一种用于水下用电设备的耗能装置及一种水下用电设备的制作方法

1.本技术涉及一种用于水下用电设备的耗能装置及一种水下用电设备。


背景技术：

2.目前，现有的水下机器人的动力系统由水下电机与驱动电路组成。当电机刹车时，一般需要切断母线的电能供给。但是电机因机械惯性而继续转动。此时电机处于而发电状态，把机械能转换成电能，反向输送直流母线中。这时如果没有采取吸收再生能量的措施，这部分能量将导致直流母线电压升高。升高的电压可能会对驱动电路造成损坏，甚至造成直流母线上的其他电路损坏。因此需要一种水下电机刹车能量吸收装置，对再生能量进行吸收以保护水下机器人的驱动电路以及其他电路不受损坏。
3.目前消耗再生能量最常用的办法为：1.增大直流母线电容的容量吸收电机再生能量，但是需要的电容数量会很多，这无疑会影响水下机器人的整体体积。2.利用并联在直流母线上制动电阻吸收再生能量，但是制动电阻普遍体积较大，也会影响水下机器人的整体体积。


技术实现要素：

4.本技术旨在提供一种用于水下用电设备的耗能装置，包括：至少一个耗能单元，所述耗能单元包括：第一开关管；第二开关管，所述第二开关管的控制端与所述第一开关管的第二端连接，所述第二开关管的第一端与所述第一开关管的控制端连接；第一电阻器，连接于所述第二开关管的控制端与所述第二开关管的第二端之间。
5.可选地，所述耗能单元还可以包括：第二电阻器，与所述第一开关管的控制端连接。
6.可选地，所述第一开关管的第一端与母线连接，所述耗能装置用于消耗所述母线上的电能。
7.可选地，所述耗能装置还包括：散热密封部，与所述至少一个耗能单元密封换热连接。
8.可选地，所述散热密封部包括：氮化铝陶瓷片，与所述至少一个耗能单元换热连接；金属外壳，与所述氮化铝陶瓷片密封换热连接。
9.可选地，所述金属外壳外露于水中。
10.可选地，所述第一开关管为：场效应管或者igbt；所述第一开关管的控制端为栅极；所述第一开关管的第一端为集电极或者漏极；所述第一开关管的第二端为发射极或者源极。
11.本技术还提供一种水下用电设备，包括：母线；前述任意一种耗能装置，与所述母线连接；控制器，与所述耗能装置连接。
12.可选地，所述水下用电设备为遥控水下机器人。
13.可选地，所述水下用电设备还包括：第一电机，所述耗能装置用于制动所述第一电
机。
14.在本技术的一些示例实施例中提供了一种用于水下用电设备的耗能装置。该耗能装置可以用于水下用电设备的制动。该耗能装置可以利用晶体开关管作为主要的耗能元件。由于在水下可以实现比较高效的散热，因而水下用电设备中，相对与以电阻器或者电容器作为主要耗能元件的耗能装置，以晶体开关管为主要耗能装置的体积可以更小、重量可以更轻。
15.该耗能装置，可以利用氮化铝陶瓷片作为绝缘导热结构，向金属壳体传输积聚于耗能装置中的热量。并可以由金属壳体把该热量扩散到水中。由于氮化铝陶瓷片的热阻较小。因而，本技术提供的耗能装置的散热效果更好。其体积和重量可以更小。
16.在本技术的另一些示例实施例中提供了一种水下用电设备。该水下用电设备采用了前述任意一种耗能装置。由于该耗能装置采用了晶体开关管作为主要耗能元件，使得该水下用电设备的体积可以更小，重量可以更轻。由于该耗能装置采用了氮化铝陶瓷片作为绝缘导热结构，使得该耗能装置的散热效率可以更高。因而可以更进一步地缩小该水下用电设备的体积，降低该水下用电设备的重量。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本技术要求保护的范围。
18.图1示出了本技术的一个示例实施例耗能单元的原理示意图。
19.图2示出了本技术的另一示例实施例用于水下用电设备的耗能装置的原理示意图。
20.图3示出了图2所示耗能装置的散热结构的结构示意图。
21.图4示出了本技术的另一示例实施例水下用电设备的组成示意图。
具体实施方式
22.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
23.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
24.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
25.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
26.本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本技术所必须的，因此不能用于限制本技术的保护范围。
27.目前，遥控水下机器人的动力系统主要包括电机与驱动电路。当电机刹车时，驱动电路切断电机的电能供给。但是电机因机械惯性而继续转动。此时，电机处于发电状态，把机械能转换成电能。该电能通过驱动电路回送到直流母线中，并推高母线电压。
28.升高的电压可能会对驱动电路造成损坏，甚至造成直流母线上的其他电路损坏。因此需要一种水下电机刹车能量吸收装置，对再生能量进行吸收以保护水下机器人的驱动电路以及其他电路不受损坏。
29.目前消耗再生能量最常用的办法为：1.增大直流母线电容的容量吸收电机再生能量，但是需要的电容数量会很多，这无疑会影响水下机器人的整体体积。2.利用并联在直流母线上制动电阻吸收再生能量，但是制动电阻普遍体积较大，也会影响水下机器人的整体体积。
30.为了解决上述问题，本技术提供了一种利用晶体开关管作为主要耗能元件的应用于水下用电设备的耗能装置，及一种水下用电设备。
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域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，都属于本技术保护的范围。
32.图1示出了本技术的一个示例实施例耗能单元的原理示意图。
33.如图1所示，耗能单元1000可以包括：开关管q1、开关管q2和电阻器r1。
34.如图1所示，开关管q1可以是单极型晶体管也可以是双极型晶体管。可选地，开关管q1可以是n沟道场效应管，也可以是p沟道场效应管。可选地，开关管q1可以是npn型三极管，也可以是pnp型三极管。可选地，开关管q1也可以是igbt等复合型晶体管。可选地，开关管q1可以是大功率开关管。如示例实施例所示，开关管q1为n沟道场效应管。
35.可选地，开关管q1的控制端可以是基极，也可以是栅极。开关管q1的第一端可以是集电极，也可以是漏极。开关管q1的第二端可以是发射极，也可以是源极。
36.开关管q1导通时，在开关管q1的第一端和第二端可以生成耗能电流io。开关管q1的耗电功率po＝v
bus
×io
可以作为耗能单元1000的耗电功率。
37.如图1所示，电阻器r1可以串联连接于开关管q1的第一端或者开关管q1的第二端。如示例实施例所示，电阻器r1可以串联于开关管q1的第二端。电阻器r1与开关管q1可以串联于母线电源端v
bus
与母线地gnd
bus
之间。
38.电阻器r1可以用于检测耗能电流io。电阻器r1可以用于提供耗能电流io的反馈，以实现开关管q1的电流控制。
39.如图1所示，开关管q2可以是单极型晶体管也可以是双极型晶体管。可选地，开关
管q2可以是n沟道场效应管，也可以是p沟道场效应管。可选地，开关管q2可以是npn型三极管，也可以是pnp型三极管。可选地，开关管q2可以是小功率开关管。如示例实施例所示，开关管q2为npn三极管。
40.可选地，开关管q2的控制端可以是基极，也可以是栅极。开关管q2的第一端可以是集电极，也可以是漏极。开关管q2的第二端可以是发射极，也可以是源极。
41.如图1所示，开关管q2可以连接于开关管q1的控制端与电阻器r1之间。开关管q2可以用于根据电阻器r1输出的电流反馈，调节开关管q1控制端电压，使得耗能电流io稳定于第一预设值。即可以控制耗电单元的耗电功率po。
42.开关管q2的控制端可以连接于电阻器r1。如示例实施例所示，开关管q2的控制端可以连接于开关管q1的第二端与电阻器r1的连接点。开关管q2的第一端或者第二端可以连接于开关管q1是控制端。如示例实施例所示，开关管q2的第一端可以连接于开关管q1的控制端。开关管q2的第二端可以连接于母线地gnd
bus
。
43.如图1所示，耗能单元1000还可以包括电阻器r2。电阻器r2可以连接于耗能单元1000的控制端vc与开关管q1的控制端之间。可以通过控制端vc控制耗能单元1000投入工作与否。
44.如图1所示，当在控制端vc输入一个低电平时，该低电平可以导致开关管q1关断，耗能单元1000不工作。当在控制端vc输入一个高电平时，该高电平可以驱动开关管q1导通，耗能单元1000投入工作。
45.如图1所示，开关管q1导通后，耗能电流io升高。当io×
r1达到开关管q2的门限值0.7v时，开关管q2导通。导通的开关管q2可以降低开关管q1的控制端的电压，从而降低耗能电流io。开关管q1、开关管q2和电阻器r1组成了深度负反馈电路。该深度负反馈电路可以把耗能电流io限制在0.7/r1附近。此时耗能功率po≈0.7
×vbus
/r1。耗能单元1000进入恒功率耗能状态。可以合理配置电阻器r1的阻值，来调节耗能单元1000的耗能功率po。
46.图2示出了本技术的另一示例实施例用于水下用电设备的耗能装置的原理示意图。
47.如图2所示，耗能装置2000可以包括至少一个耗能单元。如示例实施例所示，耗能装置2000可以包括耗能单元211和耗能单元212。可选地，耗能单元211与耗能单元212中的至少一个可以是前述任意一种耗能单元。可选地，耗能单元211和耗能单元212可以参数相同的耗能单元，也可以是参数不同的耗能单元。
48.前述至少一个耗能单元可以并联连接。耗能单元211和耗能单元212中的至少一个可以接于母线电源端v
bus
与母线地gnd
bus
之间。耗能单元211和耗能单元212中的至少一个的控制端可以连接于控制器(未示出)。由控制器控制该耗能单元的投入与否。耗能单元211的控制端和耗能单元212的控制端可以分别独立连接于控制器。控制器可以根据母线电压v
bus
的上升速度，合理选择投入使用的耗能单元，以及合理选择投入使用的耗能单元的数量。
49.可选地，耗能装置2000还可以包括散热结构。该散热结构可以用于为各个耗能单元散热。降低各个耗能单元的工作温度。
50.图3示出了图2所示耗能装置的散热结构的结构示意图。
51.如图3所示，耗能单元211可以包括功率元件2111和电路基板2112。可选地，耗能元件2111可以包括耗能单元211至少一个元件。比如，耗能元2111可以包括图1中的开关管q1，
耗能元件2111也可以包括图1中的电阻器r1。电路基板2112可以承载耗能元件2111。可选地，电路基板2112也可以承载耗能单元211的其他元件。可选地，耗能单元211中的各个耗能元件可以均置于电路基板2112的同一侧。
52.如图3所示，耗能装置2000还可以包括散热密封部22。散热密封部22可以与前述至少一个耗能单元密封换热连接。比如散热密封部22可以与耗能单元211和耗能单元212中的至少一个密封换热连接。散热密封部22可以用于为包括耗能单元211在内的至少一个耗能单元散热。
53.散热密封部22可以与耗能单元211换热连接。可选地，散热密封部22可以是一个密封空腔。包括散热单元211在内的至少一个耗能单元可以设置于散热密封部22的内部。包括耗能单元2000的水下用电设备的至少一个其他组件也可以设置于散热密封部22的内部。散热密封部22可以包括该水下用电设备的外壳。
54.由于该水下用电设备工作于水中，因而散热密封部22可以外露于水中，并与水换热连接。散热密封部22可以与水密切接触，并可以把热量扩散到水中，实现包括耗能单元211在内的至少一个耗能单元的散热。
55.相对空气而言，水的比热容更大，热阻更低。工作与水下的用电设备，可以利用水作为散热媒介，把耗能元件2111中产生的热量高效地扩散到水中。由于散热环节的高效性，利用晶体管开关管作为耗能元件，其工作温度可以比较容易地控制在合理区间以内。因而对于水下用电设备而言，相对于利用电阻作为主要耗能元件的耗能装置，利用晶体开关管作为主要耗能元件的耗能装置具有体积更小，质量更轻的优势。
56.如图3所示，散热密封部22可以包括金属外壳221和至少一个氮化铝陶瓷片。其中，至少一个氮化铝陶瓷片可以分别与前述至少一个耗能单元换热连接。
57.例如：散热密封部22可以包括氮化铝陶瓷片2221。氮化铝陶瓷片2221可以与耗能单元211换热连接。可选地，氮化铝陶瓷片2221可以与耗能单元211中的耗能元件2111紧密接触。可选地，氮化铝陶瓷片2221与耗能元件2111之间也可以包括导热硅胶。氮化铝陶瓷片2221可以用于把耗能元件2111中的热量传导至金属外壳221。氮化铝陶瓷片2221同时还可以提供绝缘支持。确保耗能元件211与金属外壳221之间的电绝缘。
58.如图3所示，金属外壳221可以与氮化铝陶瓷片2221密封换热连接。金属外壳221可以与氮化铝陶瓷片2221紧密接触。金属外壳221与氮化铝陶瓷片2221之间可以包括导热硅胶。金属外壳221可以是一个密封空腔。氮化铝陶瓷片2221可以设置于金属外壳221的内部。耗能装置2000的至少一个其他组成部分也可以设置于金属外壳221的内部。包括耗能装置2000的水下用电设备至少一个其他组件也可以设置于金属外壳221的内部。金属外壳221可以是该水下用电设备的外壳。
59.图4示出了本技术的另一示例实施例水下用电设备的组成示意图。
60.如图4所示，水下用电设备3000可以是遥控水下机器人。可以包括：直流母线v
bus
和gnd
bus
。水下用电设备3000还可以包括：耗能装置31和控制器32。
61.如图4所示，v
bus
和gnd
bus
可以分别是直流母线的电源正端和电源负端。直流母线v
bus
和gnd
bus
可以为水下用电设备3000提供动力电能。
62.可选地，水下用电设备3000还可以包括电机(未示出)。该电机可以用于水下用电设备3000提供动力，作为水下用电设备3000的推进器(未示出)的一部分。直流母线v
bus
和
gnd
bus
可以为该电机提供能源供给。
63.耗能装置31可以是前述任意一种耗能装置。耗能装置可以包括至少一个耗能单元。耗能单元可以是前述任意一种耗能单元。例如：耗能装置31可以包括耗能单元311和耗能单元312。
64.可选地，耗能装置31可以用于前述电机的刹车制动。在前述电机刹车时，该电机进入发电机运行状态，向直流母线v
bus
和gnd
bus
反向输送电能。推高直流母线v
bus
和gnd
bus
之间的电压。在该电机制动时，耗能装置31可以用于消耗直流母线v
bus
和gnd
bus
之间积聚的电能，抑制直流母线v
bus
和gnd
bus
之间电压的升高。
65.如图4所示，控制器32可以与耗能装置31连接。可选地，控制器32可以与耗能装置31所包括的至少一个耗能单元的控制端连接。例如，控制器32可以分别与耗能单元311的控制端和耗能单元312的控制端连接。
66.控制器32可以用于控制耗能装置31中的至少一个耗能单元的投入与否。控制器32可以根据直流母线v
bus
和gnd
bus
之间的电压和/或直流母线v
bus
和gnd
bus
之间电压的升高速度做出合理反应。控制器32可以合理地选择投入使用的耗能单元，以及可以合理地选择投入使用的耗能单元的数量。可选地，控制器32也可以用于执行水下用电设备3000其他的至少一项功能。
67.在本技术的一些示例实施例中提供了一种用于水下用电设备的耗能装置。该耗能装置可以用于水下用电设备的制动。该耗能装置可以利用晶体开关管作为主要的耗能元件。由于在水下可以实现比较高效的散热，因而水下用电设备中，相对与以电阻器或者电容器作为主要耗能元件的耗能装置，以晶体开关管为主要耗能装置的体积可以更小、重量可以更轻。
68.该耗能装置，可以利用氮化铝陶瓷片作为绝缘导热结构，向金属壳体传输积聚于耗能装置中的热量。并可以由金属壳体把该热量扩散到水中。由于氮化铝陶瓷片的热阻较小。因而，本技术提供的耗能装置的散热效果更好。其体积和重量可以更小。
69.在本技术的另一些示例实施例中提供了一种水下用电设备。该水下用电设备采用了前述任意一种耗能装置。由于该耗能装置采用了晶体开关管作为主要耗能元件，使得该水下用电设备的体积可以更小，重量可以更轻。由于该耗能装置采用了氮化铝陶瓷片作为绝缘导热结构，使得该耗能装置的散热效率可以更高。因而可以更进一步地缩小该水下用电设备的体积，降低该水下用电设备的重量。
70.以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。