CN113335486A - 射流推进装置及其测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射流推进装置及其测试系统。所述射流推进装置包括腔体和位于腔体内且可在腔体内往复移动的活塞，腔体包括外壳和设置于外壳内壁的多个环形线圈，活塞包括内部中空的活塞本体和设置于活塞本体外壁上的多个环形磁钢，环形磁钢与活塞本体一体设置，且环形磁钢和环形线圈配合形成交流永磁同步直线电机。本发明采用交流永磁同步电机直接驱动活塞的方式运行，驱动电流小、电机峰值推力可达数百牛，传动效率高、射流速度快，且驱动部件与活塞一体化设计，结构紧凑。

Description

射流推进装置及其测试系统
技术领域
本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种射流推进装置及其测试系统。
背景技术
水下航行器主要通过推进装置将所携带的能源转变为推进航行器所必需的机械能。目前多数水下航行器利用电动机驱动的螺旋桨实现推进，普遍存在噪音大、空泡，容易伤害水下生物、破坏水下环境，易被海草、渔网等缠绕失效等缺点。因此，螺旋桨推进不适合需要安静、隐蔽性和环保的使用场合，如科学观察、军事侦查、深海探测等场合。
乌贼可通过机构的收缩将体腔内的水从狭窄的漏斗状喷管高速喷出，实现快速的运动以快速逃离天敌，因此，如果不断重复吸水与喷水的过程，乌贼就可以产生持续脉冲推力。有研究单位根据这一仿生原理研发了仿生射流推进器，已在船舶等航行器上进行使用。这类仿生射流推进器使用人工肌肉作为驱动部件，通过收缩实现推进器的吸水和喷水过程。目前采用的人工肌肉材料主要有电流驱动聚合物(Electro Active polymer，EAP)、压电陶瓷(Piezo Ceramic)和形状记忆合金(Shape Memory Alloys，SMA)。
电活性聚合物(EAP)可在电流、电压或电场作用下产生物理形变，分类为电子型和离子型，虽然响应速度快，能够产生相对较大的驱动力，但需要很高的驱动电场，一般要150MV/m，电压至少在1KV以上，而离子型EAP响应速度慢、驱动力较小；压电陶瓷能够通过逆压电效应实现电能到机械能的转换，具有体积小，分辨率高，频响高和无发热等优点，但缺点是对外界约束力过于敏感，输出应变较小，驱动电压很高；SMA是一种形状记忆合金，可在马氏体逆向变过程中发生形状记忆效应，具有回复应力高、高功率重量比、变形量大、驱动电压较低等优点，但如果工作时间超过一定期限，其记忆特性会逐渐退化且能量利用率较低。采用以上仿生结构的射流推进器普遍存在结构复杂、制造难度大、射流速度低、能量利用率低等缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种射流推进装置及其测试系统，从而克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种射流推进装置，包括腔体和位于所述腔体内且可在腔体内往复移动的活塞，所述腔体包括外壳、设置于所述外壳内壁的多个环形线圈及与外壳相连的喷嘴，所述活塞包括内部中空的活塞本体和设置于活塞本体外壁上的多个环形磁钢，所述环形磁钢与活塞本体一体设置，且所述环形磁钢和所述环形线圈配合形成交流永磁同步直线电机。
在一优选实施例中，所述活塞本体包括第一环形结构件和分别位于第一环形结构件前、后端的活塞前端盖、活塞后端盖，所述环形磁钢套设置于所述第一环形结构件上。
在一优选实施例中，所述环形线圈和外壳之间还设置有用于反馈所述活塞位置的第一位置传感器。
在一优选实施例中，所述外壳包括壳体和位于所述壳体后端的壳体后端盖，所述环形线圈设置于所述壳体的内壁。
在一优选实施例中，所述活塞沿所述腔体的内壁在腔体内移动。
在一优选实施例中，所述装置还包括导向轴，所述导向轴穿过活塞本体，且其两端分别固定于腔体对应的两端，所述活塞沿所述导向轴在腔体内移动。
在一优选实施例中，所述导向轴上至少在与活塞本体相接触的部位设置有第一耐磨环，所述第一耐磨环套设于导向轴上且位于导向轴和活塞本体之间。
在一优选实施例中，所述导向轴的一端固定，另一端设置有限位装置以进行限位。
在一优选实施例中，所述壳体和所述壳体后端盖之间还设置有用于增大所述腔体内空间的第二环形结构件。
在一优选实施例中，所述装置还包括第二位置传感器，所述第二位置传感器包括磁栅尺和读头，所述磁栅尺与活塞相连，所述读头固定于壳体后端盖上。
在一优选实施例中，所述活塞还包括第二耐磨环，所述第二耐磨环套设于位于活塞内的导向轴外，且两端分别固定于活塞对应的两端。
本发明还提出了另外一种技术方案：一种射流推进装置的测试系统，包括水箱和力传感器，所述射流推进装置固定于所述水箱内且与所述力传感器相连，测试时，所述水箱内的水浸没所述射流推进装置。
本发明还提出了另外一种技术方案：一种水下航行器，包括上述射流推进装置，需要说明的是，本发明实施例提供的水下航行器主要是以本发明提供的射流推进装置作为动力机构，该水下航行器当然还包括其他使其能够实现相应的功能的其他机构，其他机构可以采用本领域技术人员已知的机构等，在此不作具体的说明。
与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：
1、本发明采用交流永磁同步电机直接驱动活塞的方式运行，驱动电流小、电机峰值推力可达数百牛，传动效率高、射流速度快，且该装置驱动部件与活塞一体化设计，结构紧凑。
2、本发明装置集成位置传感器，可由常规永磁同步电机驱动控制器驱动，活塞可根据用户设计的运动轨迹运动以实现多种射流模式。
3、本发明装置可作为独立动力单元使用，与系统仅通过电缆连接，故障后可与系统切断连接，不影响其他动力单元工作，可保证航行器可靠运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1的立体结构示意图；
图2是本发明实施例1的剖面结构示意图；
图3是本发明活塞本体的结构示意图；
图4是本发明壳体前端盖或壳体后端盖的结构示意图；
图5是本发明实施例2的剖面结构示意图；
图6是本发明实施例4的结构示意图；
图7是本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
本发明所揭示的一种射流推进装置及其测试系统采用交流永磁同步电机直接驱动活塞的方式运行，驱动电流小、电机峰值推力可达数百牛，传动效率高、射流速度快，且该装置驱动部件与活塞一体化设计、结构紧凑。
下面以若干具体实施例来详细描述本发明射流推进装置及其测试系统的结构原理。
实施例1
结合图1和图2所示，本发明实施例1所揭示的一种射流推进装置10，包括腔体11和活塞12，其中，活塞12设置于腔体11内且可在腔体11内往复移动。
具体地，腔体11包括外壳111、多个环形线圈112和喷嘴113，其中，外壳111包括壳体1111、壳体前端盖1112和壳体后端盖1113，其中，壳体1111为两端开口的且中空的圆柱体状，壳体前端盖1112和壳体后端盖1113分别固定于壳体1111的两端。多个环形线圈112设置于壳体1111的内壁上，且在壳体1111内壁上沿壳体1111的一端向另一端排列分布。喷嘴113固定于壳体前端盖1112上，且与腔体11内相连通。实施时，环形线圈112可由耐磨热固环氧树脂灌封为一体。优选地，腔体11内，具体为环形线圈112内壁上设置有耐磨材料114。另外，优选地，环形线圈112和壳体1111之间还设置有用于反馈腔体11内活塞12位置的第一位置传感器115，实施时，第一位置传感器115可采用线性霍尔位置传感器。
具体地，活塞12包括活塞本体121和多个环形磁钢122，其中，活塞本体121内为中空状，结合图3所示，其具体包括第一环形结构件1211、活塞前端盖1212和活塞后端盖1213，其中，第一环形结构件1211位于腔体11内，其为两端开口的且中空的圆柱体状，活塞前端盖1212和活塞后端盖1213分别固定于第一环形结构件1211的两端。环形磁钢122套设于第一环形结构件1211外壁上且位于活塞前端盖1212和活塞后端盖1213之间，即环形磁钢122的外径小于等于活塞前端盖1212和活塞后端盖1213的外径。且多个环形磁钢122在第一环形结构件1211沿第一环形结构件1211的一端向另一端排列分布，具体为Halbach阵列排布，多个环形磁钢122与环形线圈112组成交流永磁同步直线电机，其中，环形磁钢122作为电机动子，与活塞本体121一体化集成式设计。且本实施例中，活塞12与喷嘴113之间为圆柱加锥形腔体。
优选地，本实施例1的射流推进装置10还包括导向轴13，所述导向轴13在腔体11内轴向穿过活塞12的活塞前端盖1212和活塞后端盖1213，且其一端与外壳111的壳体后端盖1113固定连接，另一端设置有限位装置14。活塞12可整体沿导向轴13在腔体11内轴向往复移动。优选地，导向轴13与活塞前端盖1212之间以及导向轴13与活塞后端盖1213之间还设置有第一耐磨环116，第一耐磨环116套设于导向轴13上。
本实施例1中的壳体前端盖1112和壳体后端盖1113均采用图4所示的轮辐结构，同时作为导向轴13的支撑机构。
本实施例1所揭示的一种射流推进装置10的工作原理具体为：活塞12从喷嘴113处移动到壳体后端盖1113位置完成吸水，此时腔体11灌满液体，之后活塞12由壳体后端盖1113处移动到喷嘴113处，将液体快速由喷嘴113射出。与传统仿生结构不同，本装置通过活塞12在腔体11里的前后运动完成吸水和喷水过程。
实施例2
如图5所示，本发明实施例2所揭示的一种射流推进装置20，包括腔体21和活塞22，其中，活塞22设置于腔体21内且可在腔体21内往复移动。
具体地，腔体21包括外壳211、多个环形线圈212和喷嘴213，其中，外壳211包括壳体2111、第二环形结构件2112、壳体前端盖2113和壳体后端盖2114，其中，壳体2111为中空的圆柱体状，第二环形结构件2112与壳体2111拼接，共同组成腔体21的外壳体，第二环形结构件2112的增设，增大了射流推进装置20的腔体空间。壳体前端盖2113和壳体后端盖2114分别固定于壳体2111的前端和第二环形结构件2112的后端。多个环形线圈212设置于壳体2111的内壁上，且在壳体2111内壁上沿壳体2111的一端向另一端排列分布。喷嘴213固定于壳体前端盖2113上，且与腔体21内相连通。实施时，环形线圈212可由耐磨热固环氧树脂灌封为一体。优选地，腔体21内，具体为环形线圈212内壁上设置有耐磨材料214。
具体地，活塞22包括活塞本体221和多个环形磁钢222，其中，活塞本体221内为中空状，其具体包括第一环形结构件2211、活塞前端盖2212和活塞后端盖2213，其中，第一环形结构件2211位于腔体21内，其为两端开口的且中空的圆柱体状，活塞前端盖2212和活塞后端盖2213分别固定于活塞本体221的两端。环形磁钢222套设于第一环形结构件2211外壁上且位于活塞前端盖2212和活塞后端盖2213之间，即环形磁钢222的外径小于等于活塞前端盖2212和活塞后端盖2213的外径。且多个环形磁钢222在第一环形结构件2211沿第一环形结构件2211的一端向另一端排列分布，具体为Halbach阵列排布，多个环形磁钢222与环形线圈212组成交流永磁同步直线电机，其中，环形磁钢222作为电机动子，与活塞本体221一体化集成式设计。
优选地，本实施例1的射流推进装置还包括导向轴23，所述导向轴23在腔体21内轴向穿过活塞22的活塞前端盖2212和活塞后端盖2213，且其一端与外壳211的壳体后端盖2114固定连接，另一端设置有限位装置215。活塞22可整体沿导向轴23在腔体21内轴向往复移动。
另外，优选地，本实施例所揭示的射流推进装置20还包括第二位置传感器24，第二位置传感器24具体包括磁栅尺241和读头242，其中，磁栅尺241与活塞22相连，具体与活塞后端盖2213相连，读头242固定于壳体后端盖2114上，可为活塞22提供更高精度的位置信号。
另外，本实施例所揭示的射流推进装置20还包括第二耐磨环25，第二耐磨环25套设于位于活塞22内的导向轴23外，且两端分别固定于活塞22对应的两端，即一端与活塞前端盖2212固定连接，另一端与活塞后端盖2213固定连接。
与实施例1相比，实施例2增大了腔体21内空间，对应地，活塞22的尺寸也相较实施例1增加，即增长了活塞22长度，相应地增加了环形磁钢222的数量，可以提高第二位置传感器24的信号可靠性。
本实施例2中的壳体前端盖2113和壳体后端盖2114均采用图4所示的轮辐结构，同时作为导向轴23的支撑机构。
实施例3
如图7所示，本发明实施例3所揭示的一种射流推进装置，与实施例1相比，活塞本体的活塞前端盖和活塞后端盖为完全密封，且取消导向轴，即不设置导向轴，活塞直接由腔体直接作为活塞导向结构，进一步简化本装置。优选地，活塞外周和腔体内周可采用水润滑材料(图未示)。
本实施例3中的壳体前端盖和壳体后端盖均采用图4所示的轮辐结构。
实施例4
如图6所示，本发明实施例4所揭示的一种射流推进装置的测试系统30，包括水箱31、力传感器32和实施例1、2或3所述的射流推进装置，其中，水箱31可采用亚克力水箱，其具体包括箱体3111和盖板312，盖板312盖合于箱体311的上端。力传感器32固定于盖板312的内侧面上，具体可采用六维力传感器。射流推进装置立式设置在箱体311内且与力传感器32固定相连。测试时，水箱31需注满水，水面超过射流推进装置，射流推进装置与力传感器32连接，并将力传感器32固定于盖板312上。当射流推进装置向下喷射水流时，推进力作用于力传感器32，即可测试出射流推进装置的推力。在测试时，需要在静止时，对力传感器32数据进行标定，结合射流推进装置所设置的位置传感器，可由测试系统得到活塞运动曲线与射流装置推力的对应关系，可供用户选取最优的射流模式。
本发明的射流推进装置可作为独立动力单元使用，与航行器主系统之间仅通过电缆连接，故障后可与系统切断连接，不影响其他动力单元工作，可保证航行器可靠运行。
本发明射流推进装置的测试系统可完成射流推进装置的性能测试，包括：活塞轨迹分析、装置功率测量、射流力的测量等。
实施例5
本发明实施例5所揭示的一种水下航行器(图未示)，包括上述实施例1、实施例2或实施例3所述的射流推进装置，水下航行器的其他结构可采用现有技术实现，这里不做赘述。
本发明所揭示的一种射流推进装置、测试系统，该射流推进装置活塞由交流永磁同步直线电机直接驱动，无任何传动部件，且活塞运动方向与射流方向一致，可提高射流速度和能量利用率。该装置可由商用驱动控制器按照常规电机使用方式驱动，无需设计专用驱动控制器，具有驱动电流小、电机峰值推力可达数百牛，传动效率高、射流速度快等优点。另外，直线电机动子(即环形磁钢)与活塞采用一体化设计，结构紧凑，活塞内部为中空结构，减轻了装置重量，电机定子(即环形线圈)内嵌线性霍尔位置传感器可提供直线电机磁钢动子位置信息，活塞可根据用户设计的运动轨迹运动以实现多种射流模式。
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

Claims (10)

1.一种射流推进装置，其特征在于，包括腔体和位于所述腔体内且可在腔体内往复移动的活塞，所述腔体包括外壳、设置于所述外壳内壁的多个环形线圈及与外壳相连的喷嘴，所述活塞包括内部中空的活塞本体和设置于活塞本体外壁上的多个环形磁钢，所述环形磁钢与活塞本体一体设置，且所述环形磁钢和所述环形线圈配合形成交流永磁同步直线电机。
2.根据权利要求1所述的射流推进装置，其特征在于：所述环形线圈和外壳之间还设置有用于反馈所述活塞位置的第一位置传感器。
3.根据权利要求1所述的射流推进装置，其特征在于：所述外壳包括壳体和位于所述壳体后端的壳体后端盖，所述环形线圈设置于所述壳体的内壁。
4.根据权利要求1所述的射流推进装置，其特征在于：所述装置还包括导向轴，所述导向轴穿过活塞本体，且其两端分别固定于腔体对应的两端，所述活塞沿所述导向轴在腔体内移动。
5.根据权利要求4所述的射流推进装置，其特征在于：所述导向轴上至少在与活塞本体相接触的部位设置有第一耐磨环，所述第一耐磨环套设于导向轴上且位于导向轴和活塞本体之间。
6.根据权利要求3所述的射流推进装置，其特征在于：所述壳体和所述壳体后端盖之间还设置有用于增大所述腔体内空间的第二环形结构件。
7.根据权利要求6所述的射流推进装置，其特征在于：所述装置还包括第二位置传感器，所述第二位置传感器包括磁栅尺和读头，所述磁栅尺与活塞相连，所述读头固定于壳体后端盖上。
8.根据权利要求4所述的射流推进装置，其特征在于：所述活塞还包括第二耐磨环，所述第二耐磨环套设于位于活塞内的导向轴外，且两端分别固定于活塞对应的两端。
9.根据权利要求1所述的射流推进装置，其特征在于：所述活塞本体包括第一环形结构件和分别位于第一环形结构件前、后端的活塞前端盖、活塞后端盖，所述环形磁钢套设置于所述第一环形结构件上。
10.一种射流推进装置的测试系统，其特征在于：所述系统包括水箱、力传感器和权利要求1～9任意一项所述的射流推进装置，所述射流推进装置固定于所述水箱内且与所述力传感器相连，测试时所述水箱内的水浸没所述射流推进装置。
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