CN104906800A - 一种压电喷水推进系统及安装此系统的玩具船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电喷水推进系统及安装此系统的玩具船，在一定程度上改善了传统的推进系统其机械传动机构比较复杂，体积庞大，重量大的缺点。压电喷水推进系统包括电池仓，电子仓以及压电喷水推进器。电池仓中设置有能够为电子仓供电的电池组，电子仓中设有用于驱动压电喷水推进器的驱动电路。驱动电路对压电喷水推进器中的压电陶瓷施加电场，使其产生高频振动，将电能转换为机械振动作用于水推动船体前进。本发明具有结构简单、体积小巧，重量轻，性能稳定，低噪声，并且运行平稳的特点。

Description

一种压电喷水推进系统及安装此系统的玩具船

技术领域

本发明属于水下推进系统领域，涉及一种高频电子设备，具体涉及一种压电喷水推进系统及安装此系统的玩具船。

背景技术

喷水推进装置是一种新型的特种动力装置，典型的喷水推进装置结构主要由原动机及传动装置、推进水泵、管道系统等组成。推进水泵是喷水推进装置的核心部件，通常选用叶片泵中的轴流泵和导叶式混流泵。推进水泵自船底吸水管道吸进水流，从喷水管道高速喷出，获得水流的反作用力，推动船艇前进。喷水推进装置的推进水泵的叶轮工作在均匀的流场中，并且能有效地利用来流的冲压，因而可以在高速范围内有更好的抗空泡性能，从而使舰船的最高航速可达到很高。喷水推进装置同时具有很好的机动性和操纵性，使得其在滑行艇、穿浪艇、水翼艇、气垫船等中、高速船舶上得到较多的应用。但是，传统的喷水推进器机械结构复杂，体积庞大，重量大，更换推进水泵的叶轮较为复杂，而且在航行过程中产生的空气辐射噪声仍较大。而目前国内外水下高速航行器的研究趋势是体积小型化、航行隐形化以及制导精确化。因此研制出一种体积小、控制精度高、噪声低的的喷水推进装置是该领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电喷水推进系统及安装此系统的玩具船，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明结构简单、体积小巧，重量轻，性能稳定，低噪声，并且运行平稳。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种压电喷水推进系统，包括电池仓，电池仓通过电线连接电子仓，电子仓通过电线连接压电喷水推进器，电池仓中设置有能够为电子仓供电的电池组，电子仓中设有用于驱动压电喷水推进器的驱动电路。

进一步地，驱动电路包括DC-DC升压电路：用于将电池组的电压进行升压；遥控接收模块：用于接收遥控发射模块发出控制信号；控制电路：通过遥控接收模块接收的控制信号控制DC-DC升压电路进行升压；振荡电路：用于将DC-DC升压电路升压后的直流稳压电转换为高频机械振动。

进一步地，DC-DC升压电路包括芯片TL494与芯片IR2110；控制电路包括芯片STC89C52与芯片PCF8591。

进一步地，压电喷水推进器包括导流壳，导流壳的一端通过环状格栅型连接套连接能够导电的密封仓，导流壳的另一端设有喷水口，所述环状格栅型连接套与密封仓之间形成若干连通导流壳的进水口，密封仓的开口端设有能够通过振荡电路产生振动的压电陶瓷片，压电陶瓷片与密封仓之间形成密封空间，压电陶瓷片与导流壳之间形成振动仓。

进一步地，压电陶瓷片位于密封空间的一侧的中部设有导电镀层，作为正极，位于振动仓的一侧的整个表面设有导电镀层，作为负极，正极与振荡电路的正极连接，负极与振荡电路的负极连接。

进一步地，圆形导电镀层的外侧设有绝缘的密封圈，环形导电镀层上覆盖有能够导电的环形压紧块，环形压紧块紧贴密封仓。

进一步地，环状格栅型连接套与密封仓上设有贯通的引线仓，振荡电路的正极通过引线仓连接至圆形导电镀层，振荡电路的负极通过引线仓连接至密封仓。

一种安装压电喷水推进系统的玩具船，电池仓和电子仓安装在船体内部；压电喷水推进器为一个或两个，当压电喷水推进器为一个时，压电喷水推进器设置在船体尾部的下方；当压电喷水推进器为两个时，压电喷水推进器对称设置在船体尾部的下方或对称设置在船体后部的两侧。

进一步地，电池组为锂电池组，锂电池组电压为6～12v，DC-DC升压电路能够将电池组电压升至14v、18v、22v、26v或30v。

进一步地，振荡电路产生的高频振动为0.5MHz～2MHz；遥控接收模块与遥控发射模块采用2.4GHz波段。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的压电喷水推进系统取消了传统的螺旋桨、轴系、减速齿轮机构，系统包括用于提供电源的电池仓，用于驱动动力装置的电子仓以及作为动力装置的压电喷水推进器，极大地简化了结构，缩小了体积，减少了重量，降低了噪声。

进一步地，本发明通过采用DC-DC升压电路对电路升压幅度的调节来控制整个船体的功率输出来控制船行驶的速度，操作简便、灵活。

进一步地，压电喷水推进器包括能够产生高频振动的压电陶瓷片，通过对压电陶瓷施加电场，使其产生高频振动，将电能转换为机械振动，利用了压电效应中对电介质的极化方向上施加电场，这些电介质就会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失的原理，当提供电压高时压电陶瓷片振动幅度大，对水产生了较大的向后作用力，即通过控制整个船体的功率输出来控制船行驶的速度。

进一步地，通过在压电陶瓷片的两个面上的不同位置设置导电镀层，方便压电陶瓷片与振荡电路的连接，结构简单。

本发明的玩具船设有一个或两个压电喷水推进器，当使用一个时，压电喷水推进器通过喷出水的反作用力为船体提供动力，当使用两个时，其中一个提供高电压使其获得高速，另一个提供低电压使其获得较低的速度，这样就可以很好的控制船体的转向。

进一步地，DC-DC升压电路能够将电池组电压升至14v、18v、22v、26v或30v，可以对船体速度进行灵活调节，操作方便。

附图说明

图1为本发明压电喷水推进器单发动机船尾底部安装示意图；

图2为本发明压电喷水推进器双发动机船尾底部对称安装示意图；

图3为本发明压电喷水推进器双发动机船体后部两侧对称安装示意图；

图4为本发明的电池仓，电子仓和压电喷水推进器的连接示意图；

图5为本发明中压电喷水推进器剖面示意图；

图6为本发明中压电喷水推进器立体示意图；

图7为本发明中压电喷水推进器立体剖面示意图；

图8为本发明中压电陶瓷片电路连线示意图；

图9为本发明中压电喷水推进遥控船的原理框图；

图10为本发明中控制电路的电路原理图；

图11为本发明中DC-DC升压电路的电路原理图；

图12为本发明中振荡电路的电路原理图。

其中，1、电池仓；2、电子仓；3、压电喷水推进器；4、船体；301、密封仓；302、密封圈；303、压电陶瓷片；3031、正极；3032、负极；304、环形压紧块；305、环状格栅型连接套；306、导流壳；307、引线仓；308、进水口；309、喷水口；310、振动仓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1至图9，本发明的压电喷水推进器系统包括电池仓1、电子仓2以及压电喷水推进器3，电池仓1通过电线连接电子仓2，电子仓2通过电线连接压电喷水推进器3，电池仓1中设置有能够为电子仓2供电的电池组，电子仓2中设有用于驱动压电喷水推进器3的驱动电路，驱动电路包括用于将电池组的电压进行升压的DC-DC升压电路；用于接收控制信号的遥控接收模块，其中控制信号通过遥控发射模块发出；通过遥控接收模块接收的控制信号控制DC-DC升压电路进行升压的控制电路以及将DC-DC升压电路升压后的直流稳压电转换为高频机械振动的振荡电路，所述DC-DC升压电路由锂电池组产生的7.4v直流电电源升至14v、18v、22v、26v、30v；所述控制电路由遥控接收电路输入控制指令，对DC-DC升压电路进行控制使其达到所要求的电压；所述遥控接收电路将遥控发射电路发射的指令进行接收；所述振荡电路将DC-DC升压后的直流稳压电信号转换为0.5MHz～2MHz高频振动，通过换能器将电信号转变为机械高频振动。

实施例1

如图1所示，本实施例在船体4尾部下侧设有一个压电喷水推进器3。如图4所示，压电喷水推进系统包括电池仓1，电子仓2和压电喷水推进器3。电池仓1与电子仓2在船体内部，电池仓1通过连接电线与电子仓2里的推进器驱动电路连接，电池仓1里面装有可充电锂电池组，锂电池组为整个压电推进装置供电。电子仓2通过电线经过引线仓307与压电喷水推进器3相连，且压电喷水推进器3通过引线仓307与船体4固定。电子仓2内部的驱动电路驱动压电喷水推进器3里的压电陶瓷片303，使其产生0.5MHz～2MHz的高频振动作用于振动仓310中的水，使其向后从喷水口309喷出以推动船体4向前。

如图5所示，本发明的压电喷水推进器3包括锥形的导流壳306，导流壳311尾部是喷水口，导流壳306左端装有环状隔栅型连接套305，隔栅型连接套305上开有圆柱形引线仓307，引线仓307固定于船体4尾部，隔栅型连接套305与压电喷水推进器3左端的密封仓301相连，密封仓301内为压电陶瓷片303，压电陶瓷片303左侧为O型橡胶密封圈302，压电陶瓷片303右侧有环形压紧块304，在环状隔栅型连接套305内部有可以使水流入导流壳306内部的进水口308。

如图8所示，本发明的压电喷水推进器3的核心部件压电陶瓷片303电路连线示意图，压电陶瓷片303为复合材料，双面镀层。压电陶瓷片303左侧为正极3031，只在中间电镀铜，两头与密封仓301壳体接触的地方没有导电镀层，导线一端连接镀层，另一端通过引线仓307外接。压电陶瓷片303右侧为负极3032，在右侧的整个表面电镀一层铜，使其与密封仓301壳体直接导通，所以只需在密封仓301壳体上接上导线并通过引线仓307向外导通。

如图6所示，是本发明的压电喷水推进器3的整体外观机械图，可以直观看到三个构成部件：密封仓301，环状隔栅型连接套305以及导流壳306，环状隔栅型连接套305是一个环状部件，主要起到两个作用，一是通过螺纹连接的方式连接了密封仓301与导流壳306。另外就是作为进水口，其与密封仓301连接处有四个孔洞使水得以流入振动仓310。

如图7所示，是本发明的压电喷水推进器3的剖面图，内部包括密封仓301、环状隔栅型连接套305、环形压紧块304、压电陶瓷片303、O型橡胶密封圈302以及导流壳306。

本实施例中船体推进的原理是：现实中船在水面行驶时，水流通过环状隔栅型连接套305上的进水口308流入锥形导流壳306内部的振动仓310，压电陶瓷片303振动产生的高频振动能量作用于流入锥形导流壳306内部的水流，使其受到向后的力。最终水流从锥形导流壳306尾部的喷水口309喷出，推动船体4前进。

如图9给出了本发明压电喷水推进遥控船的原理框图，锂电池组为整个系统提供直流电压源，7.4v的直流电压并通过控制电路控制所需升压的幅度，经过DC-DC升压电路的转换输出所需要的直流电压14v、18v、22v、26v、30v。经过升压后的直流电压连接到振荡电路。振荡电路将升压后的直流电压转换为0.5MHz～2MHz的正弦信号，驱动压电陶瓷产生高频振动并作用于水。控制电路通过对电路升压幅度的调节来控制压电陶瓷的振动幅度，当提供电压高时，振动幅度大，对水产生较大的向后作用力，即通过控制整个船体的输出功率来控制船行驶的速度。使用者通过操作无线遥控器，使遥控发射模块实时的向遥控接收模块发射需要的控制信号，遥控接收模块接收到控制信号并传给控制电路，实现了远程控制功能。

如图10所示，本实施例的控制电路由集成电路U1、集成电路U2、电阻R1、R2、电容C1～电容C3、按钮S1～按钮S3、晶振Y1连接构成。集成电路U1的型号为STC89C52，集成电路U2的型号为PCF8591，晶振Y1的一端分别接至集成电路U1的19引脚和电容C14的一端，晶振Y1的另一端分别接至集成电路U1的18引脚和电容C2的一端，电容C1和电容C2的另一端共同接地，电阻R1的一端接集成电路U1的9脚，电阻R1的另一端通过按钮S1接至5v电源的正极，电容C3的正极接至5v电源正极，电容C3的负极与集成电路U1的9脚相连，电阻R2的一端与集成电路U3的9脚相连，电阻R2的另一端接地。集成电路U1的20脚接地，40脚接至5v电源。按钮S2与按钮S3并联同时一端与集成电路U1的39脚相连，另一端与U2的2脚相连。集成电路U2的5，6，7，8脚相互连接并接地，12，13脚相互连接并接地。14，16脚接5v电源。15脚接端口P1。

如图11所示，本实施例的DC-DC电路由集成电路U3、集成电路U4、电阻R3～电阻R10、电容C4～电容C11、mosfet管Q1、二极管D1、二极管D2、电感L1连接构成。集成电路U1的型号为TL494，集成电路U2的型号为IR2110，mosfet管Q1的型号为IRF840，R3为滑动变阻器，D2为快速回复二极管。集成电路U1的1脚接端口P1，集成电路U1的8脚、11脚和12脚接15v电源正极，集成电路U1的6脚通过可变电阻R3并与集成电路U1的5脚通过电容C4以及集成电路U1的4脚、7脚相连并接地，集成电路U1的2脚与3脚相连，集成电路U1的13脚、16脚接地，集成电路U1的14脚通过电容C5接至15脚并与电阻R4一端相连，电阻R4另一端接地，集成电路U1的10脚接至9脚并与电容C6、电阻R5一端相连并通过电阻R6和集成电路U2的10脚相连，电容C6和电阻R5的另外一端共同接地，集成电路U2的11脚、12脚和13脚相连接至2脚并接地，集成电路U2的9脚接3脚并接至15v电源正极，电容C8与C9并联同时一端与集成电路U2的3脚相连并通过二极管D1接至集成电路U2的6脚，电容C8与C9的另一端接地。电容C7的一端与集成电路U2的6脚相连，另一端与集成电路U2的5脚相连，电阻R8的一端和mosfet管Q1的源级相连，电阻R8的另一端接至集成电路U2的1脚，电阻R7一端口接至mosfet管Q1的栅极，电阻R7另一端通过电阻R8并接地。电阻R9与电阻R10、电容C10、电容C11并联同时一端接地，另一端通过二极管D2与mosfet管Q1的漏极相连。电感L1一端接至5v电源，另一端与mosfet管Q1的漏极相连。C11一端接端口P2。

如图12所示，本实施例的振荡电路由电阻R11～电阻R20、电容C12～电容C17、mosfet管Q2、mosfet管Q3，二极管D3、二极管D4、电感L2～电感L4，压电陶瓷片X1连接构成。mosfet管Q2的型号为2N5410，mosfet管Q3的型号为BU406，R15、R16为滑动变阻器，D2为发光二极管，D2二极管型号为R107。端口P2通过电容C12接地。电阻R11一端接端口P2，另一端接mosfet管发射极。mosfet管集电极通过发光二极管D3接地。电阻R13通过R15与R12并联，一端同时接mosfet管基极、电阻R14以及端口P2，另一端与可变电阻R16、电阻R17、电阻R18相连。电阻R14与电阻R18的另一端接地。电容C13一端接端口P2，另一端分别与可变电阻R16、电阻R17、电感L2一端相连。电感L2另一端通过R19，R20接到mosfet管Q3的基极，同时通过电容C16接到端口P2。压电陶瓷片X1一端接端口P2，另一端通过电容C14、电容C15、电感L3接地，二极管D4通过电感L4与电容C17并连，其一端接到端口P2另一端通过电感L3接地。

实施例2

如图2所示，实施例在船体4尾部下方对称设有两个压电喷水推进器3。压电喷水式推进系统包括电池仓1，电子仓2和压电喷水推进器3。电池仓1与电子仓2在船体内部，电池仓1通过连接电线与电子仓2里的驱动电路连接，电池仓1里面装有可充电锂电池组，锂电池组为整个压电推进装置供电。电子仓2通过电线经过引线仓307与压电喷水推进器3相连，且压电喷水推进器3通过引线仓307与船体4固定。电子仓2内部的驱动电路驱动压电推进器3里的压电陶瓷片303，使其产生0.5MHz～2MHz的高频振动作用于水，使其向后喷出推动船体向前。

锂电池组为整个系统提供直流电压源，7.4v的直流电压并通过控制电路控制所需升压的幅度，经过DC-DC升压电路的转换输出所需要的直流电压14v、18v、22v、26v、30v。经过升压后的直流电压连接到振荡电路。振荡电路将升压后的直流电压转换为0.5MHz～2MHz的正弦信号，驱动压电陶瓷产生高频机械振动并作用于水。控制电路通过对电路升压幅度的调节来控制压电陶瓷的振动幅度，当提供电压高时振动幅度大，对水产生较大的向后作用力，即通过控制整个船体的输出功率来控制船行驶的速度。通过对双发动机其中一个提供高电压使其获得较高的速度，另一个发动机提供低电压使其获得较低的速度，这样就可以很好的控制船体的转向。使用者通过操作无线遥控器，使遥控发射模块实时的向遥控接收模块发射需要的控制信号，遥控接收模块接收到控制信号并传给控制电路，实现了远程控制功能。

实施例3

如图3所示，本实施例在船体后部两侧设有两个压电喷水式推进器3。锂电池组为整个系统提供直流电压源，7.4v的直流电压并通过控制电路控制所需升压的幅度，经过DC-DC升压电路的转换输出所需要的直流电压14v、18v、22v、26v、30v。经过升压后的直流电压连接到振荡电路。振荡电路将升压后的直流电压转换为0.5MHz～2MHz的正弦信号，驱动压电陶瓷产生高频机械振动并作用于水。控制电路通过对电路升压幅度的调节来控制压电陶瓷的振动幅度，当提供电压高时振动幅度大，对水产生了更大的向后作用力，即通过控制整个船体的功率输出来控制船行驶的速度。通过对双发动机其中一个提供高电压使其获得高速，另一个发动机提供低电压使其获得较低的速度，这样就可以很好的控制船体的转向。使用者通过操作无线遥控器，使遥控发射模块实时的向遥控接收模块发射需要的控制信号，遥控接收模块接收到控制信号并传给控制电路，得已实现了远程控制功能。

Claims (10)

1.一种压电喷水推进系统，其特征在于，包括电池仓（1），电池仓（1）通过电线连接电子仓（2），电子仓（2）通过电线连接压电喷水推进器（3），电池仓（1）中设置有能够为电子仓（2）供电的电池组，电子仓（2）中设有用于驱动压电喷水推进器（3）的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的一种压电喷水推进系统，其特征在于，驱动电路包括DC-DC升压电路：用于将电池组的电压进行升压；遥控接收模块：用于接收遥控发射模块发出控制信号；控制电路：通过遥控接收模块接收的控制信号控制DC-DC升压电路进行升压；振荡电路：用于将DC-DC升压电路升压后的直流稳压电转换为高频机械振动。

3.根据权利要求2所述的一种压电喷水推进系统，其特征在于，DC-DC升压电路包括芯片TL494与芯片IR2110；控制电路包括芯片STC89C52与芯片PCF8591。

4.根据权利要求2所述的一种压电喷水推进系统，其特征在于，压电喷水推进器（3）包括导流壳（306），导流壳（306）的一端通过环状格栅型连接套（305）连接能够导电的密封仓（301），导流壳（306）的另一端设有喷水口（309），所述环状格栅型连接套（305）与密封仓（301）之间形成若干连通导流壳（306）的进水口（308），密封仓（301）的开口端设有能够通过振荡电路产生振动的压电陶瓷片（303），压电陶瓷片（303）与密封仓（301）之间形成密封空间，压电陶瓷片（303）与导流壳（306）之间形成振动仓（310）。

5.根据权利要求4所述的一种压电喷水推进系统，其特征在于，压电陶瓷片（303）位于密封空间的一侧的中部设有导电镀层，作为正极（3031），位于振动仓（310）的一侧的整个表面设有导电镀层，作为负极（3032），正极（3031）与振荡电路的正极连接，负极（3032）与振荡电路的负极连接。

6.根据权利要求5所述的一种压电喷水推进系统，其特征在于，圆形导电镀层的外侧设有绝缘的密封圈（302），环形导电镀层上覆盖有能够导电的环形压紧块（304），环形压紧块（304）紧贴密封仓（301）。

7.根据权利要求5所述的一种压电喷水推进系统，其特征在于，环状格栅型连接套（305）与密封仓（301）上设有贯通的引线仓（307），振荡电路的正极通过引线仓（307）连接至圆形导电镀层，振荡电路的负极通过引线仓（307）连接至密封仓（301）。

8.一种安装权利要求2～7任一项所述的压电喷水推进系统的玩具船，其特征在于，电池仓（1）和电子仓（2）安装在船体（4）内部；压电喷水推进器（3）为一个或两个，当压电喷水推进器（3）为一个时，压电喷水推进器（3）设置在船体（4）尾部的下方；当压电喷水推进器（3）为两个时，压电喷水推进器（3）对称设置在船体（4）尾部的下方或对称设置在船体（4）后部的两侧。

9.根据权利要求8所述的一种安装压电喷水推进系统的玩具船，其特征在于，电池组为锂电池组，锂电池组电压为6～12v，DC-DC升压电路能够将电池组电压升至14v、18v、22v、26v或30v。

10.根据权利要求8所述的一种安装压电喷水推进系统的玩具船，其特征在于，振荡电路产生的高频振动为0.5MHz～2MHz；遥控接收模块与遥控发射模块采用2.4GHz波段。