本發(fā)明屬于水下推進(jìn)動(dòng)力領(lǐng)域，涉及一種二維交叉陣列式電磁流體表面矢量推進(jìn)器及運(yùn)用該推進(jìn)器的水下裝置，適合于任意勵(lì)磁方式、任意水下裝置表面形狀、任意勵(lì)磁裝置和表面電極數(shù)量的二維交叉陣列式電磁流體表面矢量推進(jìn)器。

背景技術(shù)：

在航海領(lǐng)域，螺旋槳推進(jìn)器長(zhǎng)期以來一直是船舶的主要推進(jìn)工具，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作靈活、機(jī)動(dòng)性能好、推進(jìn)功率大和效率高等特點(diǎn)。然而，由于其本身結(jié)構(gòu)而固有的缺陷卻一直沒有得到消除。螺旋槳推進(jìn)器的螺旋槳和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之間均為剛性連接,在工作時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并且在螺旋槳葉片的尖端還會(huì)產(chǎn)生氣泡，這些氣泡不僅引起船尾的振動(dòng)和噪聲，還會(huì)導(dǎo)致葉片的剝蝕。螺旋槳的振動(dòng)噪聲和空泡現(xiàn)象使推進(jìn)器的效率降低，從而限制了船速的提高。電磁流體推進(jìn)是利用導(dǎo)電流體中電流和磁場(chǎng)間的相互作用力使導(dǎo)電流體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生推力的一種推進(jìn)方式。這種方式把導(dǎo)電流體作為導(dǎo)電體，利用磁體在通道中建立磁場(chǎng)，當(dāng)導(dǎo)電流體中通過電流時(shí)(電流由電極或變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生)，載流導(dǎo)電流體就會(huì)在與它垂直的磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，其方向按照左手定則確定。導(dǎo)電流體受力時(shí)沿電磁力的方向運(yùn)動(dòng)，其反作用力即推力推進(jìn)航行器運(yùn)動(dòng)。改變電流的大小和方向，可以相應(yīng)改變電磁推力的大小和方向，航行器運(yùn)動(dòng)的方向也隨之改變。航行器采用磁流體推進(jìn)后，可以獲得超低噪音、高航行速度、布局靈活等優(yōu)點(diǎn)。

然而，傳統(tǒng)的電磁流體表面推進(jìn)技術(shù)，勵(lì)磁裝置的磁極和電極簡(jiǎn)單排列，因此產(chǎn)生的推力方向單一，導(dǎo)致水下裝置的運(yùn)動(dòng)形式單一，限制了運(yùn)動(dòng)靈活性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明提供了一種具備超低噪聲、超高可靠性和靈活性的二維交叉陣列式電磁流體表面矢量推進(jìn)器及運(yùn)用該推進(jìn)器的水下裝置。

技術(shù)方案：本發(fā)明公開了一種電磁流體表面矢量推進(jìn)器，包括勵(lì)磁裝置、表面電極、絕緣不導(dǎo)磁基座、電極開關(guān)、導(dǎo)線、電源；勵(lì)磁裝置和表面電極以二維陣列的方式放置在不導(dǎo)磁基座上；勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)方向與推進(jìn)器的外表面法向平行，相鄰兩個(gè)勵(lì)磁裝置的磁場(chǎng)方向相反，呈現(xiàn)出二維交叉陣列的形式；表面電極分布在推進(jìn)器外表面上，與外界相接觸；相鄰的兩個(gè)勵(lì)磁裝置之間有一個(gè)表面電極；任意一個(gè)表面電極均通過一個(gè)電極開關(guān)和導(dǎo)線與電源相連接。

本發(fā)明的勵(lì)磁裝置為永磁體、電勵(lì)磁裝置或混合勵(lì)磁裝置。

本發(fā)明的電極開關(guān)有三種工作狀態(tài)，即關(guān)斷狀態(tài)、與電源正極相連接、與電源負(fù)極相連接，一個(gè)電極開關(guān)在同一時(shí)刻只能處于上述三種工作狀態(tài)的一種；且各電極開關(guān)相互獨(dú)立工作。

本發(fā)明的電源為電壓源或電流源，且本發(fā)明的電源為交流電源或直流電源。

本發(fā)明的表面電極具有三種工作狀態(tài)，即不通電、與電源正極連接、與電源負(fù)極連接，一個(gè)表面電極在同一時(shí)刻只能處于上述三種工作狀態(tài)中的一種；且任意的兩個(gè)表面電極相互獨(dú)立工作。

本發(fā)明還公開了一種運(yùn)用該電磁流體表面矢量推進(jìn)器的水下裝置，包括水下裝置主體和推進(jìn)器，該推進(jìn)器設(shè)置在水下裝置主體上配合完成運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)模式、水平橫向移動(dòng)模式、加速上升移動(dòng)模式、翻滾模式。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的推進(jìn)器上的表面電極包括通電表面電極和未通電表面電極；

前進(jìn)模式時(shí)，通電表面電極與其相鄰的勵(lì)磁裝置所在的方位線與水下裝置主體的軸線垂直；

水平橫向移動(dòng)模式時(shí)，通電表面電極位于水下裝置主體的頂部和底部，通電表面電極與其相鄰的勵(lì)磁裝置所在的方位線與水下裝置主體的軸線平行；

加速上升移動(dòng)模式運(yùn)動(dòng)時(shí)，通電表面電極位于水下裝置主體的兩側(cè)，通電表面電極與其相鄰的勵(lì)磁裝置所在的方位線與水下裝置主體的軸線平行；

翻滾模式運(yùn)動(dòng)時(shí)，通電表面電極也位于水下裝置主體的兩側(cè)，通電表面電極與其相鄰的勵(lì)磁裝置所在的方位線與水下裝置主體的水平軸線平行，通過控制通電表面電極的極性，使得兩側(cè)的推力方向相反，水下裝置主體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠厮捷S線翻滾。

翻滾模式運(yùn)動(dòng)時(shí)，通電表面電極也可以位于水下裝置主體的頂部和底部，分為位于頭部的一組和位于尾部的一組，通電表面電極與其相鄰的勵(lì)磁裝置所在的方位線與水下裝置主體的豎直軸線平行，控制通電表面電極的極性，可以使得位于頭部的推力方向與位于尾部的推力方向相反，水下裝置主體的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠剌S線原地旋轉(zhuǎn)。

有益效果：本發(fā)明提出了一種二維交叉陣列式電磁流體表面矢量推進(jìn)器，通過對(duì)勵(lì)磁裝置和表面電極的巧妙排布，形成了一種具備矢量化推力的推進(jìn)器，極大提高了水下運(yùn)動(dòng)裝置的靈活性，可以獲得諸如橫向移動(dòng)、翻滾、原地旋轉(zhuǎn)等多種工作模式，為本發(fā)明在水下巡航和交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極大的前景。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.傳統(tǒng)的電磁流體推進(jìn)技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退兩個(gè)方向上的推力，如果需獲得方向可調(diào)的推力，則要借助推進(jìn)器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，且推力方向的可調(diào)范圍受到限制，并顯著削弱推進(jìn)器的可靠性。而本發(fā)明的推進(jìn)器，不需要借助機(jī)械運(yùn)動(dòng)，在維持推進(jìn)器可靠性的前提下，僅通過調(diào)節(jié)表面電極的通電大小和正負(fù)即可實(shí)現(xiàn)矢量化的推力方向，即獲得沿任意方向的推力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下裝置的橫向移動(dòng)，加速上升或下降等動(dòng)作。例如，橫向移動(dòng)能力可以極大的減小水下裝置對(duì)?？靠臻g、進(jìn)出通道的形狀和大小的要求。

2.本發(fā)明的推進(jìn)器的矢量化推力，不僅局限于推進(jìn)器的整體控制模式，還可應(yīng)用于分塊控制模式，即可以對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行分塊控制，以獲得更大的運(yùn)動(dòng)靈活性。例如，將本發(fā)明的二維陣列式電磁流體表面矢量推進(jìn)器布滿水下裝置外表面，當(dāng)推進(jìn)器前半部推力方向和后半部推力相反時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，極大的減小了水下裝置的轉(zhuǎn)彎半徑；當(dāng)左側(cè)的推力向上，而右側(cè)的推力向下時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)沿軸線的翻滾動(dòng)作，可用來協(xié)助維持水下裝置的平衡姿態(tài)。

3.本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器無需使用強(qiáng)大的脈沖勵(lì)磁電流或是超導(dǎo)體，進(jìn)而避免了對(duì)大功率電磁脈沖等特殊電源的要求，實(shí)現(xiàn)難度低，且安全性高。

4.本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器中任意的兩個(gè)勵(lì)磁裝置和二者之間的表面電極可以構(gòu)成一個(gè)推進(jìn)器單元，各推進(jìn)器單元之間相互獨(dú)立，任意部位的損壞均不影響其余部位繼續(xù)運(yùn)行，因此具有極高的容錯(cuò)性能和冗余性能，即極高的可靠性。

5.本發(fā)明電磁流體推進(jìn)器中，電磁推力分布式在水下裝置的外表面，可有效避免傳統(tǒng)集中式推力下水流易于被追蹤的缺點(diǎn)，非常適合于需要超高靜音和超低擾動(dòng)的運(yùn)行領(lǐng)域，例如潛艇或魚群監(jiān)測(cè)裝置等。

6.本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器中，當(dāng)勵(lì)磁裝置采用永磁體時(shí)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)效率，緩解了發(fā)熱情況，降低了對(duì)電源容量的需求。

7.本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器中，勵(lì)磁裝置和表面電極等關(guān)鍵發(fā)熱部件與周圍環(huán)境直接接觸，提高了系統(tǒng)散熱效率。

8.本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器可采用模塊化的加工方式，加工難度低、易于裝配。尤其是可維護(hù)性高，在維修時(shí)僅需替換損壞部位，維修成本低、時(shí)間短。

綜合上述可知，本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器在水下巡航、交通、監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的二維交叉陣列式電磁流體表面矢量推進(jìn)器示意圖，其中有：勵(lì)磁裝置1、表面電極2、絕緣不導(dǎo)磁基座3、電極開關(guān)4、導(dǎo)線5、電源6。

圖2是圖1的俯視圖，其中有勵(lì)磁裝置1、表面電極2、絕緣不導(dǎo)磁基座3。

圖3是本發(fā)明電磁流體推進(jìn)器的工作原理示意圖。

圖4是前進(jìn)移動(dòng)模式和相應(yīng)的電極通電方式、推力方向示意圖。

圖5是水平橫向移動(dòng)模式和相應(yīng)的電極通電方式、推力方向示意圖。

圖6是加速上升模式和相應(yīng)的電極通電方式、推力方向示意圖。

圖7是沿軸線翻滾模式和相應(yīng)的電極通電方式、推力方向示意圖。

圖8是原地旋轉(zhuǎn)模式和相應(yīng)的電極通電方式、推力方向示意圖。

具體實(shí)施方式

以如圖1和圖2所示的二維交叉陣列式電磁流體表面矢量推進(jìn)器(下文中簡(jiǎn)稱電磁流體推進(jìn)器)為例，結(jié)合圖3至圖8所示的工作原理和運(yùn)動(dòng)模式，具體說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器包括勵(lì)磁裝置1、表面電極2、絕緣不導(dǎo)磁基座3、電極開關(guān)4、導(dǎo)線5、電源6；勵(lì)磁裝置1和表面電極2以二維陣列的方式放置在不導(dǎo)磁基座3上；勵(lì)磁裝置1的磁場(chǎng)方向與推進(jìn)器的外表面法向平行，相鄰兩個(gè)勵(lì)磁裝置1的磁場(chǎng)方向相反，呈現(xiàn)出二維交叉陣列的形式；表面電極2分布在推進(jìn)器外表面上，與外界相接觸；兩個(gè)相鄰的勵(lì)磁裝置1之間設(shè)有一個(gè)表面電極2；任意一個(gè)表面電極2均通過一個(gè)電極開關(guān)4、導(dǎo)線5與電源6相連接；所述電極開關(guān)4有三種工作狀態(tài)，即關(guān)斷狀態(tài)、與電源6正極相連接、與電源6負(fù)極相連接；所述電極開關(guān)4相互獨(dú)立工作。

此電磁流體推進(jìn)器的勵(lì)磁裝置為永磁體、電勵(lì)磁裝置或混合勵(lì)磁裝置。

此電磁流體推進(jìn)器的電源為電壓源或電流源。

此電磁流體推進(jìn)器的電源為直流電源或交流電源。

此電磁流體推進(jìn)器的表面電極2具有三種工作狀態(tài)，即不通電、與電源正極連接、與電源負(fù)極連接，一個(gè)表面電極在同一時(shí)刻只能處于上述三種工作狀態(tài)中的一種。

此電磁流體推進(jìn)器的任意兩個(gè)表面電極2均相互獨(dú)立工作。

圖3所示是本發(fā)明電磁流體推進(jìn)器的工作原理，根據(jù)洛倫茲力的產(chǎn)生原理，當(dāng)勵(lì)磁裝置1的磁場(chǎng)方向和表面電極2的通電方式如圖3所示時(shí)，可以產(chǎn)生沿Z軸負(fù)方向的洛倫茲力，此洛倫茲力推動(dòng)周圍水流運(yùn)動(dòng)，反作用力推動(dòng)水下裝置a沿Z軸正方向運(yùn)動(dòng)。

圖4所示是前進(jìn)模式，其中標(biāo)號(hào)20為通電表面電極，21為未通電表面電極。此時(shí)，通電表面電極20與其相鄰的勵(lì)磁裝置1所在的方位線與水下裝置a的軸線垂直，因此根據(jù)圖3所示的工作原理，此時(shí)產(chǎn)生的推力方向與水下裝置a的軸線平行，于是水下裝置a的運(yùn)動(dòng)方向也與軸線平行。通過改變通電表面電極20的電壓大小和極性，可以改變電磁推力的大小和方向。

圖5所示是水平橫向移動(dòng)模式。此時(shí)，通電表面電極20位于水下裝置a的頂部和底部，通電表面電極20與其相鄰的勵(lì)磁裝置1所在的方位線與水下裝置a的軸線平行，因此根據(jù)圖3所示的工作原理，通過合理控制通電表面電極20的極性，可以使得推力方向與水下裝置a的軸線垂直，且與水平面平行，于是水下裝置a的運(yùn)動(dòng)方向也與軸線垂直，呈現(xiàn)為水平橫向移動(dòng)模式。

圖6所示是加速上升移動(dòng)模式。此時(shí)，通電表面電極20位于水下裝置a的兩側(cè)，通電表面電極20與其相鄰的勵(lì)磁裝置1所在的方位線與水下裝置a的軸線平行，因此根據(jù)圖3所示的工作原理，合理控制通電表面電極20的極性，可以使得推力方向與水下裝置a的軸線垂直，且與水平面垂直，于是水下裝置a的運(yùn)動(dòng)方向也與軸線垂直，呈現(xiàn)為加速上升模式。

圖7所示是沿軸線翻滾模式。此時(shí)，通電表面電極20也位于水下裝置a的兩側(cè)，通電表面電極20與其相鄰的勵(lì)磁裝置1所在的方位線與水下裝置a的軸線平行，通過控制通電表面電極20的極性，可以使得兩側(cè)的推力方向相反，于是水下裝置a運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠剌S線翻滾。

圖8所示，此時(shí)，通電表面電極20位于水下裝置a的頂部和底部，可以分為位于頭部的一組和位于尾部的一組，通電表面電極20與其相鄰的勵(lì)磁裝置1所在的方位線與水下裝置a的軸線平行，因此根據(jù)圖3所示的工作原理，合理控制通電表面電極20的極性，可以使得位于頭部的推力方向與位于尾部的推力方向相反，于是水下裝置a的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠貓D中所示軸線原地旋轉(zhuǎn)。

本發(fā)明電磁流體裝置的運(yùn)動(dòng)模式包括，但不限于圖4至圖8所示的運(yùn)動(dòng)模式。本發(fā)明的電磁流體推進(jìn)器，通過巧妙的排布勵(lì)磁裝置和表面電極，非但可以獲得沿任意方向的矢量化電磁推力，而且可以實(shí)現(xiàn)原地翻滾、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，極大的拓展了水下裝置的運(yùn)動(dòng)靈活性。