用于海洋跨界面无人航行器的风力发电机以及无人航行器

1.本发明属于海洋探测设备技术领域，尤其涉及一种用于海洋跨界面无人航行器的风力发电机以及无人航行器。


背景技术：

2.海洋跨界面无人航行器是一种适于在海洋水面、水下两个界面区域运动的无人航行器，是当前海洋探测技术中的热点研发领域。海洋跨界面无人航行器若配备风力发电机，则可以在海面航行阶段俘获自然风能，进而实现将风能转化为电能为无人航行器提供自然能源补给，以增强航行器续航能力与自持力。但是，有别于无人船或者其它类型的水上装备，海洋跨界面无人航行器的一主要工作环境是潜航至千米级水深处，因此，海洋跨界面无人航行器的航行工况环境对安置在航行器机身外部的风力发电机的防水、耐压等性能的要求更高，即一方面要求风力发电机在水面航行阶段进行发电工作时可防水、防盐雾，另一方面要求风力发电机可随无人航行器下潜至千米级水深，且千米级水深的极端环境条件不会对风力发电机造成损伤破坏。这对用于海洋跨界面无人航行器的风力发电机的防水性能提出了极高的要求，当前商用风力发电机通常采用动密封措施达到发电机舱腔体防水目的，然而此种防水措施仅能实现防止泼水、强力喷水、1m水深长时间浸泡等工况，其与海洋跨界面无人航行器的千米级深度防水、耐压技术需求有本质差距。因此，现有商用风力发电机不适于在往复潜行的海洋跨界面无人航行器搭载使用。综上所述，有必要研发设计一种适用于海洋跨界面无人航行器的具备千米级防水与耐压能力的风力发电机，保证实现跨界面无人航行器在潜行结束出水后风力发电机仍能正常运行。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决目前无具有深水防水耐压功能的的风力发电机问题的用于海洋跨界面无人航行器的风力发电机以及无人航行器。
4.本发明是这样实现的，一种用于海洋跨界面无人航行器的风力发电机以及无人航行器，其特征在于，包括壳体、风车总成和发电总成；所述壳体设有密闭腔室；所述风车总成是将风能转化为转动轴的动能的部件总成，所述风车总成安装于所述壳体且设于所述密闭腔室外侧，所述风车总成包括由风驱动的叶片以及与所述叶片连接的触水转轴，所述触水转轴是轴线相对壳体固定的转动轴，所述触水转轴由叶片驱动并绕自身轴线转动；所述发电总成是将转动轴的动能转化为电能的部件总成，所述发电总成安装于所述壳体且设于所述密闭腔室内侧，所述发电总成包括发电机和驱动所述发电机的内转轴，所述内转轴是与所述触水转轴同轴线的转动轴；所述发电总成的内转轴与所述风车总成的触水转轴通过磁性联轴器连接。
5.在上述技术方案中，优选的，所述磁性联轴器包括联轴器外盘、联轴器内盘、密闭端盖；所述联轴器外盘为磁性部件，所述联轴器外盘安装于所述触水转轴；所述联轴器内盘为磁性部件，所述联轴器内盘安装于所述内转轴；所述密闭端盖为非磁板体，所述密闭端盖
设于所述联轴器外盘和联轴器内盘之间；所述联轴器外盘和联轴器内盘通过相互作用的磁力传动连接。
6.在上述技术方案中，优选的，所述联轴器外盘、联轴器内盘是由若干扇形的n极磁块和s极磁块交替排列构成的圆盘体。本方案采用平面式磁耦合联轴器实现了风车总成的触水转轴与发电总成的内转轴间扭矩的非接触式传递，平面式磁耦合联轴器方案转轴启动转矩小、摩擦阻力低，内转轴的转速损失少。
7.在上述技术方案中，优选的，所述壳体包括密闭外壳、密闭端盖、后端盖和触水外壳，所述密闭端盖安装于所述密闭外壳的上端部，所述后端盖安装于所述密闭外壳的下端部，所述密闭外壳、密闭端盖、后端盖构成内部具有所述密闭腔室的密闭壳，所述触水外壳安装于密闭壳的上部，所述发电总成的触水转轴通过轴承安装于所述触水外壳。
8.在上述技术方案中，优选的，所述风车总成为垂直轴风车，所述触水转轴的上部周围圆周均匀设置驱动所述触水转轴转动的帆状的所述叶片，所述联轴器外盘安装于所述触水转轴的下端且联轴器外盘与所述触水转轴同轴线。
9.在上述技术方案中，优选的，所述发电总成包括增速器，所述增速器连接于所述内转轴与所述发电机之间，所述内转轴通过轴承安装于所述壳体的密闭腔室中，所述内转轴与所述增速器的输入轴通过联轴器连接。通过增速器提高发电机输入轴的转速，实现发电机转速保持在最佳运行区间。
10.在上述技术方案中，优选的，所述后端盖安装密闭插头，所述密闭插头与所述发电机连接，所述密闭插头与所述后端盖设置有密封圈。
11.在上述技术方案中，优选的，所述密闭外壳和触水外壳为回转体构造，所述触水外壳的圆周侧壁设有通水孔，所述触水外壳上端板的上端面中心和下端面中心设有用于安装轴承的圆形凹槽，所述所述触水外壳上端板的中心设有用于配装所述触水转轴的中心孔。
12.在上述技术方案中，优选的，所述密闭外壳的内侧上部设有支构板，所述支构板的中心位置设有用于配装所述内转轴的中心孔，所述支构板的上端面和下端面中心处设有用于安装轴承的圆形凹槽。
13.本发明的技术效果是：
14.本发明所述技术方案，发电总成与风车总成采用非接触式的传动连接，发电总成独立设置在密闭腔室中，通过静密封实现密闭腔室的千米级水压的耐压与防水密封。相比现有发电机的动密封技术方案，本方案中电机总成的密封可靠性及能力更高，区别于商用风力发电机防水等级为ipx4仅能满足避免各个方向飞溅而来的水侵入电器而造成损坏的需求，本发明密封可适应的水深显著增加，可适用于海洋跨界面无人航行器的千米级下潜工作要求。
15.另外，本技术方案采用磁力与机械结合传动，各器件设计紧凑小巧、集成度高且不需要特殊加工工艺和特殊零部件，技术成熟，成本低，工作可靠性与稳定性高。
16.本发明的另一目的，提出一种无人航行器，包括航行器壳体，所述航行器壳体设有用于安装上述风力发电机的水平安装端面，所述风力发电机的后端盖通过紧固件固定于所述航行器壳体的水平安装端面。
附图说明
17.图1是本发明的结构示意图；
18.图2是本发明的上方俯视图；
19.图3是本发明的a-a向剖视图；
20.图4是图3的b部结构放大图；
21.图5是本发明中联轴器外盘的结构示意图；
22.图6是本发明中联轴器外盘和联轴器内盘的位置关系图。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.为目前无具有深水防水耐压功能的的风力发电机问题，本发明特提供一种用于海洋跨界面无人航行器的风力发电机以及无人航行器，此风力发电机具有千米级水压的密封、耐压性能，可满足用于海洋跨界面无人航行器发电工作要求。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：
25.请参阅图1-图4，一种用于海洋跨界面无人航行器的风力发电机。包括壳体1、风车总成2和发电总成3。
26.壳体设有密闭腔室。具体的，壳体包括密闭外壳1-1、密闭端盖1-2、后端盖1-3和触水外壳1-4。密闭端盖安装于密闭外壳的上端部，后端盖安装于密闭外壳的下端部。密闭外壳、密闭端盖、后端盖构成内部具有密闭腔室的密闭壳。触水外壳安装于密闭壳的上部。
27.本实施例中，密闭外壳、密闭端盖、后端盖和触水外壳均为具有同一竖向中轴线的回转体结构。密闭端盖、密闭外壳、后端盖沿其结构的回转轴线(中轴线)由上至下竖直方向依次设置并构成用于设置发电总成的密闭腔室。密闭端盖的下端面、后端盖的上端面设计有环形的沟槽，密封圈4a嵌入在沟槽中实现密闭端盖与密闭外壳间的防水密封；密封圈4b嵌入在沟槽中实现后端盖与密闭外壳间的防水密封。密闭端盖、后端盖在端面径向边缘处圆周均布设置螺栓安装孔并由螺栓5与密闭外壳紧固连接。触水外壳安装在密闭端盖上部，并由螺栓紧固连接密闭端盖和密闭外壳。密闭外壳、后端盖、触水外壳使用但不限于tc4钛合金、2021-t6铝合金等耐海水腐蚀的金属材料制成。
28.后端盖安装密闭插头6，密闭插头与发电总成连接，密闭插头与后端盖设置有密封圈4c。具体的，密闭插头是用于连接发电总成与航行器的插接头，为现有部件，选用型号为mcbh8m。用于同海洋跨界面无人航行器水密电缆连接。在后端盖的中心处设置7/16-20unf螺纹孔，密闭插头安装在此螺纹孔中。
29.密闭插头与后端盖采用轴向密封形式。后端盖下端面中心处设计加工有直径为24mm、表面粗糙度ra1.6μm的光滑凹台面。密闭插头对应光滑凹台面的端面设计有沟槽，密封圈嵌入在沟槽中实现密闭插头与后端盖间的防水密封。
30.后端盖下端面设计有圆周均布的螺纹底孔。螺纹底孔用于同海洋跨界面无人航行器的水平安装面连接紧固。
31.风车总成是将风能转化为转动轴的动能的部件总成，风车总成安装于壳体且设于
密闭腔室外侧。风车总成包括由风驱动的叶片2-1以及与叶片连接的触水转轴2-2。触水转轴是轴线相对壳体固定的转动轴，触水转轴由叶片驱动并绕自身轴线转动。触水转轴与密闭外壳、密闭端盖、后端盖和触水外壳同轴线。
32.本实施例中，风车总成为垂直轴风车，即触水转轴的上部周围圆周均匀设置驱动触水转轴转动的帆状的叶片。垂直轴风车为现有发电风车总成的一种，在风向改变的时候无需对风，触水转轴转的轴线垂直设置，周向无障碍物遮挡，以实施风力发电。叶片组件(包括套轴以及位于轴套周围、与套轴通过径向支架连接的若干叶片)安装在触水转轴的上轴段处，并由轴肩2-2-1轴向定位，利用紧定螺钉7周向紧固。
33.风车总成的触水转轴通过轴承安装于触水外壳，具体的，触水外壳的圆周侧壁设有通水孔，在本发电机随潜航器下潜入海水之中，海水会自触水转轴与触水外壳之间的轴承之间进入到触水外壳内部，为了防止进入的海水在发电机浮出水面对触水转轴的转动造成阻力，设计本通水孔，以便海水在发电机浮出水面后可以排出触水外壳。触水外壳上端板1-3-1的上端面中心和下端面中心设有用于安装轴承的圆形凹槽，触水外壳上端板的中心设有用于配装触水转轴的中心孔。用于触水转轴的轴承包括外部上轴承8和外部下轴承9。
34.外部上轴承安装在触水外壳上的端面的圆形凹槽中，外部上轴承的外圈下端面与此圆形凹槽的底面接触定位；外部下轴承安装在触水外壳的下端面的圆形凹槽中，外部下轴承的外圈上端面与此圆形凹槽的底面接触定位。触水转轴安装在外部上轴承、外部下轴承的轴承内圈中并可绕回转轴线360
°
转动。触水转轴的轴肩2-2-2与外部上轴承内圈上端面轴向接触定位，触水挡圈10安装在触水转轴的环形卡槽中并实现与外部下轴承内圈下端面的轴向接触定位。本实施例中，外部上轴承与外部下轴承为陶瓷材质球轴承，可长期在海洋环境中使用，耐海水腐蚀。
35.发电总成是将转动轴的动能转化为电能的部件总成，发电总成安装于壳体且设于密闭腔室内侧。发电总成包括发电机3-1和驱动发电机的内转轴3-2，内转轴是与触水转轴同轴线的转动轴。
36.发电总成的触水转轴通过轴承安装于触水外壳。发电总成还包括增速器3-3，增速器连接于内转轴与发电机之间。内转轴通过轴承安装于壳体的密闭腔室中，内转轴与增速器的输入轴通过联轴器3-4连接。本实施例中，具体的，增速器为常规已知部件，增速器的输入轴通过联轴器与内转轴末端相连。发电机与增速器相连，增速器主体固定安装在发电机上，增速器的输出轴与发电机的电机轴传动连接。增速器用于提高发电机的转速。发电机通过电机架3-5固定在后端盖的内侧端面中心处。
37.内转轴的具体安装方式是，密闭外壳的内侧上部设有支构板1-1-1，支构板是在密闭外壳内侧上部与密闭外壳一体成形的圆形隔板。支构板的中心位置设有用于配装内转轴的中心孔，内转轴贯通且通过轴承配装于此中心孔。支构板的上端面和下端面中心处设有用于安装轴承的圆形凹槽。用于配装内转轴的轴承包括内部上轴承11和内部下轴承12。内部上轴承安装在支构板的上端面的圆形凹槽中，内部上轴承的外圈下端面与此圆形凹槽的底面接触定位；内部下轴承安装在支构板的下端面的圆形凹槽中，内部下轴承的外圈上端面与此圆形凹槽的底面接触定位。内转轴安装在内部上轴承、内部下轴承的轴承内圈中并可绕回转轴线360
°
转动。内转轴轴肩3-2-1与内部下轴承内圈下端面轴向接触定位，内档圈13安装在内转轴外圆周面设置的环形卡槽中并实现与内部上轴承内圈上端面的轴向接触
定位。
38.发电总成的内转轴与风车总成的触水转轴通过磁性联轴器连接。本实施例中，磁性联轴器包括联轴器外盘14、联轴器内盘15、密闭端盖。
39.请参阅图5和图6，联轴器外盘为磁性部件，联轴器外盘安装于触水转轴；联轴器内盘为磁性部件，联轴器内盘安装于内转轴。密闭端盖为非磁板体，密闭端盖设于联轴器外盘和联轴器内盘之间。联轴器外盘和联轴器内盘通过相互作用的磁力传动连接。
40.联轴器外盘安装于触水转轴的下端且联轴器外盘与触水转轴同轴线。触水转轴下末端轴段插入联轴器外盘中心孔中，触水转轴的轴肩2-2-3实现对联轴器外盘的轴向接触定位。利用紧定螺钉16实现对触水转轴与联轴器外盘的周向固定，紧定螺钉通过径向螺纹孔装配于套状件，以实现对所套的轴件与套装件的锁定为机械领域常规结构。内转轴上末端轴段插入联轴器内盘中心孔中，内转轴的轴肩3-2-2对联轴器内盘的轴向接触定位。利用紧定螺钉实现内转轴与联轴器内盘的周向固定。
41.密闭端盖作为隔离罩采用非磁性的铝合金2021-t6材料制成，将联轴器外盘与密闭腔体内的联轴器内盘隔开。
42.联轴器外盘、联轴器内盘是由若干扇形的n极磁块14-1和s极磁块14-2交替排列构成的圆盘体。联轴器外盘与联轴器内盘沿轴向磁化且充磁方向相反。联轴器外盘与联轴器内盘中的n极磁块与s极磁块沿圆周方向交替排列，粘结为盘体，形成磁断路连体。磁力线穿过密闭端盖将联轴器外盘的动力与运动传递至联轴器内盘。在无风静止状态，联轴器外盘与联轴器内盘间的n极磁块与s极磁块相互吸引并成直线排列，转矩为零。当联轴器外盘在风载荷作用下转动时，联轴器外盘与联轴器内盘间形成偏移转角，不同转盘中的n极磁块对s极磁块产生拉动作用，s极磁块对n极磁块产生推动作用，实现联轴器内盘跟随联轴器外盘转动。
43.实施例二
44.一种无人航行器，包括航行器壳体，航行器壳体设有用于安装实施例一中所述的风力发电机的水平安装端面，风力发电机的后端盖通过紧固件固定于航行器壳体的水平安装端面。
45.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。