CN108275255A - 一种潜航器表面磁流推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种潜航器表面磁流推进系统，属于潜航器动力技术领域。包括磁条、推水面、正电极条、负电极条、电极条基座层、磁钉。推水面里面设置电极条基座层，在该电极条基座层上嵌入正电极条和负电极条，电极条平行排列，正、反电极条间隔之间设置有磁钉；海水构成负载，电极线与对偶极板条之间推水面里的海水，推水面的下方有磁钉，磁力线垂直于推水面，磁场中的海水在通电的情况下，产生一个劳伦兹力，推动海水运动，推水面密集布满了整个潜航器表面，将潜航器表面水的阻力转变为潜航器表面水的推动力，推动潜航器运动，可以避免深海断崖，彻底改变潜航器的推进方式，更为节能，从原理上彻底消除了潜航器噪声的来源，极具发展潜力。

Description

一种潜航器表面磁流推进系统

技术领域

本发明涉及一种潜航器表面磁流推进系统，属于潜航器技术领域。

背景技术

潜艇是潜航器的一种，潜艇的建造是一个重要的研究课题。潜艇主要是依靠声纳来进行搜索和作战的，因此即使是常规的柴电潜艇也需要在柴油发动机、主发电机、主电动机等设备上面装上防振胶皮和防震弹簧，来减少震动。对于核潜航器的噪音源主要有两个：一个是核反应的压水反应堆特有的主冷却泵，另一个则是主蒸汽涡轮的减速器。在目前所有潜航器中，都是采用螺旋桨进行推进的，而螺旋桨式无法取代的噪音源。目前来说，将涡轮每分钟数千转的高速旋转降到螺旋桨的数百转，也就是说要降低功率，除了使用金属齿轮以外还没有什么更好的办法。如果是小功率，如汽车那样的马力，则可以使用装备的各种自动油压变速器来进行调整。但对于1万马力以上机器来说，只有使用平齿轮减速器。这样齿轮与齿轮之间的磨擦就会产生尖锐的声音。此外，潜航器艇体上还有另外一个噪音源，即螺旋桨转动带来的噪音。如果旋转次数过多，就会发生气穴现象。这也.会产}生很大的噪音。螺旋桨在水中高速旋转的话，螺旋桨前进的方向(正面)就会因为螺旋桨翼而产生负压，特别是在翼端会产生气泡(空洞)，这种气泡发生破裂时会产生很大的声音。不仅如此，动力系统发生气穴现象的话，则推进效率也会降低；如果潜航器的速度降下来，则螺旋桨的转数就会随之下降，气泡现象会消失或减弱，噪音也会随之减小。因此，降低螺旋桨旋转速度的减速器是必要的。潜航器是以不产生气穴现象的速度，即任巡逻中静静航行的状态来测量杂音的。这个速度被称为战术速度，一般为5节到12节，根据螺旋桨的种类及加工的精度这个速度会发生变化。

从目前的情况来看，采用常规技术手段来消减潜航器噪声从原理上就无法实现噪声的消除，因此有必要采用全新的潜航器推进方式来提高潜航器的能源利用率以及降低噪声，如果不用螺旋桨进行推进，从理论上来讲，噪音可以降为零。在发明“一种潜航器外表面有推水沟槽的磁流推进系统”中，潜航器的表面的具有凹槽构以及环形支架结构，使得潜艇的表面结构复杂，容易滋生海洋生物，不易于清理，因此光滑表面结构才更为简洁，不容易滋生海洋藻类。

发明内容

本发明的目的在于提供一种潜航器光滑表面磁流推进系统，用于静音潜航器的推进。

本发明的技术方案是：一种潜航器光滑表面磁流体进系统由磁条（3）、推水面（4）、正电极条（6）、负电极条（7）、电极条基座层（8）、潜航器外壳层（9）、操控推杆（10）、磁钉固定基座条（11）、磁钉（12）构成；

潜航器的整个外表面铺设有推水面（4），推水面（4）里面设置电极条基座层（8），在该电极条基座层（8）上嵌入正电极条（6）和负电极条（7），正、负电极条为导电金属材料，正电极条（6）和负电极条（7）平行排列，正、反电极条间隔之间设置有磁钉（12），磁钉（12）嵌入到条状非金属材料的磁钉固定基座条（11）中，磁钉（12）排列构成磁条（3），磁条（3）相互平行排列，磁条极性排列顺序为 S-N-S-N-S-N-……，磁钉（12）为U型电磁铁，磁钉（12）外端面为磁极，磁极面紧贴推水面（4）的内里面，正电极条（6）和负电极条（7）的外端面露出在推水面（4）的外面，与海水直接接触，如图2所示。

潜航器（1）截面以中轴为准进行划分，将潜航器（1）的表面划分为上下左右四个分区，潜航器上边表面磁流推进面构成上动力区，潜航器下边表面磁流推进面构成下动力区，潜航器左边表面磁流推进面构成左动力区，潜航器右边表面磁流推进面构成右动力区；每个动力区域分别独立安装电动驱动系统，两个电动驱动系统结构相同，如图3所示。

驱动总体方案：该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对2组蓄电池进行充电，蓄电池串联，串联节点为E设置为地线，电源正极输出端为A，负极输出端为B，交流发电机经过整流和稳压之后同时为上动力区、下动力区、左动力区和右动力区供电（如图4所示），每一个动力区均有独立的控制电路，并设置倒档开关，通过改变线圈电流方向实现倒档。

动力控制：对于左、右动力控制电路而言，A端和B端之间串接2只可变电阻RⅠ和RⅡ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别由两个推杆来进行控制（参见图5），阻值范围0.1K~100K，A端并接电阻R2之后再串接N沟道MOS场效应管的漏极D，该P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端，该N沟道MOS场效应管的源极S连接下方的P沟道MOS场效应管的漏极D之后接地；下方的P沟道MOS场效应管的源极S端连接电阻R3上端，电阻R3下端连接电源负极B，下方P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端；

可变电阻RⅠ构成潜航器（1）右控制区电路（前行或后退）的速度控制端，扳动右推杆这时候，电阻阻值发生变化，RⅠ电阻值改变导致N沟道MOS场效应管的栅极电压发生改变，当栅极电压输入端为高电平时，P沟道MOS场效应管导通，电流通过R2流经N沟道MOS场效应管的漏极D至源极S后到负极B端，电流大小由栅极电压确定，电流的大小表征了控制电流的强弱，采用LM324运算放大器将电流信号转变为电压信号，该电压信号的输出端为R端；类似的我们可以得到左L端的动力控制电压；对于上U、下D端的动力控制电压，A端和B端之间同样串接2只可变电阻RⅢ和RⅣ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别也由两个推杆（控制上下动力）来进行控制（参见图5），其电路结构与左、右动力控制电路相同。

驱动力输出：四个动力区的工作电路相同，设有右R、左L、上U、下D控制信号输出端，每个信号输出端连接N沟道MOS场效应管栅极，当栅极电压为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，正电极条（6）电压输出端为高电平，负电压端B与负电极条（7）相连接，为负电压，电流从正电极条（6）流经负载之后流入负电压端B的负电极条（7），这里的负载是负电极条（7）与正电极条（6）之间推水面（4）上的海水，推水面（4）的下方为磁场N极，磁力线有N极到S极，由内向外穿出，参见图2，旁边为磁场S极，磁场中的海水在通电的情况下，产生一个劳伦兹力，推动海水向前运动，推水面（4）密集布满了整个潜航器表面，推动潜航器（1）向后运动；

倒档：本发明所采用的方案是采用倒档开关K来改变磁场线圈的电流，来改变磁钉（12）的极性，这样便可以实现劳伦兹力的反向，电路中，电源设置有正极、负极和地端，在正常工作情况下，电流从电源正极流经磁场线圈后回到地端；在倒车状态下，电流从电源负极流经磁场线圈后回到地端，电流正好相反。

本发明动力操作控制部分采用左右、上下四个推杆来实现，推杆的底座盘均设有刻度，推杆连接可变电阻RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ的电阻调节端，改变推杆的位置可以实现电阻值的改变，设置有连接杆，可以把所有推杆连接为一体，参见图5，在推动的过程中，所有电阻同步改变，可以实现驱动力的同步改变，使得潜航器四个动力区驱动力相同，潜航器沿直线运动。

本发明的工作原理是：潜航器（1）截面以中轴为准进行划分，将潜航器（1）的表面划分为上下左右四个分区，潜航器上边表面磁流推进面构成上动力区，潜航器下边表面磁流推进面构成下动力区，潜航器左边表面磁流推进面构成左动力区，潜航器右边表面磁流推进面构成右动力区；每个动力区域分别独立安装电动驱动系统，两个电动驱动系统结构相同，如图3所示。

驱动总体方案：该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对2组蓄电池进行充电，蓄电池串联，串联节点为E设置为地线，电源正极输出端为A，负极输出端为B，交流发电机经过整流和稳压之后同时为上动力区、下动力区、左动力区和右动力区供电（如图4所示），每一个动力区均有独立的控制电路，并设置倒档开关，通过改变线圈电流方向实现倒档。

动力控制：对于左、右动力控制电路而言，A端和B端之间串接2只可变电阻RⅠ和RⅡ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别由两个推杆来进行控制（参见图5），阻值范围0.1K~100K，A端并接电阻R2之后再串接N沟道MOS场效应管的漏极D，该P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端，该N沟道MOS场效应管的源极S连接下方的P沟道MOS场效应管的漏极D之后接地；下方的P沟道MOS场效应管的源极S端连接电阻R3上端，电阻R3下端连接电源负极B，下方P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端；

可变电阻RⅠ构成潜航器（1）右控制区电路（前行或后退）的速度控制端，扳动右推杆这时候，电阻阻值发生变化，RⅠ电阻值改变导致N沟道MOS场效应管的栅极电压发生改变，当栅极电压输入端为高电平时，P沟道MOS场效应管导通，电流通过R2流经N沟道MOS场效应管的漏极D至源极S后到负极B端，电流大小由栅极电压确定，电流的大小表征了控制电流的强弱，采用LM324运算放大器将电流信号转变为电压信号，该电压信号的输出端为R端；类似的我们可以得到左L端的动力控制电压；对于上U、下D端的动力控制电压，A端和B端之间同样串接2只可变电阻RⅢ和RⅣ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别也由两个推杆（控制上下动力）来进行控制（参见图5），其电路结构与左、右动力控制电路相同。

驱动力输出：四个动力区的工作电路相同，设有右R、左L、上U、下D控制信号输出端，每个信号输出端连接N沟道MOS场效应管栅极，当栅极电压为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，正电极条（6）电压输出端为高电平，负电压端B与负电极条（7）相连接，为负电压，电流从正电极条（6）流经负载之后流入负电压端B的负电极条（7），这里的负载是负电极条（7）与正电极条（6）之间推水面（4）上的海水，推水面（4）的下方为磁场N极，磁力线有N极到S极，由内向外穿出，参见图2，旁边为磁场S极，磁场中的海水在通电的情况下，产生一个劳伦兹力，推动海水向前运动，推水面（4）密集布满了整个潜航器表面，推动潜航器（1）向后运动；

倒档：本发明所采用的方案是采用倒档开关K来改变磁场线圈的电流，来改变磁钉（12）的极性，这样便可以实现劳伦兹力的反向，电路中，电源设置有正极、负极和地端，在正常工作情况下，电流从电源正极流经磁场线圈后回到地端；在倒车状态下，电流从电源负极流经磁场线圈后回到地端，电流正好相反。

本发明动力操作控制部分采用左右、上下四个推杆来实现，推杆的底座盘均设有刻度，推杆连接可变电阻RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ的电阻调节端，改变推杆的位置可以实现电阻值的改变，设置有连接杆，可以把所有推杆连接为一体，参见图5，在推动的过程中，所有电阻同步改变，可以实现驱动力的同步改变，使得潜航器四个动力区驱动力相同，潜航器沿直线运动。

对于潜艇而言，如果遇到深海断崖，普通的螺旋桨推进的潜艇如果处理不得当，会造成机毁人亡的后果，而采用新的推进方式，通过改变上动力区的水流速度，使得上表面的水流速度超过下表面的水流速度，这样就会产生一个压差，下面的压力高于上面的压力，潜艇会上浮，这样就可以避过深海断崖所出现的危险；如果需要下潜的时候，增加下表面的流速，使得下表面流速高于上表面流速，潜艇就会在运动中下潜，在紧急的情况下，无需通过改变水压仓就可以直接实现潜艇的上浮和下潜。

本发明的有益效果是：潜航器的表面具有光滑的结构，潜航器表面的海水直接构成负载，电极板与对偶极板条之间推水面里的海水，推水面的上方为磁场N极，下方为磁场S极，磁场中的海水在通电的情况下，产生一个劳伦兹力，推动海水向前运动，整个潜艇的表面都是推水面，推动潜航器运动，把潜航器表面水的阻力转变为潜航器表面水的推动力，驱动潜航器的运动，使得能耗大为降低。本发明彻底改变了潜航器的推进方式，可以避免深海断崖，节能环保，从原理上彻底消除了潜航器噪声的来源以及潜航器表面海水的阻力，存在的缺陷是无法在淡水中运动，由于绝大多数潜航器是在海水中运动，因此，对于在海洋中运动的潜航器而言，具有良好的发展潜力。

附图说明

图1本发明主视面示意图；

图2本发明局部横截面结构及表面磁流推进分布原理示意图；

图3本发明推进分区组成结构示意图；

图4本发明电路控制组成结构示意图；

图5本发明操控推杆示意图；

图6本发明电源供给及电压控制输出电路图；

图7本发明左、右行推进控制区直流电供给示意图；

图8本发明上、下行推进控制区直流电供给示意图。

图中各标号为：图1图中各标号为：1、潜航器，2、领航室，3、磁条，4、推水面；5、方向舵，6、正电极条，7、负电极条、8、电极条基座层，9、潜航器外壳层，10、操控推杆，11、磁钉固定基座条，12、磁钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。

实施例1：由磁条（3）、推水面（4）、正电极条（6）、负电极条（7）、电极条基座层（8）、潜航器外壳层（9）、操控推杆（10）、磁钉固定基座条（11）、磁钉（12）构成；

潜航器的整个外表面铺设有推水面（4），推水面（4）里面设置电极条基座层（8），在该电极条基座层（8）上嵌入正电极条（6）和负电极条（7），正、负电极条为导电金属材料，正电极条（6）和负电极条（7）平行排列，正、反电极条间隔之间设置有磁钉（12），磁钉（12）嵌入到条状非金属材料的磁钉固定基座条（11）中，磁钉（12）排列构成磁条（3），磁条（3）相互平行排列，磁条极性排列顺序为 S-N-S-N-S-N-……，磁钉（12）为U型电磁铁，磁钉（12）外端面为磁极，磁极面紧贴推水面（4）的内里面，正电极条（6）和负电极条（7）的外端面露出在推水面（4）的外面，与海水直接接触；

潜航器（1）截面以中轴为准进行划分，将潜航器（1）的表面划分为上下左右四个分区，潜航器上边表面磁流推进面构成上动力区，潜航器下边表面磁流推进面构成下动力区，潜航器左边表面磁流推进面构成左动力区，潜航器右边表面磁流推进面构成右动力区；每个动力区域分别独立安装电动驱动系统，两个电动驱动系统结构相同；

该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对2组蓄电池进行充电，蓄电池串联，串联节点为E设置为地线，电源正极输出端为A，负极输出端为B，交流发电机经过整流和稳压之后同时为上动力区、下动力区、左动力区和右动力区供电，每一个动力区均有独立的控制电路，并设置倒档开关，通过改变线圈电流方向实现倒档；

左、右动力控制电路中，A端和B端之间串接2只可变电阻RⅠ和RⅡ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别由两个推杆来进行控制（参见图5），阻值范围0.1K~100K，A端并接电阻R2之后再串接N沟道MOS场效应管的漏极D，该P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端，该N沟道MOS场效应管的源极S连接下方的P沟道MOS场效应管的漏极D之后接地；下方的P沟道MOS场效应管的源极S端连接电阻R3上端，电阻R3下端连接电源负极B，下方P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端；

可变电阻RⅠ构成潜航器（1）右控制区电路（前行或后退）的速度控制端，扳动右推杆这时候，电阻阻值发生变化，RⅠ电阻值改变导致N沟道MOS场效应管的栅极电压发生改变，当栅极电压输入端为高电平时，P沟道MOS场效应管导通，电流通过R2流经N沟道MOS场效应管的漏极D至源极S后到负极B端，电流大小由栅极电压确定，电流的大小表征了控制电流的强弱，采用LM324运算放大器将电流信号转变为电压信号，该电压信号的输出端为R端；类似的我们可以得到左L端的动力控制电压；对于上U、下D端的动力控制电压，A端和B端之间同样串接2只可变电阻RⅢ和RⅣ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别也由两个推杆（控制上下动力）来进行控制（参见图5），其电路结构与左、右动力控制电路相同。

四个动力区的工作电路相同，设有右R、左L、上U、下D控制信号输出端，每个信号输出端连接N沟道MOS场效应管栅极，当栅极电压为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，正电极条（6）电压输出端为高电平，负电压端B与负电极条（7）相连接，为负电压，电流从正电极条（6）流经负载之后流入负电压端B的负电极条（7），这里的负载是负电极条（7）与正电极条（6）之间推水面（4）上的海水，推水面（4）的下方为磁场N极，磁力线有N极到S极，由内向外穿出，旁边为磁场S极，磁场中的海水在通电的情况下，产生一个劳伦兹力，推动海水向前运动，推水面（4）密集布满了整个潜航器表面，推动潜航器（1）向后运动；

采用倒档开关K来改变磁场线圈的电流，来改变磁钉（12）的极性，这样便可以实现劳伦兹力的反向，电路中，电源设置有正极、负极和地端，在正常工作情况下，电流从电源正极流经磁场线圈后回到地端；在倒车状态下，电流从电源负极流经磁场线圈后回到地端，电流正好相反。

动力操作控制部分采用左右、上下四个推杆来实现，推杆的底座盘均设有刻度，推杆连接可变电阻RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ的电阻调节端，改变推杆的位置可以实现电阻值的改变，设置有连接杆，可以把所有推杆连接为一体，在推动的过程中，所有电阻同步改变，可以实现驱动力的同步改变，使得潜航器四个动力区驱动力相同，潜航器沿直线运动。

Claims (4)

1.一种潜航器表面磁流推进系统，其特征在于：由磁条（3）、推水面（4）、正电极条（6）、负电极条（7）、电极条基座层（8）、潜航器外壳层（9）、操控推杆（10）、磁钉固定基座条（11）、磁钉（12）构成；

潜航器的整个外表面铺设有推水面（4），推水面（4）里面设置电极条基座层（8），在该电极条基座层（8）上嵌入正电极条（6）和负电极条（7），正、负电极条为导电金属材料，正电极条（6）和负电极条（7）平行排列，正、反电极条间隔之间设置有磁钉（12），磁钉（12）嵌入到条状非金属材料的磁钉固定基座条（11）中，磁钉（12）排列构成磁条（3），磁条（3）相互平行排列，磁条极性排列顺序为 S-N-S-N-S-N-……，磁钉（12）为U型电磁铁，磁钉（12）外端面为磁极，磁极面紧贴推水面（4）的内里面，正电极条（6）和负电极条（7）的外端面露出在推水面（4）的外面，与海水直接接触；

潜航器（1）截面以中轴为准进行划分，将潜航器（1）的表面划分为上下左右四个分区，潜航器上边表面磁流推进面构成上动力区，潜航器下边表面磁流推进面构成下动力区，潜航器左边表面磁流推进面构成左动力区，潜航器右边表面磁流推进面构成右动力区；每个动力区域分别独立安装电动驱动系统，两个电动驱动系统结构相同；

该电动系统由交流发电机提供电能，经过整流和稳压之后对2组蓄电池进行充电，蓄电池串联，串联节点为E设置为地线，电源正极输出端为A，负极输出端为B，交流发电机经过整流和稳压之后同时为上动力区、下动力区、左动力区和右动力区供电，每一个动力区均有独立的控制电路，并设置倒档开关，通过改变线圈电流方向实现倒档。

2.根据权利要求1所述的潜航器表面磁流推进系统，其特征在于：左、右动力控制电路中，A端和B端之间串接2只可变电阻RⅠ和RⅡ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别由两个推杆来进行控制（参见图5），阻值范围0.1K~100K，A端并接电阻R2之后再串接N沟道MOS场效应管的漏极D，该P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端，该N沟道MOS场效应管的源极S连接下方的P沟道MOS场效应管的漏极D之后接地；下方的P沟道MOS场效应管的源极S端连接电阻R3上端，电阻R3下端连接电源负极B，下方P沟道MOS场效应管的栅极G连接可变电阻RⅠ的可调端；

可变电阻RⅠ构成潜航器（1）右控制区电路（前行或后退）的速度控制端，扳动右推杆这时候，电阻阻值发生变化，RⅠ电阻值改变导致N沟道MOS场效应管的栅极电压发生改变，当栅极电压输入端为高电平时，P沟道MOS场效应管导通，电流通过R2流经N沟道MOS场效应管的漏极D至源极S后到负极B端，电流大小由栅极电压确定，电流的大小表征了控制电流的强弱，采用LM324运算放大器将电流信号转变为电压信号，该电压信号的输出端为R端；类似的我们可以得到左L端的动力控制电压；对于上U、下D端的动力控制电压，A端和B端之间同样串接2只可变电阻RⅢ和RⅣ，这两个电阻的阻值相等，电阻值分别也由两个推杆（控制上下动力）来进行控制（参见图5），其电路结构与左、右动力控制电路相同。

3.根据权利要求1或2所述的潜航器表面磁流推进系统，其特征在于：所述四个动力区的工作电路相同，设有右R、左L、上U、下D控制信号输出端，每个信号输出端连接N沟道MOS场效应管栅极，当栅极电压为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，正电极条（6）电压输出端为高电平，负电压端B与负电极条（7）相连接，为负电压，电流从正电极条（6）流经负载之后流入负电压端B的负电极条（7），这里的负载是负电极条（7）与正电极条（6）之间推水面（4）上的海水，推水面（4）的下方为磁场N极，磁力线有N极到S极，由内向外穿出，旁边为磁场S极，磁场中的海水在通电的情况下，产生一个劳伦兹力，推动海水向前运动，推水面（4）密集布满了整个潜航器表面，推动潜航器（1）向后运动；

采用倒档开关K来改变磁场线圈的电流，来改变磁钉（12）的极性，这样便可以实现劳伦兹力的反向，电路中，电源设置有正极、负极和地端，在正常工作情况下，电流从电源正极流经磁场线圈后回到地端；在倒车状态下，电流从电源负极流经磁场线圈后回到地端，电流正好相反。

4.根据权利要求3所述的潜航器表面磁流推进系统，其特征在于：所述动力操作控制部分采用左右、上下四个推杆来实现，推杆的底座盘均设有刻度，推杆连接可变电阻RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ的电阻调节端，改变推杆的位置可以实现电阻值的改变，设置有连接杆，可以把所有推杆连接为一体，在推动的过程中，所有电阻同步改变，可以实现驱动力的同步改变，使得潜航器四个动力区驱动力相同，潜航器沿直线运动。