[发明专利]一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置

说明书

本发明提供一种复合型Halbach阵列永磁体结构的水下机器人磁耦合装置，属于水下机器人推进器装置领域，特别是涉及一种可在全海深(海洋最深处，约11000米)大外压环境应用的磁耦合动力传递装置。该装置包括外转子永磁体部分、内转子永磁体部分、内转子永磁体保持架、外转子永磁体保持架和中间层隔离套。隔离套使电机输出轴由动密封转为静密封，通过隔离套内外的永磁体的磁耦合效应进行扭矩的传递，在全海深大外压环境下，隔离套的厚度较大，使内外层永磁体之间气隙增大，漏磁严重，动力传递损耗严重。本专利发明一种新型的Halbach阵列永磁体结构，该结构通过对磁路的优化增强气隙的磁感应强度，有效地降低了全海深环境下磁耦合动力传递装置的动力传递损耗。

技术领域

本发明涉及水下机器人推进器零渗漏磁耦合密封动力传递装置，尤其涉及一种复合型Halbach阵列永磁体结构的磁耦合动力传递装置，属于水下作业机器人推进器装置领域。

背景技术

自主式水下机器人等水下作业设备是现代海洋资源开发及海洋生物研究的重要工具，随着对水下机器人工作深度和作业环境复杂程度的不断提高，对其作业性能也提出了更高的要求。我国已完成了对马里亚纳海沟11000米深度的科考研究，自主式水下机器人在此深度下面临110MPa水压，外部海水在大外压环境下极易进入推进器内部，故解决推进器密封性问题已成为目前首要科研任务。

目前水下机器人传动轴密封途径主要有两种，应用较为广泛的是一种采用压力补偿式动密封技术的充油平衡式水下电机，在电机壳体内部充满油液并与一种活塞式结构的压力补偿器相连，利用活塞对海洋环境压力的自适应轴向移动，使壳体内部油压与外部水压相平衡，以阻止外部海水进入电机内部，其缺点是不能保证完全密封，且无法保证使用寿命、可靠性与稳定性。另外充油平衡式水下电机的外部高水压通过其压力平衡装置传递到电机各部件上，其内部轴承、支撑框架、电机轴、永磁体和动密封等零部件均承压发生微变形，使其传输效率大幅度降低。

另一种传动轴密封途径为非接触式的磁耦合密封方法，通过隔离套使电机及电机输出轴与外部海水实现完全物理隔离，电机扭矩通过隔离套内外的永磁体传递到螺旋桨，此方法可以充分保证结构的完全密封，且易维护，其缺点是全海深下隔离套较厚，导致传递扭矩损耗严重且效率较低。为了针对目前水下机器人推进器磁耦合密封结构的磁损大、效率低等问题，研制一种全海深环境下完全密封，且保证传递扭矩满足工作需求的磁耦合密封装置。

在中国专利“一种基于磁力耦合传动的深海电机及传动方法(公开号CN113765330 A)”中提到了一种基于磁力耦合传动的深海电机及其传动方法，其特点是耐压壳体隔离套可以抵抗外部压力，使得内部容纳腔处于低压环境，对内部电机等装置的选型条件大大降低。该设计较适合应用于对水压要求不高的浅水环境中，对于深水尤其是全海深环境需要考虑到隔离套的厚度不足以承受水压，若隔离套加厚会导致磁损很严重，使电机无法带动螺旋桨转动。在中国专利“大转矩大深度水下磁耦合传动装置及水下动力装备(公开号CN 211655974 U)”中提到了一种基于Halbach阵列永磁体的磁耦合传动方法，其特点是内外转子永磁体均采用相同充磁角度相同数量的90°充磁方向的Halbach阵列永磁体，能够在一定程度上提升磁耦合最大传递扭矩并提升效率。但全海深环境中不可避免的需要更厚的隔离套，且对磁耦合装置的有更高的要求，需继续对磁耦合装置进行优化，尤其是永磁体阵列方式，保证最大程度发挥出永磁体的性能，从而进一步提升最大传递扭矩。

发明内容

本发明的主要目的是为了实现水下机器人在全海深环境下，防止电机输出轴转动过程中外部海水通过输出轴进入到电机内部造成电机短路及电机零部件承压损坏，提供一种传递扭矩大、耐压、可长时间工作及不易故障的磁耦合密封动力传递装置。随着工作水深的增加，尤其是全海深环境下外部水压达到110MPa，此时磁耦合密封动力传递装置隔离套厚度较大，磁力损耗比较严重，电机扭矩输出到螺旋桨的效率较低，本发明通过对永磁体阵列结构的分析改进以及磁路的优化，提升最大输出扭矩和减少磁损，为水下机器人航行提供条件而提供一种水下机器人推进器磁耦合密封动力传递装置。