥出优异的性能，可实现对现有推进器的结构优化，增加推理和提高设备运动性能。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述上游驱动马达为无轴外转子电机，所述下游驱动马达为无轴外转子电机；所述第一桨叶固定连接所述上游驱动马达的外转子处，所述第二桨叶固定连接所述下游驱动马达的外转子处；所述上游驱动马达的定子对接所述下游驱动马达的定子。

采用上述设置结构时，两个无轴外转子电机同轴设置并对接连接可获得较小轴向长度的共轴推进器动力系统，尤其适合尺寸有限仅能放置一个单桨推进器的水下设备，并凭借电动机优秀的启动扭矩及灵敏高精度的驱动控制，以极简的结构发挥出优异的性能。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述上游驱动马达为有轴马达，所述下游驱动马达为有轴马达；所述第一桨叶固定连接所述上游驱动马达的中轴处，所述第二桨叶固定连接所述下游驱动马达的中轴处；所述上游驱动马达的定子与所述下游驱动马达的定子固定连接。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述有轴马达为有轴内转子电机或液压马达或有轴外转子电机，所述有轴外转子电机的中轴与其外转子固定连接。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述下游驱动马达的扭矩大于或等于所述上游驱动马达的扭矩。

采用上述设置结构时，下游驱动马达主要负责输出推力，上游驱动马达主要负责输出扭矩以抵消第二桨叶驱动系统产生的自旋效应，同时提供一部分推力。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述下游驱动马达安装的所述第二桨叶的叶片相较于所述上游驱动马达安装的所述第一桨叶的叶片较为宽大。

进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：所述上游驱动马达和所述下游驱动马达内均安装有同轴设置的姿态传感器，所述姿态传感器用于感知相应驱动马达的轴线偏转。

采用上述设置结构时，姿态传感器可用于实时感知扭矩平衡情况并通过传感电路将电信号传达给控制电路的主控芯片，并由主控芯片将电信号由控制电路传达给驱动电路，以实时调整上游驱动马达和下游驱动马达的转速，从而保持姿态的一个动态平衡。

本实用新型还提供了一种采用该共轴推进器动力系统的共轴双桨水下推进器，包括控制舱、推进器外壳和上述的共轴推进器动力系统；

所述推进器外壳安装于所述控制舱，所述共轴推进器动力系统固定安装于所述推进器外壳内侧。

采用上述设置结构时，该共轴双桨水下推进器具有较短的轴向长度，并可在增加推力的同时抵消沿第二桨叶旋转方向的自旋，不易造成结构机械疲劳，以提高水下设备的姿态稳定性和结构稳定性。

本实用新型还提供了一种采用该共轴推进器动力系统的共轴双桨飞行器，包括飞行器主体和上述的共轴推进器动力系统，所述共轴推进器动力系统安装于所述飞行器主体。

采用上述设置结构时，该共轴双桨飞行器的推进器动力系统具有较短的轴向长度，并可在增加推力的同时抵消沿第二桨叶旋转方向的自旋，不易造成结构机械疲劳，以提高姿态稳定性和结构稳定性。

本实用新型具有以下优点及有益效果：

本实用新型中，将上游驱动马达和下游驱动马达同轴设置，当第一桨叶和第二桨叶同时且反向转动时，可有效地降低设备运行过程中的自旋问题，同时可增加单个推进器的推力，提高设备运动性能。第一桨叶驱动系统和第二桨叶驱动系统分别以上游驱动马达和下游驱动马达作为动力机，使得第一桨叶和第二桨叶可实现单独驱动控制，两者互不影响，不再采用现有共轴双桨结构的一系列机械传动系统，以极简的结构发挥同样的功能，尤其适合布置空间有限的推进器。可使得采用该共轴推进器动力系统的共轴双桨水下推进器和共轴双桨飞行器具有较短的轴向长度，并可在增加推力的同时抵消沿第二桨叶旋转方向的自旋，不易造成结构机械疲劳，以提高水下设备的姿态稳定性和结构稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

图1是共轴双桨水下推进器的外部结构示意图；

图2是共轴双桨水下推进器的剖面结构示意图；

图中标记为：

1、上游驱动马达；2、第一桨叶；3、下游驱动马达；4、第二桨叶；5、推进器外壳；6、主控舱；7、马达支撑架；8、中轴；9、整流罩；10、上游电机定子支架；11、下游电机定子支架；12、桨叶紧固帽；13、下游电机转子外壳；14、上游电机转子外壳。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

实施例1：

本实施例提供了一种共轴推进器动力系统，以飞行器的共轴双桨技术为基础，结合水下环境的特殊性设计得到，可抵消推进器沿桨叶旋转方向的自旋，获得更好的运动精度和更稳定的姿态的同时获得更加的推力，如图1、图2所示，特别设置成下述结构：

该种共轴推进器动力系统主要针对水下设备

基本的，该种共轴推进器动力系统包括一第一桨叶驱动系统和一第二桨叶驱动系统，第一桨叶驱动系统和第二桨叶驱动系统沿推进方向依次设置。

第一桨叶驱动系统包括同轴设置的上游驱动马达1和第一桨叶2，第二桨叶驱动系统包括同轴设置的下游驱动马达3和第二桨叶4。

对于第一桨叶驱动系统和第二桨叶驱动系统，可选的第一种结构为，上游驱动马达1和下游驱动马达3同为有轴马达，该有轴马达可以是具有中轴的内转子电机，也可以是具有中轴的液压马达，也可以是具有中轴的外转子马达，具有中轴的外转子马达的外转子与其内的中轴固定连接。第一桨叶2固定连接于上游驱动马达1的中轴的伸出段处实现传动连接，第二桨叶4固定连接于下游驱动马达3的中轴的伸出段处实现传动连接，上游驱动马达1的定子具有一外壳，下游驱动马达3的定子也具有一外壳，上游驱动马达1的外壳与下游驱动马达3的外壳同轴依次设置并可直接固定连接。

可选的第二种结构为，上游驱动马达1为无轴外转子电机，下游驱动马达3也为无轴外转子电机。上游驱动马达1的外转子外套装有一外壳组成转子外壳，第一桨叶2套装并固定连接于上游驱动马达1的外壳实现传动连接；下游驱动马达3的外转子外同样也套装有一外壳组成转子外壳，第二桨叶4套装并固定连接于下游驱动马达3的外壳处实现传动连接，上游驱动马达1的外壳与下游驱动马达3的外壳同轴依次设置，并可直接对接固定。两个无轴外转子电机同轴设置并对接连接可获得较小轴向长度的共轴推进器动力系统，尤其适合尺寸有限仅能放置一个单桨推进器的水下设备，并凭借电动机优秀的启动扭矩及灵敏高精度的驱动控制，以极简的结构发挥出优异的性能。

可选的第三种结构为，上游驱动马达1选择为具有中轴的内转子电机，且下游驱动马达3选择为无轴外转子电机，第一桨叶2固定连接上游驱动马达1的伸出轴处，第二桨叶4套装并固定连接下游驱动马达3的外壳处；上游驱动马达1的外壳或中轴伸入下游驱动马达3的定子内侧并与下游驱动马达3的定子内环固定连接。

优选的结构与第三种结构类似，主要不同的是上游驱动马达1与下游驱动马达3的选择相反，具体为，上游驱动马达1优选为无轴外转子电机，且下游驱动马达3选择为有轴马达，该有轴马达优选为具有中轴8的内转子电机，该中轴8即为内转子。本实施例以此优选结构方案做进一步详述：

该上游驱动马达1的定子固定于上游电机定子支架10，外转子外套装有一外壳组成上游电机转子外壳14，上游电机转子外壳14转子外壳具有一伸入定子空心处的轴套，该轴套部分与上游电机定子支架10通过轴承支撑连接，第一桨叶2套装并固定连接于上游驱动马达1的外壳处实现传动连接。

该下游驱动马达3的定子固定安装于下游电机定子支架11，中轴8的尾段依次固定螺套装有一下游电机转子外壳13和一整流罩9，该下游电机转子外壳13罩住定子并与转子同步转动，中轴8的首端穿入上游驱动马达1的定子内侧并插入上游电机定子支架10的轴套后穿出，中轴8与上游电机定子支架10通过轴承支撑连接，中轴8的伸出段安装桨叶紧固帽12，桨叶紧固帽12的后端罩住上游驱动马达1的前部，第二桨叶4固定套装于桨叶紧固帽12处与中轴8实现传动连接。第二桨叶4位于第一桨叶2的上游处。

此种结构下，无轴外转子电机与有轴马达采用嵌套式或部分嵌套式的连接结构，能进一步缩小该共轴推进器动力系统的轴向长度，尤其适合尺寸有限仅能放置一个单桨推进器的水下设备，电机的采用可凭借其优秀的启动扭矩及灵敏高精度的驱动控制，以极简的结构发挥出优异的性能，可实现对现有推进器的结构优化，增加推理和提高设备运动性能。

下游驱动马达3主要负责输出推力，上游驱动马达1主要负责输出扭矩以抵消第二桨叶驱动系统产生的自旋效应，同时提供一部分推力。因此，在上游驱动马达1和下游驱动马达3的参数选择上，就同为电机的情况下来说，上游驱动马达1的扭矩参数与下游驱动马达的扭矩参数可以相同，也可以不相同。不相同的情况下，下游驱动马达3的扭矩参数应该要大于上游驱动马达1的扭矩参数，并且进一步的，下游驱动马达3安装的第二桨叶4的叶片相较于上游驱动马达1安装的第一桨叶2的叶片也较为宽大，在实际运行时，下游驱动马达3的转速也控制在低于上游驱动马达1的转速。

该种共轴推进器动力系统在控制方面，上游驱动马达1与下游驱动马达3由不同的驱动器控制，且在上游驱动马达1内部的同轴处安装有姿态传感器，在下游驱动马达3内的同轴处安装有姿态传感器，姿态传感器用于感知相应驱动马达的轴线偏转。控制系统包括有两个驱动电路、一个控制电路和两个传感电路，上游驱动马达1的驱动器接入一驱动电路，下游驱动马达3的驱动器接入另一驱动电路，上游驱动马达1安装的姿态传感器接入一传感电路，下游驱动马达3安装的姿态传感器接入另一传感电路，两个驱动电路和两个传感电路均与控制电路接入的主控芯片连接。其中，该控制系统的驱动电路、控制电路和传感电路均为现有技术。

将上游驱动马达1和下游驱动马达3同轴设置，当第一桨叶2和第二桨叶4运行时，通过主控芯片控制上游驱动马达1和下游驱动马达3同时且反向转动时，可有效地降低设备运行过程中的自旋问题，同时可增加单个推进器的推力，提高设备运动性能。第一桨叶驱动系统和第二桨叶驱动系统分别以上游驱动马达1和下游驱动马达3作为动力机，使得第一桨叶2和第二桨叶4可实现单独驱动控制，两者互不影响，不再采用现有共轴双桨结构的一系列机械传动系统，以极简的结构发挥同样的功能，尤其适合布置空间有限的推进器。姿态传感器可以是光学编码器或磁力编码器，可用于实时感知扭矩平衡情况并通过传感电路将电信号传达给控制电路的主控芯片，并由主控芯片将电信号由控制电路传达给驱动电路，以实时调整上游驱动马达1和下游驱动马达3的转速，从而保持姿态的一个动态平衡。

运转时，中轴8、桨叶紧固帽12、下游电机转子外壳13、整流罩9、第二桨叶4一同正转，第一桨叶2、上游驱动马达1的外转子和上游电机转子外壳14一同反转，推进器外壳5、主控舱6、马达支撑架7、上游驱动马达1和下游驱动马达3的定子、上游电机定子支架10和下游电机定子支架11固定不同。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上进一步提供了一种采用该共轴推进器动力系统的共轴双桨水下推进器，可抵消推进器沿桨叶旋转方向的自旋，获得更好的运动精度和更稳定的姿态的同时获得更加的推力，特别采用下述设置结构：

该种采用该共轴推进器动力系统的共轴双桨水下推进器，包括控制舱、推进器外壳5和实施例1中的共轴推进器动力系统。其中，本实施例中上游驱动马达1具体为无轴外转子无刷直流电机，下游驱动马达3具体为具有中轴8的内转子直流电机。推进器外壳5大致为一筒状结构件，形成有前后贯通的流道，在推进器外壳5的外侧设置有主控舱6，主控舱6作为推进器的固定架用于与控制舱固定连接，推进器外壳5通过主控舱6固定连接于控制舱。共轴推进器动力系统的机械机构整体设置在推进器外壳5内，下游驱动马达3的下游电机定子支架11和上游驱动马达1的上游电机定子支架10连接有马达支撑架7，整个共轴推进器动力系统通过马达支撑架7焊接固定于推进器外壳5的内壁处实现固定。共轴推进器动力系统的控制部分中的控制电路设置于控制舱内，驱动电路设置于主控舱6内，传感电路设置于相应的电机内。该共轴双桨水下推进器的各连接处均进过水密处理，且电机为防水电机。该共轴双桨水下推进器具有较短的轴向长度，并可在增加推力的同时抵消沿第二桨叶4旋转方向的自旋，不易造成结构机械疲劳，以提高水下设备的姿态稳定性和结构稳定性。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上进一步提供了一种共轴双桨飞行器，可抵消飞行器沿桨叶旋转方向的自旋，获得更好的运动精度和更稳定的姿态的同时获得更加的推力进一步的为更好的实现本实用新型，特别采用下述设置结构：

该种采用该共轴推进器动力系统的共轴双桨飞行器，包括一个飞行器主体和实施例1中的共轴推进器动力系统，共轴推进器动力系统一般竖向设置，上游驱动马达1位于下游驱动马达3的上方，下游驱动马达3的外壳固定安装于飞行器主体处实现整个共轴推进器动力系统的安装固定。该共轴双桨飞行器的推进器动力系统具有较短的轴向长度，并可在增加推力的同时抵消沿第二桨叶4旋转方向的自旋，不易造成结构机械疲劳，以提高姿态稳定性和结构稳定性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

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