CN106428497B - 电磁流体表面矢量推进器及运用该推进器的水下装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁流体表面矢量推进器及运用该推进器的水下装置，包括励磁装置、表面电极、绝缘不导磁基座、电极开关、导线、和电源；励磁装置和表面电极以二维阵列的形式分布在电磁流体推进器表面；励磁装置磁场方向与推进器表面垂直，任意相邻的两个励磁装置的磁场方向相反；任意两个励磁装置之间有一个表面电极；每个表面电极均通过一个开关与电源相连接，一个电极开关具有三种工作状态，即与电源正极接通、与电源负极接通、和关断三种工作状态，且一个电极开关在同一时刻只能处于上述三种工作中的一种；电极可以工作在不接电源、接电源正极、和接电源负极三种工作状态中的一种；任意两个电极的独立工作。本发明的推进器具有矢量推力，可以实现沿任意方向的推力，进而实现横向移动、沿轴线翻滚和原地旋转等动作，极大提升了水下装置的运动灵活性。

Description

电磁流体表面矢量推进器及运用该推进器的水下装置

技术领域

本发明属于水下推进动力领域，涉及一种二维交叉阵列式电磁流体表面矢量推进器及运用该推进器的水下装置，适合于任意励磁方式、任意水下装置表面形状、任意励磁装置和表面电极数量的二维交叉阵列式电磁流体表面矢量推进器。

背景技术

在航海领域，螺旋桨推进器长期以来一直是船舶的主要推进工具，它具有结构简单、操作灵活、机动性能好、推进功率大和效率高等特点。然而，由于其本身结构而固有的缺陷却一直没有得到消除。螺旋桨推进器的螺旋桨和传动机构之间均为刚性连接,在工作时必然会产生振动和噪声，并且在螺旋桨叶片的尖端还会产生气泡，这些气泡不仅引起船尾的振动和噪声，还会导致叶片的剥蚀。螺旋桨的振动噪声和空泡现象使推进器的效率降低，从而限制了船速的提高。电磁流体推进是利用导电流体中电流和磁场间的相互作用力使导电流体运动而产生推力的一种推进方式。这种方式把导电流体作为导电体，利用磁体在通道中建立磁场，当导电流体中通过电流时(电流由电极或变化的磁场产生)，载流导电流体就会在与它垂直的磁场中受到电磁力的作用，其方向按照左手定则确定。导电流体受力时沿电磁力的方向运动，其反作用力即推力推进航行器运动。改变电流的大小和方向，可以相应改变电磁推力的大小和方向，航行器运动的方向也随之改变。航行器采用磁流体推进后，可以获得超低噪音、高航行速度、布局灵活等优点。

然而，传统的电磁流体表面推进技术，励磁装置的磁极和电极简单排列，因此产生的推力方向单一，导致水下装置的运动形式单一，限制了运动灵活性。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种具备超低噪声、超高可靠性和灵活性的二维交叉阵列式电磁流体表面矢量推进器及运用该推进器的水下装置。

技术方案：本发明公开了一种电磁流体表面矢量推进器，包括励磁装置、表面电极、绝缘不导磁基座、电极开关、导线、电源；励磁装置和表面电极以二维阵列的方式放置在不导磁基座上；励磁装置的磁场方向与推进器的外表面法向平行，相邻两个励磁装置的磁场方向相反，呈现出二维交叉阵列的形式；表面电极分布在推进器外表面上，与外界相接触；相邻的两个励磁装置之间有一个表面电极；任意一个表面电极均通过一个电极开关和导线与电源相连接。

本发明的励磁装置为永磁体、电励磁装置或混合励磁装置。

本发明的电极开关有三种工作状态，即关断状态、与电源正极相连接、与电源负极相连接，一个电极开关在同一时刻只能处于上述三种工作状态的一种；且各电极开关相互独立工作。

本发明的电源为电压源或电流源，且本发明的电源为交流电源或直流电源。

本发明的表面电极具有三种工作状态，即不通电、与电源正极连接、与电源负极连接，一个表面电极在同一时刻只能处于上述三种工作状态中的一种；且任意的两个表面电极相互独立工作。

本发明还公开了一种运用该电磁流体表面矢量推进器的水下装置，包括水下装置主体和推进器，该推进器设置在水下装置主体上配合完成运动包括前进模式、水平横向移动模式、加速上升移动模式、翻滚模式。

进一步的，本发明的推进器上的表面电极包括通电表面电极和未通电表面电极；

前进模式时，通电表面电极与其相邻的励磁装置所在的方位线与水下装置主体的轴线垂直；

水平横向移动模式时，通电表面电极位于水下装置主体的顶部和底部，通电表面电极与其相邻的励磁装置所在的方位线与水下装置主体的轴线平行；

加速上升移动模式运动时，通电表面电极位于水下装置主体的两侧，通电表面电极与其相邻的励磁装置所在的方位线与水下装置主体的轴线平行；

翻滚模式运动时，通电表面电极也位于水下装置主体的两侧，通电表面电极与其相邻的励磁装置所在的方位线与水下装置主体的水平轴线平行，通过控制通电表面电极的极性，使得两侧的推力方向相反，水下装置主体运动方向为沿水平轴线翻滚。

翻滚模式运动时，通电表面电极也可以位于水下装置主体的顶部和底部，分为位于头部的一组和位于尾部的一组，通电表面电极与其相邻的励磁装置所在的方位线与水下装置主体的竖直轴线平行，控制通电表面电极的极性，可以使得位于头部的推力方向与位于尾部的推力方向相反，水下装置主体的运动方向为沿轴线原地旋转。

有益效果：本发明提出了一种二维交叉阵列式电磁流体表面矢量推进器，通过对励磁装置和表面电极的巧妙排布，形成了一种具备矢量化推力的推进器，极大提高了水下运动装置的灵活性，可以获得诸如横向移动、翻滚、原地旋转等多种工作模式，为本发明在水下巡航和交通领域的应用提供了极大的前景。本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.传统的电磁流体推进技术仅能实现前进和后退两个方向上的推力，如果需获得方向可调的推力，则要借助推进器的机械运动来实现，且推力方向的可调范围受到限制，并显著削弱推进器的可靠性。而本发明的推进器，不需要借助机械运动，在维持推进器可靠性的前提下，仅通过调节表面电极的通电大小和正负即可实现矢量化的推力方向，即获得沿任意方向的推力，进而实现水下装置的横向移动，加速上升或下降等动作。例如，横向移动能力可以极大的减小水下装置对停靠空间、进出通道的形状和大小的要求。

2.本发明的推进器的矢量化推力，不仅局限于推进器的整体控制模式，还可应用于分块控制模式，即可以对推进器进行分块控制，以获得更大的运动灵活性。例如，将本发明的二维阵列式电磁流体表面矢量推进器布满水下装置外表面，当推进器前半部推力方向和后半部推力相反时，可以实现原地旋转动作，极大的减小了水下装置的转弯半径；当左侧的推力向上，而右侧的推力向下时，可以实现沿轴线的翻滚动作，可用来协助维持水下装置的平衡姿态。

3.本发明的电磁流体推进器无需使用强大的脉冲励磁电流或是超导体，进而避免了对大功率电磁脉冲等特殊电源的要求，实现难度低，且安全性高。

4.本发明的电磁流体推进器中任意的两个励磁装置和二者之间的表面电极可以构成一个推进器单元，各推进器单元之间相互独立，任意部位的损坏均不影响其余部位继续运行，因此具有极高的容错性能和冗余性能，即极高的可靠性。

5.本发明电磁流体推进器中，电磁推力分布式在水下装置的外表面，可有效避免传统集中式推力下水流易于被追踪的缺点，非常适合于需要超高静音和超低扰动的运行领域，例如潜艇或鱼群监测装置等。

6.本发明的电磁流体推进器中，当励磁装置采用永磁体时，进一步提高了系统效率，缓解了发热情况，降低了对电源容量的需求。

7.本发明的电磁流体推进器中，励磁装置和表面电极等关键发热部件与周围环境直接接触，提高了系统散热效率。

8.本发明的电磁流体推进器可采用模块化的加工方式，加工难度低、易于装配。尤其是可维护性高，在维修时仅需替换损坏部位，维修成本低、时间短。

综合上述可知，本发明的电磁流体推进器在水下巡航、交通、监测领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的二维交叉阵列式电磁流体表面矢量推进器示意图，其中有：励磁装置1、表面电极2、绝缘不导磁基座3、电极开关4、导线5、电源6。

图2是图1的俯视图，其中有励磁装置1、表面电极2、绝缘不导磁基座3。

图3是本发明电磁流体推进器的工作原理示意图。

图4是前进移动模式和相应的电极通电方式、推力方向示意图。

图5是水平横向移动模式和相应的电极通电方式、推力方向示意图。

图6是加速上升模式和相应的电极通电方式、推力方向示意图。

图7是沿轴线翻滚模式和相应的电极通电方式、推力方向示意图。

图8是原地旋转模式和相应的电极通电方式、推力方向示意图。

具体实施方式

以如图1和图2所示的二维交叉阵列式电磁流体表面矢量推进器(下文中简称电磁流体推进器)为例，结合图3至图8所示的工作原理和运动模式，具体说明本发明的技术方案。

本发明的电磁流体推进器包括励磁装置1、表面电极2、绝缘不导磁基座3、电极开关4、导线5、电源6；励磁装置1和表面电极2以二维阵列的方式放置在不导磁基座3上；励磁装置1的磁场方向与推进器的外表面法向平行，相邻两个励磁装置1的磁场方向相反，呈现出二维交叉阵列的形式；表面电极2分布在推进器外表面上，与外界相接触；两个相邻的励磁装置1之间设有一个表面电极2；任意一个表面电极2均通过一个电极开关4、导线5与电源6相连接；所述电极开关4有三种工作状态，即关断状态、与电源6正极相连接、与电源6负极相连接；所述电极开关4相互独立工作。

此电磁流体推进器的励磁装置为永磁体、电励磁装置或混合励磁装置。

此电磁流体推进器的电源为电压源或电流源。

此电磁流体推进器的电源为直流电源或交流电源。

此电磁流体推进器的表面电极2具有三种工作状态，即不通电、与电源正极连接、与电源负极连接，一个表面电极在同一时刻只能处于上述三种工作状态中的一种。

此电磁流体推进器的任意两个表面电极2均相互独立工作。

图3所示是本发明电磁流体推进器的工作原理，根据洛伦兹力的产生原理，当励磁装置1的磁场方向和表面电极2的通电方式如图3所示时，可以产生沿Z轴负方向的洛伦兹力，此洛伦兹力推动周围水流运动，反作用力推动水下装置a沿Z轴正方向运动。

图4所示是前进模式，其中标号20为通电表面电极，21为未通电表面电极。此时，通电表面电极20与其相邻的励磁装置1所在的方位线与水下装置a的轴线垂直，因此根据图3所示的工作原理，此时产生的推力方向与水下装置a的轴线平行，于是水下装置a的运动方向也与轴线平行。通过改变通电表面电极20的电压大小和极性，可以改变电磁推力的大小和方向。

图5所示是水平横向移动模式。此时，通电表面电极20位于水下装置a的顶部和底部，通电表面电极20与其相邻的励磁装置1所在的方位线与水下装置a的轴线平行，因此根据图3所示的工作原理，通过合理控制通电表面电极20的极性，可以使得推力方向与水下装置a的轴线垂直，且与水平面平行，于是水下装置a的运动方向也与轴线垂直，呈现为水平横向移动模式。

图6所示是加速上升移动模式。此时，通电表面电极20位于水下装置a的两侧，通电表面电极20与其相邻的励磁装置1所在的方位线与水下装置a的轴线平行，因此根据图3所示的工作原理，合理控制通电表面电极20的极性，可以使得推力方向与水下装置a的轴线垂直，且与水平面垂直，于是水下装置a的运动方向也与轴线垂直，呈现为加速上升模式。

图7所示是沿轴线翻滚模式。此时，通电表面电极20也位于水下装置a的两侧，通电表面电极20与其相邻的励磁装置1所在的方位线与水下装置a的轴线平行，通过控制通电表面电极20的极性，可以使得两侧的推力方向相反，于是水下装置a运动方向为沿轴线翻滚。

图8所示，此时，通电表面电极20位于水下装置a的顶部和底部，可以分为位于头部的一组和位于尾部的一组，通电表面电极20与其相邻的励磁装置1所在的方位线与水下装置a的轴线平行，因此根据图3所示的工作原理，合理控制通电表面电极20的极性，可以使得位于头部的推力方向与位于尾部的推力方向相反，于是水下装置a的运动方向为沿图中所示轴线原地旋转。

本发明电磁流体装置的运动模式包括，但不限于图4至图8所示的运动模式。本发明的电磁流体推进器，通过巧妙的排布励磁装置和表面电极，非但可以获得沿任意方向的矢量化电磁推力，而且可以实现原地翻滚、旋转等动作，极大的拓展了水下装置的运动灵活性。

Claims (9)

1.电磁流体表面矢量推进器，其特征在于，该推进器包括励磁装置(1)、表面电极(2)、绝缘不导磁基座(3)、电极开关(4)、导线(5)、电源(6)；所述的励磁装置(1)和表面电极(2)以二维阵列的方式放置在绝缘不导磁基座(3)上；所述励磁装置(1)的磁场方向与推进器的外表面法向平行，相邻两个励磁装置(1)的磁场方向相反，呈现出二维交叉阵列的形式；所述表面电极(2)分布在推进器外表面上，与外界相接触；两个相邻的励磁装置(1)之间设有一个表面电极(2)；任意一个所述表面电极(2)均通过一个电极开关(4)和导线(5)与电源(6)相连接；所述电极开关(4)有三种工作状态，即关断状态、与电源(6)正极相连接、与电源(6)负极相连接；所述电极开关(4)相互独立工作。

2.根据权利要求1所述的电磁流体表面矢量推进器，其特征在于：所述的励磁装置(1)为永磁体、电励磁装置或混合励磁装置。

3.根据权利要求1所述的电磁流体表面矢量推进器，其特征在于：所述的电源(6)为电压源或电流源。

4.根据权利要求1所述的电磁流体表面矢量推进器，其特征在于：所述的电源(6)为直流电源或交流电源。

5.根据权利要求1所述的电磁流体表面矢量推进器，其特征在于：一个所述表面电极(2)具有三种工作状态，即不通电、与电源正极连接、与电源负极连接，一个表面电极(2)在同一时刻只能处于上述三种工作状态中的一种。

6.根据权利要求1所述的电磁流体表面矢量推进器，其特征在于：任意两个表面电极(2)均相互独立工作。

7.运用权利要求1所述的电磁流体表面矢量推进器的水下装置，其特征在于：包括水下装置主体和推进器，该推进器设置在水下装置主体上配合完成运动包括前进模式、水平横向移动模式、加速上升移动模式、翻滚模式。

8.根据权利要求7所述的运用电磁流体表面矢量推进器的水下装置，其特征在于：所述推进器上的表面电极(2)包括通电表面电极(20)和未通电表面电极(21)；前进模式时，通电表面电极(20)与其相邻的励磁装置(1)所在的方位线与水下装置主体的轴线垂直；水平横向移动模式时，通电表面电极(20)位于水下装置主体的顶部和底部，通电表面电极(20)与其相邻的励磁装置(1)所在的方位线与水下装置主体的轴线平行；加速上升移动模式运动时，通电表面电极(20)位于水下装置主体的两侧，通电表面电极(20)与其相邻的励磁装置(1)所在的方位线与水下装置主体的轴线平行；翻滚模式运动时，通电表面电极(20)也位于水下装置主体的两侧，通电表面电极(20)与其相邻的励磁装置(1)所在的方位线与水下装置主体的水平轴线平行，通过控制通电表面电极(20)的极性，使得两侧的推力方向相反，水下装置主体运动方向为沿水平轴线翻滚。

9.根据权利要求8所述的运用电磁流体表面矢量推进器的水下装置，其特征在于：所述的翻滚模式运动时，通电表面电极(20)位于水下装置主体的顶部和底部，分为位于头部的一组和位于尾部的一组，通电表面电极(20)与其相邻的励磁装置(1)所在的方位线与水下装置主体的竖直轴线平行，控制通电表面电极(20)的极性，使得位于头部的推力方向与位于尾部的推力方向相反，水下装置主体的运动方向为沿轴线原地旋转。