直线发电式波浪能供电潜标的制作方法

1.本发明涉及海洋探测潜标领域，尤其涉及一种直线发电式波浪能供电潜标。


背景技术：

2.现有的海洋探测潜标大部分只能进行探测，而不能自行发电，一般都是通过为潜标预先配设储电装置，以保证探测仪器的正常使用。而采用储电装置预先充电的方式，不仅探测潜标的运行时间会受到储电装置的容量的限制，还需要定期将整个探测潜标打捞起来以更换储电装置，以致浪费大量的人力。
3.如图1所示，无限水深下，水质点在波浪作用下做圆周运动(运动半径在水面附近达到最大；在水面以下随着深度的增加，半径迅速减小，达到水面以下约半个波长位置时便基本上不再运动)。潜标主浮体受到的浮力大于潜标自身重力，主浮体通过缆绳提供的向下的拉力维持在海平面下某一位置。在波浪运动和缆绳向下拉力的综合作用下，主浮体只能围绕着锚点发生弧线形往复运动(主要涉及纵荡和纵摇两个自由度的运动)。由于潜标主浮体的垂荡运动受到了限制，故传统的振荡浮子式和摆式等需利用浮体大幅垂荡运动的漂浮式波浪能发电技术，便无法直接应用在潜标上。
4.为了利用除垂荡运动以外的波浪能量进行发电，中国发明申请cn113187648a公开了一种基于液囊的波浪能供电潜标，其首先通过外界静压力的变化来挤压液囊，液囊发生变形后使得内部液体开始流动，接着流动的液体在恢复弹簧的配合下推动活塞，使运动板在套筒内上下运动，并带动齿条上下运动，继而带动齿轮转动，齿轮转动的动能在发电机处转换成电能。但该波浪能发电潜标存在如下不足：第一，该发明忽略了潜标主浮体在波浪作用下的自身运动，只利用了主浮体上方静压力的变化部分，因此其所利用的能量有限；第二，该发明涉及的能量转换环节多，同时考虑到流体的粘性以及机械传动部件自身的阻尼，可预见其发电效率比较低。


技术实现要素：

5.本发明提出一种直线发电式波浪能供电潜标，主要解决上述背景技术里存在的问题，本发明的技术方案如下：
6.一种直线发电式波浪能供电潜标，包括有主浮体、能量转换模块、整流器、蓄电池，以及潜标领域里通用的包塑钢缆、玻璃浮球、探测器、释放器和锚系系统。所述主浮体位于目标海域海平面以下半个波长的距离内，所述主浮体的下端通过包塑钢缆与锚系系统连接。所述主浮体的内部横置有能量转换模块，所述能量转换模块的内部沿长度方向设置有筒状的定子铁芯，所述定子铁芯的内壁沿自身长度方向均匀嵌入环形的线圈绕组，所述定子铁芯的内部设置有可滑动的动子直轴，所述动子直轴的外壁沿自身长度方向均匀嵌入至少两个环状的永磁铁磁极，所述线圈绕组和所述永磁铁磁极所在的环形平面均与所述定子铁芯的轴线相垂直，所述线圈绕组的输出端通过整流器与蓄电池进行电连接。
7.在一些实施方式中，各个所述线圈绕组之间的间距一致，各个所述永磁铁磁极之
间的距离与所述间距相同。
8.在一些实施方式中，所述动子直轴的外周固定有一筒状的磁轭，所述永磁铁磁极安装在所述磁轭的外周。
9.在一些实施方式中，所述线圈绕组的内周与所述定子铁芯的内壁平齐。
10.在一些实施方式中，所述永磁铁磁极的外周与所述线圈绕组的内周间隙配合。
11.在一些实施方式中，所述动子直轴侧面的两远端设置有至少两个滚珠，所述滚珠沿所述动子直轴的周向均匀分布，所述动子直轴通过所述滚珠与所述定子铁芯的内壁进行滚动接触，所述滚珠用非导磁材料制作。
12.在一些实施方式中，所述定子铁芯内部的两端均安装有恢复弹簧，两个所述恢复弹簧的自由端均固定有橡胶块。
13.在一些实施方式中，还包括释放器，所述包塑钢缆通过所述释放器与所述锚系系统连接。
14.在一些实施方式中，还包括玻璃浮球和探测器，所述玻璃浮球和所述探测器均固定在连接所述包塑钢缆的表面。
15.在一些实施方式中，所述蓄电池的输出端通过所述包塑钢缆与所述探测器的输入端连接。
16.本发明的有益效果为：第一，本发明能够在潜标主浮体被限制了垂荡运动的前提下，在主浮体在波浪下发生纵荡和纵摇运动时，能量转换模块里的动子直轴在惯性力作用下于定子铁芯内部做往复运动，与此同时线圈绕组切割磁感线而感应发电；第二，本发明的能量转换环节少，机械阻尼低，发电效率高。
附图说明
17.图1为水质点和潜标主浮体在波浪作用下的运动示意图(无限水深下)；
18.图2为本发明实施例公开的直线发电式波浪能供电潜标的结构示意图；
19.图3为本发明实施例公开的能量转换模块的结构示意图；
20.图4a为本发明在使用状态下向右纵荡和纵摇的示意图；
21.图4b为本发明在使用状态下向左纵荡和纵摇的示意图。
22.其中：1-主浮体，2-包塑钢缆，3-锚系系统，4-能量转换模块，5-整流器，6-蓄电池，7-释放器，8-玻璃浮球，9-探测器，401-定子铁芯，402-线圈绕组，403-动子直轴，404-永磁铁磁极，405-磁轭，406-滚珠，407-恢复弹簧，408-橡胶块。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
24.本实施例提出了一种直线发电式波浪能供电潜标，能够在潜标主浮体1被限制了垂荡运动的前提下，在主浮体1在波浪下发生纵荡和纵摇运动时，能量转换模块4里的动子直轴403在惯性力作用下于定子铁芯内401部做往复运动，与此同时线圈绕组402切割磁感
线而感应发电。
25.如图2和3所示，该潜标包括有主浮体、能量转换模块、整流器、蓄电池，以及潜标领域里通用的包塑钢缆、玻璃浮球、探测器、释放器和锚系系统。主浮体位于海平面以下半个波长距离内。主浮体1的下端通过包塑钢缆2与锚系系统3连接，主浮体1的内部横置有能量转换模块4，能量转换模块4的内部沿长度方向设置有筒状的定子铁芯401，定子铁芯401的内壁沿自身长度方向均匀嵌入环形的线圈绕组402，定子铁芯401的内部设置有可滑动的动子直轴403，动子直轴403的外壁沿自身长度方向均匀嵌入至少两个环状的永磁铁磁极404，线圈绕组402和永磁铁磁极404所在的环形平面均与定子铁芯401的轴线相垂直，线圈绕组402的输出端通过整流器5与蓄电池6进行电连接。
26.需要说明的是，上述定子铁芯401的内壁设置有多个环形凹槽，该环形凹槽用于安装线圈绕组402。
27.在本实施例中，主浮体1受到的浮力大于潜标自身重力，主浮体1通过包塑钢缆2提供的向下的拉力维持在海平面下某一位置。在波浪运动和包塑钢缆2向下拉力的综合作用下，主浮体1只能围绕着锚系系统3的锚点发生弧线形往复运动。在波浪环境中，如图4a和图4b所示，主要利用主浮体1在波浪的作用下围绕锚系系统3发生的纵荡和纵摇运动，以此带动能量转换模块4内部的动子直轴403在自身惯性力作用下做往复运动，从而令到动子直轴403外表面的永磁铁磁极404与线圈绕组402发生相对运动，线圈绕组402切割磁感线而感应产生低频交流电，最后交流电经过整流器5转换成直流电并存储至蓄电池6内，为潜标上的探测器9供电。
28.各个永磁铁磁极404之间的距离与各个线圈绕组402之间的间距相同，在该方案下，每一个线圈绕组402每经过一个永磁铁磁极404都会切割一组磁感线，提高发电效果。
29.可选的，上述的动子直轴403的外周还固定有一筒状的磁轭405，永磁铁磁极404安装在磁轭405的外周，该磁轭405用于约束永磁铁磁极404漏磁向外扩散，将磁感线约束在一定的角度、范围内，提高线圈绕组402切割磁感线的效果。
30.优选的，线圈绕组402的内周与定子铁芯401的内壁平齐，通过该设计，动子直轴403在定子铁芯401内的直线运动不受线圈绕组402的干涉，保证动子直轴403正常滑动。
31.具体的，永磁铁磁极404的外周与线圈绕组402的内周间隙配合。为进一步降低动子直轴403在定子铁芯401内滑动受到的阻力，动子直轴403侧面的两远端设置有至少两个滚珠406，滚珠406沿动子直轴403的周向均匀分布，动子直轴403通过滚珠406与定子铁芯401的内壁进行滚动接触。通过永磁铁磁极404和线圈绕组402的间隙配合，动子直轴403与定子铁芯401之间留有气隙，避免两者间结合得过于紧密，从而影响动子直轴403在定子铁芯401内部滑行。
32.动子直轴403依靠滚珠406在定子铁芯401内部沿轴线方向做往复滑动。为避免影响磁场分布，滚珠406需采用非导磁材料制作。
33.定子铁芯401内部的两端分别固定有恢复弹簧407，两个恢复弹簧407的自由端分别固定有橡胶块408，以降低动子直轴403在往复运动中对定子铁芯401两端的冲击，并回收动子直轴403的一部分动能。
34.在某些可选的实施方案中，还包括释放器7，包塑钢缆2通过释放器7与锚系系统3连接，通过在海面上遥控，或者在主浮体1内的控制装置设定，控制释放器7在预定的时间节
点脱离锚系系统3，为主浮体1的后期维护提供便利。
35.还包括一个或多个的玻璃浮球8和探测器9，玻璃浮球8和探测器9均固定连接在包塑钢缆2的表面。
36.蓄电池6的输出端通过包塑钢缆2与探测器9的输入端连接。
37.在上述方案中，主浮体1和玻璃浮球8为整套潜标系统提供向上的浮力，锚系系统3为整套潜标系统提供向下的拉力。通过调节包塑钢缆2的长度，使得主浮体1水平保持在距离海平面半个波长以内的位置。进一步地，可结合潜标投放地点的水深和波长范围，将主浮体1调整至合适的深度，并合理设计主浮体1及能量转换模块4内动子的尺寸和质量，使得动子往复运动的频率与波浪频率相匹配，以提高动子直轴403的往复运动频次。
38.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。