一种炮弹发电系统及方法与流程

本发明属于发电系统技术领域，具体涉及一种炮弹发电系统及方法。

背景技术：

随着科学技术的发展和现代化进程的加快，人类对能源的需求与日俱增，面对地球上固有能源日趋减少、全球性能源紧张的当今世界现状，如何能使有效地实现能源再生利用，造福于人类子孙后代，实现可持续性发展，成为当前科技开发的新课题。

目前人们所使用的电能，大多是通过火力发电提供的(约占整个电力生产的80％)，火力发电大多采用燃煤，而燃煤是不可再生资源，总有一天会枯竭，而且燃煤发电不仅会产生二氧化碳，造成空气污染和温室效应，而且火力发电的效率很低(只有30％～40％)，大量的热能被白白浪费掉；为了缓解能源紧张问题，减少环境污染，世界各国相继开发了太阳能发电、风力发电、水力发电等技术，开发这些能源发电虽然对环境的污染大大减小，但是，太阳能发电受昼夜、阴天下雨的影响；风力发电存在严重的地域限制，跟自然天气有很大关系，中国很多地方不适用或不具备风力发电的条件；水力发电同样受水力资源和地理条件的限制，如果采用海洋中海浪和海水涨落发电，又受海潮时间性的限制，而且国家需要投资巨大的财力、人力、物力来实现。每年用电高峰时期，比如，冬天的供暖和夏天的空调制冷，电能供应不足的情况经常发生。为了缓解电能紧张的状况，政府会强制拉闸限电，给人们的生活带来了诸多不便，也会给部分企业带来了巨大的经济损失。因此，积极探索新的发电方式、解决能源紧张问题势在必行。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理、实现方便且成本低、安装方便、能够获得稳定的电压输出、节约了资源、推广应用价值高的炮弹发电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种炮弹发电系统，其特征在于：包括利用炮弹发射能量发电的永磁同步发电机和用于将永磁同步发电机产生的交流电转换为稳定的直流电的整流降压电路，所述永磁同步发电机包括轴柱、固定连接在轴柱上的定子和转动连接在轴柱两端的两个转子，所述定子包括定子磁轭和缠绕在定子磁轭上的线圈绕组，所述定子磁轭的内圈固定连接在轴柱上，所述定子磁轭的外圈固定连接在炮弹的壳体上；所述转子包括转子磁轭、均匀安装在转子磁轭上的双数块永磁体和覆盖在双数块永磁体上且用于给双数块永磁体提供磁通回路的圆环盘，所述圆环盘与转子磁轭固定连接，所述转子磁轭与轴柱转动连接，相邻两块永磁体为一组永磁体，每组永磁体中两块永磁体的极性相同，相邻两组永磁体的极性相反，两个转子中同极性的永磁体相对放置；所述整流降压电路包括三相桥式整流电路和与三相桥式整流电路的输出端连接的buck电路，以及为buck电路提供pwm信号的pwm信号产生电路，所述三相桥式整流电路的输入端与线圈绕组连接，所述buck电路与pwm信号产生电路连接。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述定子磁轭包括圆环形的定子磁轭本体和均匀设置在定子磁轭本体上的多个用于缠绕线圈绕组的线圈槽。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述线圈绕组缠绕在线圈槽内后通过高强度结构胶与定子磁轭本体粘接。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述线圈绕组的形状为圆端形，所述线圈绕组采用单层集中绕法，所述线圈绕组穿出线圈槽后采用星形接法进行连接，再与三相桥式整流电路的输入端连接。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述定子磁轭的内圈通过高强度结构胶粘接在轴柱上，所述定子磁轭的外圈通过高强度结构胶粘接在炮弹的壳体上。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述转子磁轭上均匀设置有双数个永磁体安装孔，所述永磁体卡放在永磁体安装孔内且通过高强度结构胶与转子磁轭粘接。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述圆环盘通过高强度结构胶与转子磁轭粘接。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述转子磁轭通过深沟球轴承与轴柱转动连接。

上述的一种炮弹发电系统，其特征在于：所述buck电路的输出端接有5v稳压电源电路，所述三相桥式整流电路包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5和二极管d6，所述二极管d1的阳极与二极管d4的阴极连接后引出导线，作为三相桥式整流电路的a相电流输入端，所述二极管d2的阳极与二极管d5的阴极连接后引出导线，作为三相桥式整流电路的b相电流输入端，所述二极管d3的阳极与二极管d6的阴极连接后引出导线，作为三相桥式整流电路的c相电流输入端，所述二极管d1、二极管d2和二极管d3的阴极连接且为三相桥式整流电路的正极电压输出端，所述二极管d4、二极管d5和二极管d6的阳极连接且为三相桥式整流电路的负极电压输出端；所述buck电路包括功率mosfet管q、电感l1、二极管d7、极性电容c1和极性电容c2，所述功率mosfet管q的源极和极性电容c1的正极均与三相桥式整流电路的正极电压输出端连接，所述功率mosfet管q的漏极和二极管d7的阴极均与电感l1的一端连接，所述电感l1的另一端与极性电容c2的正极连接，且通过电阻r1与三相桥式整流电路的负极电压输出端连接，所述极性电容c1的负极、二极管d7的阳极和极性电容c2的负极均与三相桥式整流电路的负极电压输出端连接，所述极性电容c2的正极为buck电路的正极电压输出端，所述极性电容c2的负极为buck电路的负极电压输出端；所述5v稳压电源电路包括芯片l78l05abz、非极性电容c6和非极性电容c8，所述芯片l78l05abz的第3引脚和极性电容c6的正极均与buck电路的正极电压输出端连接，且通过非极性电容c7接地，所述极性电容c6的负极接地，所述芯片l78l05abz的第2引脚接地，所述芯片l78l05abz的第1引脚与非极性电容c8的正极连接，且通过并联的非极性电容c9和电阻r9接地，所述非极性电容c8的负极接地，所述芯片l78l05abz的第1引脚为5v稳压电源电路的5v电压输出端；所述pwm信号产生电路包括pwm控制芯片sg3525、二极管d8、二极管d9和极性电容c5，所述pwm控制芯片sg3525的第1引脚通过电阻r6与极性电容c2的正极连接，且通过电阻r7接地；所述pwm控制芯片sg3525的第2引脚通过电阻r2与5v稳压电源电路的5v电压输出端连接，且通过电阻r3接地；所述pwm控制芯片sg3525的第5引脚通过电容c4接地，所述pwm控制芯片sg3525的第6引脚通过电阻r5接地，所述pwm控制芯片sg3525的第7引脚与第5引脚之间接有电阻r4，所述pwm控制芯片sg3525的第8引脚与极性电容c5的正极连接，所极性电容c5的负极接地，所述pwm控制芯片sg3525的第9引脚与第1引脚之间接有非极性电容c3，所述pwm控制芯片sg3525的第11引脚与二极管d8的阳极连接，所述pwm控制芯片sg3525的第14引脚与二极管d9的阳极连接，所述二极管d8的阴极与二极管d9的阴极连接且为pwm信号产生电路的输出端，所述功率mosfet管q的栅极与pwm信号产生电路的输出端连接。

本发明还公开了一种结合炮弹发电系统的结构特点而设计、方法步骤简单、实现方便、能够获得稳定的电压输出、节约了资源、推广应用价值高的炮弹发电方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、连接炮弹与炮弹发电系统：将炮弹发电系统中定子磁轭的外圈通过高强度结构胶粘接在炮弹的壳体上；

步骤二、炮弹发电系统在炮弹发射过程中发电：当炮弹从炮筒里发射出来后，炮弹高速运行，与炮弹的壳体固定连接的定子随炮弹转动，缠绕在定子磁轭上的线圈绕组开始切割磁力线，感应出电动势，产生交流电并输出给整流降压电路，整流降压电路中的三相桥式整流电路将交流电转换为直流电，buck电路在pwm信号产生电路的控制下，输出稳定的12v电压；在定子随炮弹转动的过程中，永磁同步发电机得到的转矩和轴承与轴柱之间的摩擦力共同带动转子转动，当转子转动的角速度与定子转动的角速度相同时，永磁同步发电机停止发电。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明突破了传统发电的思路，利用炮弹发射时高速旋转的能量进行发电，不仅设计新颖合理，而且实现方便。

2、本发明永磁体的极性设置方式，能够使永磁同步发电机的铜耗较小，且能够获得高力矩密度和功率密度。

3、本发明线圈绕组采用单层集中绕法，与叠绕和波绕的布线方式相比，能够减小定子磁轭本体的厚度，这样就可以减小气隙的长度，从而就能提高气隙的磁密；另外，还能减小永磁同步发电机的体积，更方便了永磁同步发电机在炮弹里的安装。

4、本发明永磁同步发电机中很多部件均通过高强度结构胶粘接，这样的粘接方式，不仅加工安装方便，而且减小了永磁同步发电机的成本。

6、本发明整流降压电路的电路结构简单，实现成本低，且能够获得稳定的12v输出电压。

7、本发明的炮弹发电方法，结合炮弹发电系统的结构特点而设计，方法步骤简单，实现方便。

8、本发明既充分利用了炮弹高速旋转的优势，又得到了所需要的电能，节约了资源，推广应用价值高。

综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便且成本低，发电系统的安装方便，能够获得稳定的电压输出，节约了资源，推广应用价值高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的炮弹发电系统的连接框图。

图2为本发明永磁同步发电机的立体图。

图3为图1的主视图。

图4为本发明定子的结构示意图。

图5为本发明定子磁轭的结构示意图。

图6为本发明线圈绕组的结构示意图。

图7为本发明转子的结构示意图。

图8为本发明转子除去圆环盘外的结构示意图。

图9为本发明转子磁轭的结构示意图。

图10为本发明永磁体的结构示意图。

图11为本发明整流降压电路的电路原理图。

图12为本发明炮弹发电方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—永磁同步发电机；1-1—轴柱；1-2—定子；

1-21—定子磁轭；1-211—定子磁轭本体；1-212—线圈槽；

1-22—线圈绕组；1-3—转子；1-31—转子磁轭；

1-32—块永磁体；1-33—圆环盘；1-34—永磁体安装孔；

1-4—轴承；2—整流降压电路；2-1—三相桥式整流电路；

2-2—buck电路；2-3—pwm信号产生电路；2-4—5v稳压电源电路。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明的炮弹发电系统，包括利用炮弹发射能量发电的永磁同步发电机1和用于将永磁同步发电机1产生的交流电转换为稳定的直流电的整流降压电路2，所述永磁同步发电机1包括轴柱1-1、固定连接在轴柱1-1上的定子1-2和转动连接在轴柱1-1两端的两个转子1-3，结合图4、图5和图6，所述定子1-2包括定子磁轭1-21和缠绕在定子磁轭1-21上的线圈绕组1-22，所述定子磁轭1-21的内圈固定连接在轴柱1-1上，所述定子磁轭1-21的外圈固定连接在炮弹的壳体上；结合图7、图8、图9和图10，所述转子1-3包括转子磁轭1-31、均匀安装在转子磁轭1-31上的双数块永磁体1-32和覆盖在双数块永磁体1-32上且用于给双数块永磁体1-32提供磁通回路的圆环盘1-33，所述圆环盘1-33与转子磁轭1-31固定连接，所述转子磁轭1-31与轴柱1-1转动连接，相邻两块永磁体1-32为一组永磁体1-32，每组永磁体1-32中两块永磁体1-32的极性相同，相邻两组永磁体1-32的极性相反，两个转子1-3中同极性的永磁体相对放置；所述整流降压电路2包括三相桥式整流电路2-1和与三相桥式整流电路2-1的输出端连接的buck电路2-2，以及为buck电路2-2提供pwm信号的pwm信号产生电路2-3，所述三相桥式整流电路2-1的输入端与线圈绕组1-22连接，所述buck电路2-2与pwm信号产生电路2-3连接。

本发明中，永磁体1-32的极性设置方式构成了永磁体1-32的n-n型结构。两个转子1-3中同极性的永磁体1-32相对放置，使得两个气隙的磁通方向相反，而在两个转子1-3公共的定子磁轭1-21处磁通最大。当永磁同步发电机1运行时，在同一机械位置，定子1-2两边线圈绕组1-22的电势方向相反，线圈绕组1-22中通过的磁通刚好是最大的，可以获得高力矩密度和功率密度，这样线圈绕组1-22端部就会很短，永磁同步发电机1的铜耗较小，用于绕制线圈绕组1-22的铜线利用率高。

本实施例中，如图5所示，所述定子磁轭1-21包括圆环形的定子磁轭本体1-211和均匀设置在定子磁轭本体1-211上的多个用于缠绕线圈绕组1-22的线圈槽1-212。

本实施例中，所述线圈绕组1-22缠绕在线圈槽1-212内后通过高强度结构胶与定子磁轭本体1-211粘接。

本实施例中，如图6所示，所述线圈绕组1-22的形状为圆端形，所述线圈绕组1-22采用单层集中绕法，所述线圈绕组1-22穿出线圈槽1-212后采用星形接法进行连接，再与三相桥式整流电路2-1的输入端连接。线圈绕组1-22采用单层集中绕法，与叠绕和波绕的布线方式相比，能够减小定子磁轭本体1-211的厚度，这样就可以减小气隙的长度，从而就能提高气隙的磁密；另外，还能减小永磁同步发电机1的体积，更方便了永磁同步发电机1在炮弹里的安装。

本实施例中，所述定子磁轭1-21的内圈通过高强度结构胶粘接在轴柱1-1上，所述定子磁轭1-21的外圈通过高强度结构胶粘接在炮弹的壳体上。

本实施例中，如图9所示，所述转子磁轭1-31上均匀设置有双数个永磁体安装孔1-34，所述永磁体1-32卡放在永磁体安装孔1-34内且通过高强度结构胶与转子磁轭1-31粘接。

本实施例中，所述圆环盘1-33通过高强度结构胶与转子磁轭1-31粘接。

本实施例中，如图3所示，所述转子磁轭1-31通过深沟球轴承1-4与轴柱1-1转动连接。具体实施时，所述轴柱1-1与深沟球轴承1-4的内圈固定连接，所述转子磁轭1-31与深沟球轴承1-4的外圈固定连接。

由于永磁同步发电机1是安装在炮弹里的，是一次性产品，因此，将线圈绕组1-22缠绕在线圈槽1-212内后通过高强度结构胶与定子磁轭本体1-211粘接，将定子磁轭1-21的内圈通过高强度结构胶粘接在轴柱1-1上，将定子磁轭1-21的外圈通过高强度结构胶粘接在炮弹的壳体上，将永磁体1-32卡放在永磁体安装孔1-34内且通过高强度结构胶与转子磁轭1-31粘接，将圆环盘1-33通过高强度结构胶与转子磁轭1-31粘接，这样的粘接方式，不仅加工安装方便，而且减小了永磁同步发电机1的成本。

本实施例中，如图1和图11所示，所述buck电路2-2的输出端接有5v稳压电源电路2-4，所述三相桥式整流电路2-1包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5和二极管d6，所述二极管d1的阳极与二极管d4的阴极连接后引出导线，作为三相桥式整流电路2-1的a相电流输入端，所述二极管d2的阳极与二极管d5的阴极连接后引出导线，作为三相桥式整流电路2-1的b相电流输入端，所述二极管d3的阳极与二极管d6的阴极连接后引出导线，作为三相桥式整流电路2-1的c相电流输入端，所述二极管d1、二极管d2和二极管d3的阴极连接且为三相桥式整流电路2-1的正极电压输出端，所述二极管d4、二极管d5和二极管d6的阳极连接且为三相桥式整流电路2-1的负极电压输出端；所述buck电路2-2包括功率mosfet管q、电感l1、二极管d7、极性电容c1和极性电容c2，所述功率mosfet管q的源极和极性电容c1的正极均与三相桥式整流电路2-1的正极电压输出端连接，所述功率mosfet管q的漏极和二极管d7的阴极均与电感l1的一端连接，所述电感l1的另一端与极性电容c2的正极连接，且通过电阻r1与三相桥式整流电路2-1的负极电压输出端连接，所述极性电容c1的负极、二极管d7的阳极和极性电容c2的负极均与三相桥式整流电路2-1的负极电压输出端连接，所述极性电容c2的正极为buck电路2-2的正极电压输出端，所述极性电容c2的负极为buck电路2-2的负极电压输出端；所述5v稳压电源电路2-4包括芯片l78l05abz、非极性电容c6和非极性电容c8，所述芯片l78l05abz的第3引脚和极性电容c6的正极均与buck电路2-2的正极电压输出端连接，且通过非极性电容c7接地，所述极性电容c6的负极接地，所述芯片l78l05abz的第2引脚接地，所述芯片l78l05abz的第1引脚与非极性电容c8的正极连接，且通过并联的非极性电容c9和电阻r9接地，所述非极性电容c8的负极接地，所述芯片l78l05abz的第1引脚为5v稳压电源电路2-4的5v电压输出端；所述pwm信号产生电路2-3包括pwm控制芯片sg3525、二极管d8、二极管d9和极性电容c5，所述pwm控制芯片sg3525的第1引脚通过电阻r6与极性电容c2的正极连接，且通过电阻r7接地；所述pwm控制芯片sg3525的第2引脚通过电阻r2与5v稳压电源电路2-4的5v电压输出端连接，且通过电阻r3接地；所述pwm控制芯片sg3525的第5引脚通过电容c4接地，所述pwm控制芯片sg3525的第6引脚通过电阻r5接地，所述pwm控制芯片sg3525的第7引脚与第5引脚之间接有电阻r4，所述pwm控制芯片sg3525的第8引脚与极性电容c5的正极连接，所极性电容c5的负极接地，所述pwm控制芯片sg3525的第9引脚与第1引脚之间接有非极性电容c3，所述pwm控制芯片sg3525的第11引脚与二极管d8的阳极连接，所述pwm控制芯片sg3525的第14引脚与二极管d9的阳极连接，所述二极管d8的阴极与二极管d9的阴极连接且为pwm信号产生电路2-3的输出端，所述功率mosfet管q的栅极与pwm信号产生电路2-3的输出端连接。

本实施例中，所述buck电路2-2输出的电压为12v。

所述buck电路2-2中，所述pwm控制芯片sg3525的第1引脚为其内部误差放大器的反相输入端，该误差放大器共模输入电压范围是1.5v～5.2v，因此，所述buck电路2-2输出的12v电压经过由电阻r6和电阻r7组成的分压电路分压后输出到所述pwm控制芯片sg3525的第1引脚。所述pwm控制芯片sg3525的第2引脚为其内部误差放大器的同相输入端，所述5v稳压电源电路2-4输出的5v电压经过由电阻r2和电阻r3组成的分压电路分压后，得到2.5v的基准比较电压，输出到所述pwm控制芯片sg3525的第2引脚，与pwm控制芯片sg3525的第1引脚输入的电压进行比较。所述pwm控制芯片sg3525的第5引脚为震荡电容端，非极性电容c4为震荡电容，取值为0.1uf，在非极性电容c4两端可以得到一个从0.6v到3.5v变化的锯齿波。所述pwm控制芯片sg3525的第6引脚为震荡电阻端，电阻r5为震荡电阻，取值为2kω～150kω，电阻r5的阻值越大，pwm控制芯片sg3525对非极性电容c4的充电时间越长。所述pwm控制芯片sg3525的第7引脚为放电端，所述非极性电容c4的放电由所述pwm控制芯片sg3525的第5引脚和第7引脚之间的死区电阻r4决定，把充电和放电电路分开，有利与通过死区电阻r4来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽，所述电阻r4的取值为0～500ω，电阻r4和非极性电容c4越大放电时间越长，反之则放电时间短。所述pwm控制芯片sg3525的第8引脚为软启动端，所述极性电容c5为软启动电容，极性电容c5由pwm控制芯片sg3525内部的50ua恒流源充电。所述pwm控制芯片sg3525的第9引脚为补偿端，在所述pwm控制芯片sg3525的第9引脚与第1引脚之间接非极性电容c3，构成pi调节器，补偿端工作电压范围为1.5v～5.2v，当buck电路2-2输出的电压小于12v时，所述pwm控制芯片sg3525的第1引脚的电信号将小于第2引脚，所述pwm控制芯片sg3525的第11引脚和第14引脚将产生pwm波，驱动功率mosfet管q开通，增大pwm的占空比，从而升高buck电路2-2输出的电压；反之，当buck电路2-2输出的电压大于12v时，所述pwm控制芯片sg3525的第1引脚的电信号将大于第2引脚，所述pwm控制芯片sg3525的第11引脚和第14引脚不产生pwm波，功率mosfet管q关断，从而降低buck电路2-2输出的电压；从而使buck电路2-2输出的电压维持在12v。

如图12所示，本发明的炮弹发电方法，包括以下步骤：

步骤一、连接炮弹与炮弹发电系统：将炮弹发电系统中定子磁轭1-21的外圈通过高强度结构胶粘接在炮弹的壳体上；

步骤二、炮弹发电系统在炮弹发射过程中发电：当炮弹从炮筒里发射出来后，炮弹高速运行，与炮弹的壳体固定连接的定子1-2随炮弹转动，缠绕在定子磁轭1-21上的线圈绕组1-22开始切割磁力线，感应出电动势，产生交流电并输出给整流降压电路2，整流降压电路2中的三相桥式整流电路2-1将交流电转换为直流电，buck电路2-2在pwm信号产生电路2-3的控制下，输出稳定的12v电压；在定子1-2随炮弹转动的过程中，永磁同步发电机1得到的转矩和轴承1-4与轴柱1-1之间的摩擦力共同带动转子1-3转动，当转子1-3转动的角速度与定子1-2转动的角速度相同时，永磁同步发电机1停止发电。

其中，永磁同步发电机1得到的转矩是所述buck电路2-2的输出功率减去永磁同步发电机1的杂散损耗后，再除以定子1-2的角速度得到的。

综上所述，本发明突破了传统发电的思路，利用炮弹发射时高速旋转的能量进行发电，能够获得稳定的电压输出，节约了资源，推广应用价值高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。