CN109624736A - 四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型及其推进方法，包括潜艇密封舱、密封舱支撑架、密封舱前盖、密封舱后盖、无线充电系统、压载水舱、压载水舱控制模块、电子调速器、供电模块、矢量推进机座、螺旋桨轴系和无线通讯模块。选取无线充电系统为供电系统进行无线充电。本发明通过后置矢量推进机座中的两个舵机控制螺旋桨的轴系，改变螺旋桨的角度，实现潜艇的转向。在水中航行时，无线通信模块接受地面发出的控制信号，通过压载水舱控制模块改变压载水舱重量，实现潜艇的沉浮、悬停等姿态。该潜艇模型自身携带供电系统和无线充电系统，可实现长时间远距离的自主航行。通过无线通讯实现对潜艇的航行控制，灵活性强，续航力高。
Description
技术领域
本发明设计了一种无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，属于潜艇技术领域。
背景技术
潜艇在水下航行过程中一般靠舵和螺旋桨来进行转向。首先潜艇尾部的螺旋桨不断的旋转为潜艇提供动力，其次，转动舵，艇尾下部的舵叶产生的水流就会在舵面上形成一定的水压，称为舵压，舵压虽然很小，但因舵位于艇尾，与艇中间的重心相距最远，根据杠杆原理，力矩最大，因而能够很方便的改变航向。但通过传统舵改变航向，会使潜艇的转向半径、转向时间和转向距离大大增加，减小了潜艇的机动性能，而有轴矢量推进则是一种有别于传统舵转向的推进方式，与传统舵转向的方式相比，有轴矢量推进通过改变螺旋桨的轴系角度，可以更快的改变航向，缩短潜艇应急时间，提高作战性能。
续航能力是潜艇模型面临的首要难题。传统的潜艇在潜航时使用电力推进作为其主要动力源，但频繁的浮出水面进行充电则在很大程度上制约了潜艇的续航能力和破坏了潜艇的隐蔽能力。无线充电系统通过使用线圈之间产生的交变磁场，传输电能，为潜艇的续航开辟了新的途径。并且在无线电能的传输过程中，因为电源与用电设备之间属于电气隔离，因此减少了设备的磨损、电火花以及难维护等等接触式充电存在的一些安全隐患，同时，设备的防水性和密封性得到进一步加强，避免了其在水和氧气作用下的腐蚀现象，大大提高了工作的安全性和可靠性，提高了工作效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型。在水中航行时，本发明通过后置矢量推进机座中的两个舵机控制螺旋桨的轴系，改变螺旋桨的角度，实现潜艇的快速转向。该潜艇自身携带供电系统，通过无线充电系统为供电系统进行无线充电，充电过程简单、效率高，降低了电气设备湿插拔频率，减少了电气摩擦，提高了设备的使用寿命。该潜艇模型可实现长时间远距离的自主航行。通过无线通讯实时对潜艇进行航行控制，灵活性强，续航力高。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：
四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型包括潜艇密封舱、密封舱支撑架、密封舱前盖、密封舱后盖、无线充电模块、压载水舱、压载水舱控制模块、电子调速器、供电模块、矢量推进机座、螺旋桨轴系和无线通讯模块；
所述的密封舱前盖和密封舱后盖布置在潜艇密封舱两端，矢量推进机座设置在密封舱后盖上；所述的螺旋桨轴系一端设置在矢量推进机座上，另一端设置有螺旋桨；所述的压载水舱一端与密封舱支撑架相连，另一端连接软管，所述的软管穿过密封舱前盖与外界连通，密封舱支撑架与供电模块相连；所述的无线充电模块设置于潜艇密封舱内壁；所述的压载水舱控制模块、电子调速器、无线通讯模块均设置在压载水舱上，压载水舱控制模块用于调节压载水舱的吞吐水量，电子调速器用于调节螺旋桨的旋转方向和速度，无线通讯模块用于接收外部信号，所述的无线充电模块与供电模块相连，供电模块分别与压载水舱控制模块、电子调速器和无线通讯模块相连。所述的无线充电系统设置于密封舱外壁；
优选的，所述的无线充电系统，包括发射端装置和接收端装置，所述的发射端装置和接收端装置均包括磁芯骨架和绕置在上面的线圈，其中发射端线圈和接收端线圈分别内置于发射端装置和接收端装置中，当接收端装置垂直插入发射端装置时，发射端线圈和接收端线圈以一定距离相互耦合，实现无线能量的传输。
优选的，所述的无线充电系统，接收端装置为空心圆柱型结构，圆柱中部内沿半径方向设置两个圆环形接收端线圈，两个接收线圈以圆柱中部截面为对称面，相对称设置。
优选的，所述的无线充电系统，发射端装置为方形圆角同心双柱型结构，中间留有刚好能容纳接收端装置大小的空间，底部是正方柱型底座保持平衡。圆角同心双柱中内部沿半径方向设置一个同心方形圆角发射端线圈，线圈一大一小，大线圈嵌套在小线圈外面。
优选的，所述的无线充电系统，当接收端装置垂直插入发射端装置时，接收端装置和发射端装置中内置的发射端线圈和接收端线圈保持固定的距离，彼此形成磁路耦合，实现无线充电功能。
优选的，所述的矢量推进机座包括一个正方形截面的长直连杆、第一舵机、第二舵机、第一传动组件、第二传动组件和一个电机座，
长直连杆一端与密封舱后盖相连，另一端与电机座的中心通过万向转接头相连；长直连杆上设置横向限位件，用于固定第一舵机和第二舵机，两个舵机分别位于长直连杆两侧且输出轴相互垂直；第一舵机通过第一传动组件与电机座的一个侧面A相连，第二舵机通过第二传动组件与电机座的另一个侧面B相连；侧面A与侧面B相邻且相互垂直。
优选的，所述的第一传动组件、第二传动组件结构相同，均包括舵角、摇臂和丝杆；舵机连接舵角，舵机和舵角垂直；舵角连接摇臂，舵角和摇臂垂直；摇臂通过丝杆和电机座连接，摇臂和电机座垂直。
优选的，所述的螺旋桨轴系包括防水电机、联轴器、传动轴和螺旋桨；防水电机设置在电机座上，防水电机的输出轴通过联轴器与传动轴的一端相连，传动轴的另一端设置有螺旋桨。
优选的，所述的压载水舱包括针筒、活塞、丝杆和电机；活塞套设在针筒内，丝杆与活塞相连，丝杆与电机输出轴相连；压载水舱控制模块与电机相连。
优选的，所述的电子调速器分别与第一舵机、第二舵机和防水电机相连。
所述的压载水舱控制模块、电子调速器、无线通讯模块电压一般控制在4v-12v以内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明搭载的无线充电系统与传统潜艇常规动力相比，利用无线充电提高了续航能力，减少了设备的磨损、电火花以及难维护等等接触式充电存在的一些安全隐患，同时，设备的防水性和密封性得到进一步加强，避免了其在水和氧气作用下的腐蚀现象。
(2)本发明的发射端和接收端线圈均为对称程度高的设计，目的在于减轻水流波动带来的接收端运动影响，插入式设计的发射端和接收端，使潜艇模型在水下充电时能够平稳固定。
(3)本发明的插入式圆柱状发射端和接收端的设计，使得接收端在受到水流影响而转动时，线圈的耦合效能基本不变，传输功率保持稳定。
(4)本发明的发射端和接收端可以搭配多种磁芯结构，线圈之间的耦合度可以改变，且材料较为常见，成本比较低。
(5)本发明的发射端线圈和接收端线圈采用四线圈设计，发射端的一大一小线圈中增加的小线圈提高了电磁耦合机构的耦合系数，接收端的双线圈结构充分利用了感应磁场，提高了传输距离，最终提高了传输效率。
(6)本发明的有轴矢量推进降低了潜艇的转向半径，缩短了潜艇的制动时间，提高了潜艇的机动效率，极大的增强了潜艇的反应能力和生存能力。
(7)本发明的无线充电系统和有轴矢量推进均设置在潜艇外部，节省了潜艇的设备空间，降低了载荷，提高了机动效率。
附图说明
图1为本发明的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型内部结构的示意图；
图2为本发明的无线充电系统的结构示意图；
图3为本发明的无线充电接收端装置示意图；
图4为本发明的无线充电发射端装置示意图；
图5为本发明的无线充电系统接收线圈和发射线圈耦合结构示意图；
图6为本发明的压载水舱结构的示意图；
图7为本发明的矢量推进机座结构的示意图；
图8为本发明的矢量推进机座结构与螺旋桨轴系配合示意图；
其中1-潜艇密封舱、2-密封舱支撑架、3-密封舱前盖、4-密封舱后盖、5-无线充电系统、6-压载水舱、7-压载水舱控制模块、8-电子调速器、9-供电模块、10-矢量推进机座、11-螺旋桨轴系、12-无线通讯模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，在本发明的一个具体实施中，一种四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，包括潜艇密封舱1、密封舱支撑架2、密封舱前盖3、密封舱后盖4、无线充电系统5、压载水舱6、压载水舱控制模块7、电子调速器8、供电模块9、矢量推进机座10、螺旋桨轴系11和无线通讯模块12；所述的密封舱前盖3和密封舱后盖4布置在潜艇密封舱1两端，矢量推进机座10设置在密封舱后盖4上；所述的螺旋桨轴系11一端设置在矢量推进机座10上，另一端设置有螺旋桨；所述的压载水舱6一端与密封舱支撑架2相连，另一端连接软管，所述的软管穿过密封舱前盖3与外界连通，密封舱支撑架2与供电模块9相连；所述的无线充电系统5设置于潜艇密封舱1内壁；所述的压载水舱控制模块7、电子调速器8、无线通讯模块12均设置在压载水舱6上，压载水舱控制模块7用于调节压载水舱的吞吐水量，压载水舱控制模块用于控制压载水舱改变自身重量以实现潜艇的沉浮；电子调速器8用于调节螺旋桨的旋转方向和速度，无线通讯模块12用于接收外部信号，所述控制信号控制从4v到12v都可以。所述的无线充电系统5与供电模块9相连，供电模块9分别与压载水舱控制模块7、电子调速器8和无线通讯模块12相连。
优选的，所述的密封舱支撑架包括三根丝杆和一个圆盘隔板，隔板上对称分布三个圆孔和一个中心孔，三根丝杆一端与三个圆孔相连。
在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述的无线充电系统包括发射端装置5-1和接收端装置5-2，所述的发射端装置和接收端装置均包括线圈，其中发射端线圈和接收端线圈分别内置于发射端装置和接收端装置中，当接收端装置插入发射端装置时，发射端线圈和接收端线圈以一定距离相互耦合，实现无线能量的传输。
如图3所示，所述的无线充电系统，接收端装置包括相互平行且大小相同的两个接收线圈，两个接收线圈呈上下布置。两个接收线圈被包裹在一个空心圆柱型结构外壳内，所述的空心圆柱型结构做防水密封设计。
如图4所示，所述的无线充电系统，发射端装置包括同心设置的一大一小两个线圈和磁芯，大线圈嵌套在小线圈外面；小线圈绕在磁芯上；发射端装置外形设计为方形圆角同心双柱型结构(中心柱和外围空心柱组成的双柱型结构)，其中中心柱5-1-2包括小线圈和磁芯，外围空心柱5-1-1内设置大线圈，大线圈和小线圈位于同一高度；双柱型结构中间留有刚好能容纳接收端装置大小的空间，底部是正方柱型底座保持平衡。所述的方形圆角同心双柱型结构的中心柱和外围空心柱均做防水密封设计。
如图5所示，所述的无线充电系统的接收端线圈包括上层线圈5-2-1和下层线圈5-2-2；所述的发射端线圈包括大线圈5-1-3和小线圈5-1-4；磁芯由小线圈5-1-4包裹。当接收端装置垂直插入发射端装置时，接收端装置和发射端装置中内置的发射端线圈和接收端线圈保持固定的距离，彼此形成磁路耦合，实现无线充电功能。
在本发明的一个具体实施例中，发射端装置被设置在潜艇模型的航线上，或者设置在潜艇模型活动水域的设定位置。当潜艇模型需要充电时，驱动潜艇模型使其运动至发射端装置上方，然后使潜艇模型主体上的接收端装置垂直插入发射端装置进行充电；充电结束后，潜艇模型主体脱离发射端装置。
在本发明的一个具体实施例中，所述的供电系统包括左轮型的支架和六枚锂电池；六枚锂电池对称插入支架中。
如图6所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的压载水舱包括针筒、活塞、丝杆和电机；活塞套设在针筒内，丝杆与活塞相连，丝杆与电机输出轴相连；压载水舱控制模块7与电机相连。
如图7所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的矢量推进机座10包括一个正方形截面的长直连杆10-1、第一舵机10-2、第二舵机10-4、第一传动组件、第二传动组件和一个电机座10-3，长直连杆10-1一端与密封舱后盖4相连，另一端与电机座10-3的中心通过万向转接头相连；长直连杆10-1上设置横向限位件，用于固定第一舵机和第二舵机，两个舵机分别位于长直连杆两侧且输出轴相互垂直；第一舵机通过第一传动组件与电机座10-3的一个侧面A相连，第二舵机通过第二传动组件与电机座10-3的另一个侧面B相连；侧面A与侧面B相邻且相互垂直。
所述的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型的推进方法如下：
通过改变电机座10-3相对于长直连杆10-1的角度，改变电机座10-3上的螺旋桨轴系11与潜艇模型的角度；从而实现潜艇模型推进方向的控制；
其中，改变电机座10-3相对于长直连杆10-1的角度的方法为：
第一舵机10-2通过第一传动组件与电机座10-3的一个侧面A相连，通过控制第一舵机10-2的输出量大小可以使电机座10-3在第一传动组件的带动下绕万向转接头做一个维度的翻转运动；
第二舵机10-4通过第二传动组件与电机座10-3的另一个侧面B相连，通过控制第二舵机10-4的输出量大小可以使侧面B在第二传动组件带动下绕万向转接头做另一个维度的翻转运动；所述的两个维度相互正交。
由于侧面A和侧面B相邻且相互垂直，通过第一舵机10-2和第二舵机10-4的输出带动电机座10-3翻转运动的方向也相互垂直；因此通过控制第一舵机10-2和第二舵机10-4的输出量的大小，可以使电机座10-3相对于万向转接头做任意方向的转动；电机座10-3的转动将带动螺旋桨轴系11改变其与潜艇模型的角度，从而实现潜艇模型推进方向的控制。
如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的第一传动组件、第二传动组件结构相同，均包括舵角、摇臂和丝杆；舵机连接舵角，舵机和舵角垂直；舵角连接摇臂，舵角和摇臂垂直；摇臂通过丝杆和电机座连接，摇臂和电机座垂直。
如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的螺旋桨轴系11包括防水电机11-1、联轴器11-2、传动轴11-3和螺旋桨11-4；防水电机设置在电机座10-3上，防水电机11-1的输出轴通过联轴器11-2与传动轴11-3的一端相连，传动轴11-3的另一端设置有螺旋桨11-4。联轴器为铝合金制成；传动轴为不锈钢职称；螺旋桨为尼龙塑料制成；上述材料的选择考虑到潜艇模型的重量、机械强度及整体性能的要求。
在本发明的一个具体实施例中，所述的电子调速器8分别与第一舵机、第二舵机和防水电机11-1相连。
在本发明的一个具体实施例中，所述的密封舱前盖两端均设置宝塔型铜嘴，位于密封舱内端的宝塔型铜嘴连接一段软管，再和针筒活塞前端宝塔型铜嘴相连，防止压载水舱吞吐水时溢出。
在本发明的一个具体施例中，所述的无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。系统工作时输入端将24V直流电通过2M有源晶振逆变转换成高频交流电供给初级绕组。再通过2个电感线圈耦合能量，将次级线圈输出的电流经充电电路变化成直流电为电池充电。
在本发明的一个具体实施例中，所述的压载水舱控制模块7、电子调速器8、无线通讯模块12设置在压载水舱的圆盘隔板上；无线通讯模块接收外界指令，将指令传递给压载水舱控制模块，压载水舱控制模块调整自身的脉冲信号，控制压载水舱吞吐水量，实现潜艇的沉浮；无线通讯模块接受外界指令，将指令传递给电子调速器，电子调速器控制电压调节电机转速，实现潜艇的前进、后退、加速、减速等航行状态。
压载水舱控制模块7由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收供电系统输送过来的直流电电能，逆变成三相交流电给减速电机供电。控制器接受电机转速等信号反馈到模块，当发生制动或者变速行为时，控制器采用PWM脉宽调制斩波控制方式，控制变频器频率的升降，从而达到加速或者减速的目的。此外，压载水舱控制模块还搭载了漏水传感器和压力传感器，具备漏水保护功能和深度保护功能，当漏水保护功能工作时，指示灯会亮，潜艇模型会保持上浮模式；当深度保护功能工作时，潜艇模型会停止下潜，启动上浮功能。
在本发明的一个具体实施例中，电子调速器8是模块式直流电机调速器，由控制电路和驱动电路一体组成。控制电路采用微功耗原件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的遮羞修改和变型属于本发明权利要求及等同技术的范围之内，则本发明也一图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，其特征在于，包括潜艇密封舱(1)、密封舱支撑架(2)、密封舱前盖(3)、密封舱后盖(4)、无线充电系统(5)、压载水舱(6)、压载水舱控制模块(7)、电子调速器(8)、供电模块(9)、矢量推进机座(10)、螺旋桨轴系(11)和无线通讯模块(12)；
所述的密封舱前盖(3)和密封舱后盖(4)布置在潜艇密封舱(1)两端，矢量推进机座(10)设置在密封舱后盖(4)上；所述的螺旋桨轴系(11)一端设置在矢量推进机座(10)上，另一端设置有螺旋桨；所述的压载水舱(6)一端与密封舱支撑架(2)相连，另一端连接软管，所述的软管穿过密封舱前盖(3)与外界连通，密封舱支撑架(2)与供电模块(9)相连；所述的无线充电系统(5)设置于潜艇密封舱(1)内壁；所述的压载水舱控制模块(7)、电子调速器(8)、无线通讯模块(12)均设置在压载水舱(6)上，压载水舱控制模块(7)用于调节压载水舱的吞吐水量，电子调速器(8)用于调节螺旋桨的旋转方向和速度，无线通讯模块(12)用于接收外部信号，所述的无线充电系统(5)与供电模块(9)相连，供电模块(9)分别与压载水舱控制模块(7)、电子调速器(8)和无线通讯模块(12)相连。
2.根据权利要求1所述的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，其特征在于所述的无线充电系统(5)，包括发射端装置(5-1)和接收端装置(5-2)，所述的发射端装置和接收端装置均包括磁芯骨架和绕置在上面的线圈，其中发射端线圈(5-1-1)和接收端线圈(5-2-1)分别内置于发射端装置和接收端装置中，当接收端装置垂直插入发射端装置时，发射端线圈和接收端线圈以一定距离相互耦合，实现无线能量的传输。
3.根据权利要求1所述的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，其特征在于所述的矢量推进机座(10)包括一个正方形截面的长直连杆(10-1)、第一舵机(10-2)、第二舵机(10-4)、第一传动组件、第二传动组件和一个电机座(10-3)，
长直连杆(10-1)一端与密封舱后盖(4)相连，另一端与电机座(10-3)的中心通过万向转接头相连；长直连杆(10-1)上设置横向限位件，用于固定第一舵机和第二舵机，两个舵机分别位于长直连杆两侧且输出轴相互垂直；第一舵机通过第一传动组件与电机座(10-3)的一个侧面A相连，第二舵机通过第二传动组件与电机座(10-3)的另一个侧面B相连；侧面A与侧面B相邻且相互垂直。
4.根据权利要求3所述的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，其特征在于所述的第一传动组件、第二传动组件结构相同，均包括舵角、摇臂和丝杆；舵机连接舵角，舵机和舵角垂直；舵角连接摇臂，舵角和摇臂垂直；摇臂通过丝杆和电机座连接，摇臂和电机座垂直。
5.根据权利要求3所述的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，其特征在于所述的螺旋桨轴系(11)包括防水电机(11-1)、联轴器(11-2)、传动轴(11-3)和螺旋桨(11-4)；防水电机设置在电机座(10-3)上，防水电机(11-1)的输出轴通过联轴器(11-2)与传动轴(11-3)的一端相连，传动轴(11-3)的另一端设置有螺旋桨(11-4)。
6.根据权利要求1所述的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，其特征在于所述的压载水舱包括针筒、活塞、丝杆和电机；活塞套设在针筒内，丝杆与活塞相连，丝杆与电机输出轴相连；压载水舱控制模块(7)与电机相连。
7.根据权利要求1所述的四线圈耦合结构无线充电的有轴矢量推进潜艇模型，其特征在于所述的电子调速器(8)分别与第一舵机、第二舵机和防水电机(11-1)相连。
8.一种权利要求3所述的有轴矢量推进潜艇模型的推进方法，其特征在于：
通过改变电机座(10-3)相对于长直连杆(10-1)的角度，改变电机座(10-3)上的螺旋桨轴系(11)与潜艇模型的角度；从而实现潜艇模型推进方向的控制；
其中，改变电机座(10-3)相对于长直连杆(10-1)的角度的方法为：
第一舵机(10-2)通过第一传动组件与电机座(10-3)的一个侧面A相连，通过控制第一舵机(10-2)的输出量大小可以使电机座(10-3)在第一传动组件的带动下绕万向转接头做一个维度的翻转运动；
第二舵机(10-4)通过第二传动组件与电机座(10-3)的另一个侧面B相连，通过控制第二舵机(10-4)的输出量大小可以使侧面B在第二传动组件带动下绕万向转接头做另一个维度的翻转运动；
由于侧面A和侧面B相邻且相互垂直，通过第一舵机(10-2)和第二舵机(10-4)的输出带动电机座(10-3)翻转运动的方向也相互垂直；因此通过控制第一舵机(10-2)和第二舵机(10-4)的输出量的大小，可以使电机座(10-3)相对于万向转接头做任意方向的转动；电机座(10-3)的转动将带动螺旋桨轴系(11)改变其与潜艇模型的角度，从而实现潜艇模型推进方向的控制。
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