一种用于水下无人航行器的自动发电装置

本发明涉及水下发电技术领域，特别是涉及一种用于水下无人航行器的自动发电装置。

背景技术

随着现代科学技术的飞速发展,海洋这个拥有巨大资源的广阔区域,必将成为许多国家竞相开发和利用的领域以及必要的军事战略要地。同样水下航行器作为探索海洋的有效工具受到了各国的重视,从而得到了突飞猛进的发展。在军事方面可用于水下探测,水下侦察和水下通信与导航等。在民用方面可用于海洋环境调查、海底地形地貌勘探、失事船只搜索与打捞等。但如今的水下航行器基本上都采用锂电池供电,这会导致其水下巡航时间短、充电困难、探索范围小等缺点。同时,现在水下航行器的充电主要是返回岸基和甲板进行充电或者通过电缆进行水下湿插拔式充电，这两种充电方式的自动化程度都较低,而且由于湿插拔所需的插拔力较大会导致接口磨损严重,使得充电次数有限。传统的水下无人航行器由于体积小，容量有限，造成电源系统能量有限，因而续航能力不强，不能长时间航行，若测量的目标地点过远，还需要用其它载具携带水下无人航行器至目标区域投放，十分不方便。

近年来，国内外学者对水下航行器长时间航行问题进行了大量的研究，并且提出了很多建设性的意见，但他们都具有一定的不足。例如中国专利公开号CN106351781A、名称为“一种基于海浪-光能互补发电的水下航行器感应充电系统”，该发明指出：如果水下航行器进行远距离探测时，这种充电方式需要布置大量的集洋面漂浮模块、海浪发电模块、光能发电模块、储能模块及水下非接触充电模块，这使得成本增加，减弱了隐蔽性和安全性，并且也为其它在海面航行的船舶增加了安全隐患。中国专利公开号CN107235130A，名称为“一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置”，对于安装这种装置的长期工作在海面以下的水下航行器，当需要充电时，航行器还需上浮到海面上才能发挥最大的作用，从而会使航行器相应的调节系统更加复杂。中国专利公开号CN104196685A，名称为“利用风能或水流能充电续航的螺旋桨”，如果利用风能充电，飞行器停泊位置、固定方法等还需要解决：若是停在地面，风力很弱，发电量低，若是停在高处，风力很强，使飞行器无法固定；如果利用水流能充电，这种两叶片的螺旋桨结构的推进效果不好，同时水下发电效率很低。

中国专利公开号CN110391724A名称为“一种无输出轴的球形感应电机”，该发明电机无固定的输出轴结构，可以实现转子围绕球心的多自由度无死角的旋转运动，这种多自由度运动源于多个定子的共同作用，通过改变电机定子组中每一个弧形电机定子的供电状况，可以分别对每一个单元电机的推力输出进行控制，进而改变电机组的合力输出，实现不同方向、不同大小的动力输出。但经线环和纬线环需要具有足够的刚度，否则易导致表面因定子支架形变导致定子单元与球壳转子之间的气隙不均匀，以及牛眼轴承与球壳转子之间的受力不均匀。对于中国专利公开号CN105226891A、名称为“一种球形电机”，该发明能够实现动子(即轮子)向平面内的任意方向转动,结构简单,在多自由度设备中有很好的应用前景。当其安装在车上充当轮子时能够简化传动机构,实现电机的快速响应,方便车子的转向；当做为关节使用时可以获得更加灵活的动作，但不易对电机的推力输出进行控制。对于中国专利公开号CN202160025U、名称为“多自由度球形电机”，该实用新型的多自由度球形电机,大大地简化了机械系统的结构,降低了生产成本,且体积小、重量轻,系统的动态、静态性能高。然而其本质仍然没有摆脱传统的有输出轴形式，其多自由度运动的实现以主运动为基准，并且有角度范围限制。

上述的三种球形电机及其它种类的球形电机都是用于电力传动，不具备水下发电能力。本发明专利在考虑水下无人航行器姿态和球形电机的结构特点基础上提出的一种适用于水下无人航行器的自动发电装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于水下无人航行器的自动发电装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现活动球拽动转子球使发电舱进行发电，四个定子瓣里的交流绕组内交流电通过整流器整流后为蓄电池充电，延长水下无人航行器的航行周期和工作时间。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于水下无人航行器的自动发电装置，用于水下无人航行器，包括支架，发电舱和活动球；

所述发电舱包括定子瓣，滚珠和转子球；所述定子瓣与所述支架固定连接；所述定子瓣设置有四块；四所述定子瓣组合成型一球体，且所述球体为顶底不封闭结构；

每一所述定子瓣内均安装有一套交流绕组；四所述交流绕组相互串/并联；

所述转子球外表面贴设有若干块N极和S极相互交错的永磁体；所述滚珠置于所述定子瓣内侧与所述永磁体之间；

所述转子球通过连接绳连接有所述活动球；所述电磁绕组与所述整流器电性连接，所述整流器与所述水下无人航行器的蓄电池电性连接。

所述支架包括固定支架，支撑盘和支撑架；所述固定支架固定安装在所述水下无人航行器上；所述支撑盘固定安装于所述固定支架中部固定安装有所述支撑盘；所述支撑盘底面安装有若干个支撑架；每一所述支撑架均与一所述定子瓣外侧壁固定连接。

所述定子瓣为中部凹陷的弧形块；所述定子瓣一侧面顶端形成有凸起，所述定子瓣另一侧面底端形成有凹槽；所述凸起与所述凹槽形状适配，相邻所述定子瓣彼此连接形成所述球体。

所述定子瓣内侧开设有若干个安装槽；所述安装槽居中设置，且所述安装槽内嵌设有所述交流绕组；所述安装槽的长度为所述定子瓣横截宽度的0.7-0.76倍。

所述定子瓣的定子齿部还开设有球形槽；所述球形槽置于两所述安装槽之间；所述滚珠置于所述球形槽内。

所述交流绕组为叠绕组方式构成。

所述永磁铁的外表面涂有减摩涂层，用于减小所述永磁体表面和所述滚珠的摩擦。

所述转子球为空心铁芯结构。

本发明公开了以下技术效果：本发明中的球形发电机为一不完全闭合的球形发电舱，定子部分由4个定子瓣2组合而成，每个定子瓣中都含有一套交流绕组，使得小球在前后左右摆动时都可以进行发电。

本发明利用水下航行器在行进中小球的摆动作为动能拽动发电机转子进行发电，减少了能源的浪费，同时也可持续地为蓄电池进行充电，延长水下无人航行器的航行周期和工作时间。

本发明中的球形发电舱无固定的输出轴结构，可以实现转子围绕球心的多自由度无死角的旋转运动，结构简单、控制简单。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明安装示意图。

图2为部分定子瓣示意图。

图3为一定子球瓣立体结构示意图。

图4为自动发电装置工作原理图。

其中，1活动球,2定子瓣,3滚珠,4转子球,5交流绕组,6安装槽,7球形槽,8连接绳,9永磁体,10固定支架,11支撑架,12减摩涂层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种用于水下无人航行器的自动发电装置，用于水下无人航行器，包括支架，整流器，发电舱和活动球1；

发电舱包括定子瓣2，滚珠3和转子球4；定子瓣2与支架固定连接；定子瓣2设置有四块；四定子瓣2组合成型一球体，且球体为顶底不封闭结构；

每一定子瓣2内均安装有一套交流绕组5；四交流绕组5相互串/并联；

转子球4外表面贴设有若干块N极和S极相互交错的永磁体9；滚珠3置于定子瓣2内侧与永磁体9之间；

转子球4通过连接绳8连接有活动球1，电磁绕组5与所述整流器电性连接，整流器与水下无人航行器的蓄电池电性连接。

支架包括固定支架10，支撑盘和支撑架11；固定支架10固定安装在水下无人航行器上；支撑盘固定安装于固定支架10中部固定安装有支撑盘；支撑盘底面安装有若干个支撑架11；每一支撑架11均与一定子瓣2外侧壁固定连接。

定子瓣2为中部凹陷的弧形块；定子瓣2一侧面顶端形成有凸起，定子瓣2另一侧面底端形成有凹槽；凸起与凹槽形状适配，相邻定子瓣2彼此连接形成球体。

定子瓣2内侧开设有若干个安装槽6；安装槽6居中设置，且安装槽6内嵌设有交流绕组5；安装槽6的长度为定子瓣2横截宽度的0.7-0.76.

定子瓣2的定子齿部还开设有球形槽7；球形槽7置于两安装槽6之间；滚珠3置于球形槽7内。

交流绕组5为叠绕组方式构成。

永磁铁9的外表面涂有减摩涂层12，用于减小永磁体9表面和滚珠3的摩擦。

转子球4为空心铁芯结构。

在本发明的一个实施例中，该球形发电机定子部分由4个定子瓣2组成，每个定子瓣2中都包含一套交流绕组5，分别在活动球1前后左右摆动时感应出交流电，在实际应用中，可根据电压的需要将4个定子瓣2的四套交流绕组5进行串联或并联的不同形式组合。

在本发明的另一个实施例中，四套交流绕组不同形式的组合主要是考虑实际应用时对电压和电流的需要选择不同的串联或并联组合方式。对电压要求过大时，考虑串联形式；对电流要求过大时考虑并联形式。

在本发明的另一个实施例中，每个定子瓣2一侧端凸出，另一侧端凹陷，凸出部分和凹陷部分相互匹配，能够紧密贴合，因此在实际安装时四个定子瓣2可采用扣合的方式进行紧密装配。

进一步的，定子瓣2包括开设有安装槽的定子铁心5和嵌入安装槽6的交流绕组5，且每个定子瓣2至少能够包含一对永磁体9，使得每个定子瓣2上的交流绕组5在活动球1摆动时可以切割磁力线进行发电。

图3中的交流绕组5采用叠绕组方式构成,交流绕组5的嵌放可按常规感应电机的嵌放方式及工艺进行。定子交流绕组5为绕在所有定子齿上的集中绕组线圈，线圈以漆包线绕制。

进一步的，定子瓣2的两个安装槽6之间为定子齿，即为三维定子瓣2两安装槽6之间的部位。

滚珠3为非导磁不锈钢材料，放置在定子铁心和转子球4的中间部分，在定子铁心中的齿部加工有球形槽7,滚珠3安放在其中用于固定转子球4。转子球4为空心铁芯结构，转子球4表面贴有N极和S极相互交错的永磁体9，永磁体9沿着转子球4的球面弧度进行粘贴，以实现永磁体9与转子球4的紧密贴合。永磁体9的外表面涂有减摩涂层12，以减小永磁体9表面和滚珠3的摩擦。

在本发明的一个实施方案中，标准尺寸的滚珠3保证了转子球4的外表面与定子瓣2之间气隙均匀，能够与定子瓣2之间产生相对转动。

本发明的安装方式如图1所示，该发电装置为一不顶底封闭的球形发电舱，定子部分未完全将转子球4包裹在其中，用一连接绳8的一端连接电机的转子球4，一端连接一个合适重量的活动球1。使得活动球1在摆动时存在一定的摆动空间。

无人航行器在水下行驶和静止时，受洋流等的影响使水下无人航行器发生横荡、纵荡、横摇和纵摇，即左右和前后的位置发生了变化，导致活动球1前后左右摆动，利用活动球1摆动时的动能拽动转子球4进行发电，四个定子瓣里的交流绕组5内交流电通过整流器整流后为蓄电池充电，延长水下无人航行器的航行周期和工作时间。此自动发电装置用于水下无人航行器时，可将整个装置密封在真空罩中，以保证航行器中其余重要设施的安全运行不受影响，并减少了整个发电装置的摩擦损耗，以及维持永磁体等部分性能指标不变。

对于悬挂的活动球1需要考虑一定的重量，既要使得活动球1在水下航行时可以正常的摆动拽动转子进行发电，又要防止小球重量过重在水下航行时难以摆动。小球重量的选择方法：假设小球质量为m,连接绳8长度为L，首先确定发电机的功率，按输出电压求得输出电流，确定电机内电磁场的磁场强度H和磁通密度B，从而推算出转子永磁体9所产生的输入转矩，输入转矩等于力与力臂的乘积，由此可确定活动球1的重量m和软绳6长度L之间的关系，当连接绳8长度L一定时，即可求出活动球1的重量m。

工作原理：本发明的自动发电装置利用连接绳8摆动时的动能，拽动球形发电机转子，转子永磁体9产生运动磁场，四个定子瓣2里的交流绕组5感应出不稳定的交流电，交流电通过整流器整流后为蓄电池充电。用于水下无人航行器时，能够大幅度提升水下航行器的航行周期和工作时间。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。