基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置

1.本发明属于航母电磁弹射与阻拦技术领域，尤其是涉及一种基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置。


背景技术：

2.航母弹射与阻拦装置是航母上重要的航空保障特种装备。舰载机的弹射和着舰过程十分危险，为了使舰载机在有限长度的甲板上实现安全起飞和着舰，必须通过弹射和阻拦系统使舰载机在有限的距离内实现弹射起飞和停止。目前，现役航母弹射装置大多采用蒸汽弹射和电磁弹射。相比蒸汽弹射，电磁弹射拥有体积小、动力充足、损耗低和维护成本低等优点。电磁弹射主要有线圈弹射和直线电机弹射。然而线圈弹射和直线电机弹射具有结构复杂、占用空间大、可靠性低、成本高和维护难度大等缺点。
3.阻拦索系统大多采用液压缓冲式阻拦装置，例如美国现役航母上配置的mk7-3型阻拦装置，该阻拦装置由阻拦索、滑轮缓冲系统、阻拦机系统、钢索系统、钢索末端缓冲系统、定长冲跑控制系统、复位系统、油液冷却系统、阻拦索支撑系统等组成。另外，美国的“福特”级航母装备了以水涡轮机和感应电机为主要吸能部件的先进阻拦装置。然而，液压缓冲式阻拦装置存在结构复杂、重量大、可靠性低、控制困难、成本高和油液作功产生的大量热量严重影响密封件寿命与系统可靠性等缺点。以水涡轮机和感应电机为主的先进阻拦装置需要各个旋转构件共轴连接，因此该装置对装配精度要求较高。并且该装置也具有体积大、响应慢、结构复杂和可靠性低等缺点。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，以提供一种兼备弹射与拦截以及对装配精度要求低、体积小、可靠性高和响应迅速的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，包括双转子电机部分和电涡流制动器部分，所述电涡流制动器部分包括空心轴及其两侧对称安装的固定桩，每个固定桩外部固定套接一个电涡流制动器定子，电涡流制动器定子外部设有若干定子磁极，每个定子磁极外部均绕制电涡流制动器励磁线圈，定子磁极上还设有喷液孔；所述双转子电机部分包括自内向外依次套接的定子、内转子和外转子，外转子与内转子之间分别安装左励磁线圈和右励磁线圈，定子固定在非转动的空心轴上，内转子的内圈安装永磁体，定子的励磁绕组通过空心轴上的出线孔与外部电源实现连接；空心轴的两端分别安装一个电涡流制动器的转子，两个电涡流制动器的转子之间安装外转子，三者形成一体化构造。电涡流制动器的转子与电涡流制动器的定子之间设有气隙，使得电涡流制动器励磁线圈通电时形成磁路。
7.进一步的，所述电涡流制动器部分包括空心轴及其两侧固定安装的左固定桩和右
固定桩，右固定桩外部固定套接右电涡流制动器定子，左固定桩外部固定套接左电涡流制动器定子，左电涡流制动器定子外部设有若干左电涡流制动器的定子磁极，每个左电涡流制动器的定子磁极外部绕制一个左电涡流制动器的励磁线圈，左电涡流制动器的定子磁极上还设有喷液孔。
8.进一步的，所述左电涡流制动器的转子通过左转子支撑轴承固定连接至空心轴，右电涡流制动器的转子通过右转子支撑轴承固定连接至空心轴。
9.进一步的，所述永磁体镶嵌在内转子的内圈中，相邻的两个永磁体之间形成永磁体槽。
10.进一步的，所述内转子外部设有若干内转子凸极。
11.进一步的，所述固定桩下方设有水槽，上方设有公共水腔，水槽、公共水腔和喷液孔联通。
12.进一步的，所述定子与内转子之间设有第一气隙；内转子与外转子之间设有第二气隙。
13.进一步的，所述空心轴上设有外转子电机励磁绕组的出线孔。
14.进一步的，所述外转子为锥形鼓轮，且外表面设有导向槽。
15.相对于现有技术，本发明所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置具有以下优势：
16.(1)本发明所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，兼备弹射与拦截两种功能；并且采用储能双转子电机构造大幅度降低了电机的功率，尺寸和重量以及对电源的冲击；在弹射方面，与直线电机弹射和线圈弹射相比，该装置体积小、结构简单可靠、成本低、维护方便、控制简单、适用于不同规格的舰载机；在拦截方面，以水涡轮机和感应电机为主的先进阻拦装置相比，该装置通过将双转子电机、电涡流制动器和锥形鼓轮一体化单轴构造设计，大幅降低了装置的体积与重量以及对装配精度的要求。并且电涡流制动器转动惯量较小，通过调节励磁电流实现对制动力矩的控制，适用于不同规格的舰载机，具有结构简单可靠、响应迅速和控制简单、灵活等优点；相较于液压缓冲式阻拦装置，该装置具有体积小、重量轻、响应迅速、结构简单、可靠性高和无需密封等优势。
附图说明
17.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1为本发明实施例所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置的俯视图；
19.图2为图1的a-a向剖视图；
20.图3为图1的b-b向剖视图；
21.图4为图1的c-c向剖视图；
22.图5为图4中a部的放大图；
23.图6为本发明实施例所述的左电涡流制动器定子的示意图；
24.图7为本发明实施例所述的内转子的示意图；
25.图8为本发明实施例所述的右固定桩的示意图；
26.图9为本发明实施例所述的右固定桩的剖视图；
27.图10为本发明实施例所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置的弹射原理图一；
28.图11为本发明实施例所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置的弹射原理图二；
29.图12为本发明实施例所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置的阻拦原理图。
30.附图标记说明：
31.1-左固定桩；2-左电涡流制动器定子；3-左电涡流制动器的励磁线圈；4-左电涡流制动器的定子磁极；5-左电涡流制动器的转子；6-左固定筒；7-左励磁线圈；8-永磁体；9-励磁绕组；10-定子10；11-内转子；12-外转子；13-右励磁线圈；14-右固定筒；15-右电涡流制动器的转子；16-右电涡流制动器的励磁线圈；17-电涡流制动器的定子磁极；18-右电涡流制动器定子；19-右固定桩；20-右固定桩挡盖；21-右转子支撑轴承；22-内转子右支撑轴承；23-右水槽；24-连接板；25-左水槽；26-内转子左支撑轴承；27-左转子支撑轴承；28-左固定桩挡盖；29-空心轴；30-电涡流制动器磁路；31-喷液孔；32-公共水腔；33-内转子凸极；34-磁体槽；35-舰载机；36-弹射轨道；37-滑轮缓冲装置；38-弹射滑梭；39-钢索；40-制动弹射滑梭装置；41-舰载机尾钩；a-基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置。
具体实施方式
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
36.基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，如图1至图9所示，包括双转子电机部分和电涡流制动器部分，所述电涡流制动器部分包括空心轴29及其两侧对称安装的固定桩，每个固定桩外部固定套接一个电涡流制动器定子，电涡流制动器定子外部设有若干定子磁极，每个定子磁极外部均绕制电涡流制动器励磁线圈，定子磁极上还设
有喷液孔31；所述双转子电机部分包括自内向外依次套接的定子10、内转子11和外转子12，外转子12与内转子11之间分别安装左励磁线圈7和右励磁线圈13，定子10由硅钢片叠压而成，固定在非转动的空心轴29上，空心轴29的两端分别固定安装内转子左支撑轴承26、内转子右支撑轴承22，内转子左支撑轴承26、内转子右支撑轴承22之间固定安装内转子11，内转子11的内圈中固定安装永磁体8，电机定子的励磁绕组9通过空心轴29上的出线孔与外部电源实现连接；空心轴29的两端分别安装左电涡流制动器的转子5和右电涡流制动器的转子15，左电涡流制动器的转子5和右电涡流制动器的转子15之间安装外转子12，三者形成一体化构造。本发明所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，实现了双转子电机、电涡流制动器和锥形鼓轮一体化设计，大幅降低了装置的体积与重量和对装配精度的要求。并且采用储能双转子电机构造极大的降低了电机的功率，尺寸和重量以及对电源的冲击。电涡流制动器转动惯量较小，通过调节励磁电流实现对制动力矩的控制，适用于不同规格的舰载机，具有结构简单可靠、响应迅速和控制简单、灵活等优点。
37.优选的，左电涡流制动器的转子5通过左转子支撑轴承27固定连接至空心轴29，右电涡流制动器的转子15通过右转子支撑轴承21固定连接至空心轴29。
38.优选的，永磁体8镶嵌在内转子11的内圈中，相邻的两个永磁体8之间形成永磁体槽34。
39.内转子11外部设有若干内转子凸极33，电涡流制动器励磁线圈通电后，旋转的内转子可以使外转子内表面形成交替磁通，形成电涡流，依靠电涡流力使外转子旋转起来。
40.固定桩下方设有水槽，上方设有公共水腔，水槽、公共水腔和喷液孔31联通，形成散热通道，方便散热。
41.在一个或多个实施例中，所述电涡流制动器部分包括空心轴29及其两侧固定安装的左固定桩1和右固定桩19，右固定桩19外部固定套接右电涡流制动器定子18，左固定桩1外部固定套接左电涡流制动器定子2，左电涡流制动器定子2外部设有若干左电涡流制动器的定子磁极4，每个左电涡流制动器的定子磁极4外部绕制一个左电涡流制动器的励磁线圈3，左电涡流制动器的定子磁极4上还设有喷液孔31；同理，右电涡流制动器定子18外部设有若干右电涡流制动器的定子磁极17，每个右电涡流制动器的定子磁极17外部绕制一个右电涡流制动器的励磁线圈16，右电涡流制动器的定子磁极17上还设有喷液孔31。
42.左固定桩1和右固定桩19通过连接板24固定连接，右固定桩19下方设有右水槽23，上方设有公共水腔32。左固定桩1下方设有左水槽25，上方设有公共水腔32，水槽中的冷却液经过固定桩的内部水道进入公共水腔，之后经过电涡流制动器定子磁极上的喷液孔喷向制动器转子内表面，为电涡流制动器转子散热。
43.空心轴29的两端还固定安装固定桩挡盖，且固定桩挡盖20与固定桩齐平，防止左、右固定桩轴向移动和方便保护空心轴29，同时防止异物进入空心轴29。两侧的固定桩挡盖分别为右左固定桩挡盖20和左固定桩挡盖28。
44.空心轴29两侧还分别固定套接左固定筒6和右固定筒14，左励磁线圈7位于左固定筒6和外转子11之间，右励磁线圈13位于右固定筒14和外转子11之间，方便固定励磁线圈。
45.优选的，外转子12为锥形鼓轮，且外表面设有导向槽，设置导向槽可有效防止钢索38发生绞拧、缠绕和脱槽；外转子12为锥形鼓轮，是为了保证外转子12在舰载机弹射和阻拦时受力均匀。
46.空心轴29为固定非转动状态。空心轴29上设有外转子电机励磁绕组的出线孔。
47.定子10与内转子11之间设有第一气隙；内转子11与外转子12之间设有第二气隙；电涡流制动器的定子与电涡流制动器的转子之间设有气隙，即所述左电涡流制动器定子2与左电涡流制动器的转子5之间设有第三气隙，右电涡流制动器的定子18与右电涡流制动器的转子15之间设有第四气隙。
48.如图4和图5所示，当外部电源为左电涡流制动器的励磁线圈3和右电涡流制动器的励磁线圈16通电时，左电涡流制动器定子2、左电涡流制动器的转子5和第三气隙之间形成闭合的电涡流制动器磁路30；对应的，右电涡流制动器的定子18、右电涡流制动器的转子15和第四气隙之间也形成闭合的电涡流制动器磁路30。
49.基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置的应用过程为：
50.为了方便表述和标记，在以下附图中将基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置标记为a，
51.如图10和图11所示，为本发明所述的一种基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置的弹射原理图。
52.弹射准备阶段：双转子电机带动内转子11高速旋转储能，一定时间内转速达到预定值，并保持这一转速。舰载机35的前起落架固定在弹射轨道36中的弹射滑梭38上。
53.弹射阶段：通过外部电源为内转子11和外转子之间的左励磁线圈7、右励磁线圈13通电，在电涡流力作用下，内转子11的动能包括电机共同作用，以近乎恒转矩传递给外转子12，外转子12通过钢索39拖动弹射滑梭38为舰载机35起落架施加力，使舰载机35逐步加速直至弹射速度弹射出去。随后，内转子11和外转子12之间的左励磁线圈7、右励磁线圈13立即断电，左电涡流制动器的励磁线圈3、右电涡流制动器的励磁线圈16迅速通电，电涡流制动力使外转子12快速停止，同时弹射轨道36中的缓冲制动装置40使弹射滑梭38迅速停下。以此反复可实现连续弹射。为实现连续多次弹射，需将双转子电机飞轮重新加速到预定的速度待命，同时通过复位电机使钢索恢复到弹射起始状态。在弹射方面，本发明的方案与直线电机弹射和线圈弹射相比，该装置体积小、结构简单可靠、成本低、维护方便、控制简单、适用于不同规格的舰载机。
54.如图12所示，为本发明所述的一种基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置的拦截原理图。
55.首先钢索38恢复到拦截状态，在内转子11静止状态下，启动双转子电机使内转子11沿着舰载机35运动方向以一定的速度旋转。通过装配于滑轮缓冲装置37的压力传感器检测舰载机尾钩41是否钩索。当舰载机尾钩41成功钩索后，双转子电机的内转子11和外转子12之间的左励磁线圈7、右励磁线圈13快速通电，短时间内使外转子12按照舰载机35运动方向放索，以减小外转子12和钢索38对舰载机35的冲击。一定时间后，内转子11和外转子12之间的左励磁线圈7、右励磁线圈13断电，同时电涡流制动器通入励磁电流进入制动模式，使舰载机35逐步减速直至停止。以此反复，可以实现连续拦截。在拦截方面，以水涡轮机和感应电机为主的先进阻拦装置相比，本方案的装置通过将双转子电机、电涡流制动器和锥形鼓轮一体化单轴构造设计，大幅降低了装置的体积与重量以及对装配精度的要求。并且电涡流制动器转动惯量较小，通过调节励磁电流实现对制动力矩的控制，适用于不同规格的舰载机，具有结构简单可靠、响应迅速和控制简单、灵活等优点。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：包括双转子电机部分和电涡流制动器部分，所述电涡流制动器部分包括空心轴及其两侧对称安装的固定桩，每个固定桩外部固定套接一个电涡流制动器定子，电涡流制动器定子外部设有若干定子磁极，每个定子磁极外部均绕制电涡流制动器励磁线圈；所述双转子电机部分包括自内向外依次套接的定子、内转子和外转子，外转子与内转子之间安装左励磁线圈和右励磁线圈，定子固定在非转动的空心轴上，内转子的内圈安装永磁体，定子的励磁绕组通过空心轴上的出线孔与外部电源实现连接；空心轴的两端分别安装一个电涡流制动器的转子，两个电涡流制动器的转子之间安装外转子，三者形成一体化构造，电涡流制动器的转子与电涡流制动器的定子之间设有气隙，使得电涡流制动器励磁线圈通电时形成磁路。2.根据权利要求1所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：所述电涡流制动器部分包括空心轴及其两侧固定安装的左固定桩和右固定桩，右固定桩外部固定套接右电涡流制动器定子，左固定桩外部固定套接左电涡流制动器定子，左电涡流制动器定子外部设有若干左电涡流制动器的定子磁极，每个左电涡流制动器的定子磁极外部绕制一个左电涡流制动器的励磁线圈，左电涡流制动器的定子磁极上还设有喷液孔。3.根据权利要求2所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：左电涡流制动器的转子通过左转子支撑轴承固定连接至空心轴，右电涡流制动器的转子通过右转子支撑轴承固定连接至空心轴。4.根据权利要求1所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：永磁体镶嵌在内转子的内圈中，相邻的两个永磁体之间形成永磁体槽。5.根据权利要求1所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：内转子外部设有若干内转子凸极。6.根据权利要求1所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：固定桩下方设有水槽，上方设有公共水腔，水槽、公共水腔和喷液孔联通。7.根据权利要求1所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：定子与内转子之间设有第一气隙；内转子与外转子之间设有第二气隙。8.根据权利要求1所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：空心轴上设有外转子电机励磁绕组的出线孔。9.根据权利要求1所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，其特征在于：外转子为锥形鼓轮，且外表面设有导向槽。

技术总结
本发明提供了一种基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，包括双转子电机部分和电涡流制动器部分，电涡流制动器部分包括空心轴及其两侧对称安装的固定桩，固定桩外部套接电涡流制动器定子，电涡流制动器定子外部设有若干定子磁极，定子磁极外部绕制电涡流制动器励磁线圈，双转子电机部分包括自内向外依次套接的定子、内转子和外转子，外转子与内转子之间安装励磁线圈，定子固定在空心轴上，空心轴的两端分别安装一个电涡流制动器的转子，两个电涡流制动器的转子之间安装外转子，三者形成一体化构造。本发明所述的基于储能双转子电机的单轴构造航母电磁弹射与阻拦装置，对装配精度要求低、体积小、可靠性高。可靠性高。可靠性高。


技术研发人员：李德胜 赵童
受保护的技术使用者：清华大学天津高端装备研究院
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/6/3