CN109192473B - 自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统 - Google Patents

自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统，所述磁耦合结构包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述接收端包括接收线圈，所述接收线圈沿所述自主式水下航行器的径向设置，包括位于所述自主式水下航行器径向中心位置的内端部、位于自主式水下航行器壳体内表面处的外端部以及位于内端部和外端部之间的中间部。本发明提供的自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，解决了自主式水下航行器续航能力差、充电困难的问题。该磁耦合结构输入侧电流纹波小，可传递的功率等级大，并且能够延长电池寿命。

Description

自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行 器系统
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别是一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统。
背景技术
自主式水下航行器作为一种重要的海上力量，是进行海洋地质地貌勘探、海洋环境观测、海洋资源勘探等工作的重要工具，同时也在水下侦查、情报收集、水下攻击的重要军事力量。但受自主式水下航行器自身体积和负载能力限制，所搭载的电池容量有限，续航问题一直限制了自主式水下航行器的进一步发展。目前，无线充电技术是解决自主式水下航行器续航问题、实现无人值守目标的理想手段。
实现无人值守的水下自主航行器会在水下配备一个或多个充电坞。对于距离岸基较远的充电坞不便于直接导线供电，一般会采用利用水流等的发电设备加蓄电池方法提供电能。近些年，已经有一些应用于自主式水下航行器无线充电的磁耦合装置，但这些磁耦合装置大多是单相磁耦合装置，功率等级较小；此外，单相无线充电系统输入侧电流纹波较大，较大的纹波会降低充电坞中蓄电池的寿命。搭载无线充电系统的自主式水下航行器无人值守系统，一旦投入使用，只有在需要对系统升级、系统出现故障、电池生命周期结束才对系统进行打捞，进行维修和升级工作，这个打捞-维修-投放的工作难度大，所以降低充电系统纹波，延长蓄电池生命周期有着重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种充电功率大、电流纹波小、不改变自主式水下航行器外形、非对准容忍能力强的自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统。
为达到上述目的，一方面，本发明采用如下技术方案：
一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述接收端包括接收线圈，所述接收线圈沿所述自主式水下航行器的径向设置，包括位于所述自主式水下航行器径向中心位置的内端部、位于自主式水下航行器壳体内表面处的外端部以及位于内端部和外端部之间的中间部。
优选地，所述接收线圈设置有多个，多个接收线圈的内端部位于所述自主式水下航行器的轴线上，外端部在所述自主式水下航行器的周向上均布。
优选地，所述发射端包括发射磁芯和绕设在所述发射磁芯上的发射线圈，在所述自主式水下航行器周向上，所述外端部的宽度小于所述发射线圈的宽度；处于充电状态时，所述外端部与所述发射线圈的位置对应。
优选地，所述发射磁芯包括长形的主体和位于所述主体上的至少两个绕线部，所述发射线圈包括绕设在所述至少两个绕线部上的分体线圈。
优选地，所述至少两个绕线部包括位于所述长形主体两端的第一绕线部和第二绕线部，所述分体线圈包括绕设在所述第一绕线部上的第一线圈和绕设在第二绕线部上的第二线圈。
优选地，所述第一线圈和/或第二线圈呈方形，在处于充电状态的所述自主式水下航行器的周向上紧密排列。
优选地，所述长形主体的与所述绕线部相反一侧的端面构造为圆弧柱面。
优选地，所述发射磁芯为软磁体磁芯。
优选地，所述接收线圈和发射线圈对应地设置有三对，相邻两组发射线圈的电流相位角相差120度，每个发射线圈的电流幅值相等。
另一方面，本发明采用如下技术方案：
一种自主式水下航行器系统，包括自主式水下航行器和对自主式水下航行器进行无线充电的充电坞，所述系统包括如上所述的磁耦合结构，其中，所述发射端设置在所述充电坞上，所述接收端设置在所述自主式水下航行器上。
本发明提供的自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，解决了自主式水下航行器续航能力差、充电困难的问题。该磁耦合结构输入侧电流纹波小，可传递的功率等级大，能够延长电池寿命，不改变自主式水下航行器外形，接收端为空心线圈，占用自主式水下航行器内部空间小，几乎不增加自主式水下航行器负重。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出本发明具体实施方式提供的三个接收端的示意图；
图2示出本发明具体实施方式提供的一个接收端的示意图；
图3示出本发明具体实施方式提供的三组发射端示意图；
图4示出本发明具体实施方式提供的一组发射端示意图；
图5示出本发明具体实施方式提供的发射磁芯的示意图；
图6本发明具体实施方式提供的自主式水下航行器进行充电时的示意图。
图中，
1、自主式水下航行器；2、发射端；21、发射磁芯；211、主体；212、第一绕线部；213、第二绕线部；22、发射线圈；221、第一线圈；222、第二线圈；3、接收端；31、接收线圈；311、内端部；312、外端部；313、中间部。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请提供了一种自主式水下航行器1无线充电的磁耦合结构，包括设置在充电坞上的发射端2和设置在自主式水下航行器1上的接收端3，用于对所述自主式水下航行器1进行无线充电，当自主式水下航行器1需要充电时，自主式水下航行器1会返回充电坞进行充电，此磁耦合结构解决了自主式水下航行器1的续航能力差、充电困难等问题。所述接收端3包括接收线圈31，所述接收线圈31沿所述自主式水下航行器1的径向设置，包括位于所述自主式水下航行器1径向中心位置的内端部311、位于自主式水下航行器1壳体内表面处的外端部312以及位于内端部311和外端部312之间的中间部313。外端部312贴合自主式水下航行器1壳体内表面能提高磁耦合结构的耦合能力。内端部311位于自主式水下航行器1径向中心位置能充分接收发射端2传递的电能，提高电能传递能力。
优选地，所述接收线圈31设置有多个，多个接收线圈31的内端部311位于所述自主式水下航行器1的轴线上，外端部312在所述自主式水下航行器1的周向上均布。在一个具体的实施例中，如图2所示，所述接收线圈31为空心矩形线圈，占用自主式水下航行器1内部空间小，并且几乎不增加自主式水下航行器1负重。所述接收线圈31的中间部313沿自主式水下航行器1径向方向设置。优选地，所述多个接收线圈31的匝数相等。
进一步地，所述发射端2包括发射磁芯21和绕设在所述发射磁芯21上的发射线圈22，在所述自主式水下航行器1周向上，所述外端部312的宽度小于所述发射线圈22的宽度；处于充电状态时，所述外端部312与所述发射线圈22的位置对应，从而能够对所述自主式水下航行器1进行充电。
所述发射磁芯21包括长形的主体211和位于所述主体211上的至少两个绕线部，所述发射线圈22包括绕设在所述至少两个绕线部上的分体线圈。
所述绕线部一端和所述长形主体211连接，另一端为自由端，朝向处于充电状态的所述自主式水下航行器1所在的方向延伸，所述绕线部、分体线圈朝向处于充电状态的所述自主式水下航行器1所在侧的面构造为圆弧柱面，所述圆弧柱面的半径应稍大于所述自主式水下航行器1的外表面的半径，以使所述圆弧柱面能够贴合在所述自主式水下航行器1的外表面上，从而可以在不改变自主式水下航行器1外形的条件下对所述自主式水下航行器1进行充电。优选地，所述长形主体211与所述绕线部相反一侧的端面构造为圆弧柱面。
在一个具体的实施例中，如图5所示，所述至少两个绕线部包括位于所述长形主体211两端的第一绕线部212和第二绕线部213，所述第一绕线部212和所述第二绕线部213优选为两个相同的绕线部，所述绕线部为圆弧柱体，所述分体线圈包括绕设在所述第一绕线部212上的第一线圈221和绕设在第二绕线部213上的第二线圈222。所述第一线圈221和/或第二线圈222呈方形，在处于充电状态的所述自主式水下航行器1的周向上紧密排列。所述分体线圈为单层或多层，以各自绕线部为中心依次紧密向外绕制。优选地，所述第一线圈221和所述第二线圈222的线圈匝数相同。
优选地，所述发射磁芯21为软磁体磁芯，软磁体磁芯材料可以是铁氧体或软磁合金，添加软磁体磁芯能提高磁耦合结构的耦合能力、降低磁耦合结构的漏磁。
进一步地，所述接收线圈31和所述发射线圈22可以设置有多个，但接收线圈31和发射线圈22的数量应相同，例如都为2个、3个或4个，优选地，所述接收线圈31和所述发射线圈22在沿自主式水下航行器1径向方向上均布设置，则相邻接收线圈31或相邻发射线圈22之间夹角为180°、120°或90°。在一个具体的实施例中，如图6所示，所述接收线圈31和发射线圈22对应地设置有三对，相邻两组发射线圈22的电流相位角相差120度，即电流相位角依次为0度、120度、240度，每个发射线圈22的电流幅值相等，并且发射线圈22包括绕设在所述至少两个绕线部上的分体线圈相邻部分的电流走向相同。
当自主式水下航行器1返回充电坞时，三组发射端2贴合自主式水下航行器1外表面，对自主式水下航行器1进行充电。每个接收线圈31对应一组发射端2。充电过程中保证每个接收线圈31位于相对应的发射端2的中心位置附近，并允许有一定错位，对自主式水下航行器1非对准容忍能力强，提高充电效率。
本发明的磁耦合结构采用多个接收端3和发射端2，使得可传递的功率等级较大，充电效率较高，此外，单个发射端2会导致电流纹波较大，较大的纹波会降低充电坞中蓄电池的寿命。本发明采用的多个发射端2，使得电流纹波变小，能够增加充电坞中蓄电池的寿命，从而减少对充电坞的打捞-维修-投放工作，此打捞-维修-投放的工作难度大，所以降低充电系统纹波，延长蓄电池生命周期有着重要意义。
本申请还提供一种自主式水下航行器系统，包括自主式水下航行器1和对自主式水下航行器1进行无线充电的充电坞，所述系统包括如上所述的磁耦合结构，其中，所述发射端2设置在所述充电坞上，所述接收端3设置在所述自主式水下航行器1上。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种自主式水下航行器无线充电的磁耦合结构，其特征在于，包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述接收端包括接收线圈，所述接收线圈沿所述自主式水下航行器的径向设置，包括位于所述自主式水下航行器径向中心位置的内端部、位于自主式水下航行器壳体内表面处的外端部以及位于内端部和外端部之间的中间部；
所述发射端包括发射磁芯和绕设在所述发射磁芯上的发射线圈，在所述自主式水下航行器周向上，所述外端部的宽度小于所述发射线圈的宽度；处于充电状态时，所述外端部与所述发射线圈的位置对应；
所述发射磁芯包括长形的主体和位于所述主体上的至少两个绕线部，所述发射线圈包括绕设在所述至少两个绕线部上的分体线圈；
所述至少两个绕线部包括位于所述长形主体两端的第一绕线部和第二绕线部，所述分体线圈包括绕设在所述第一绕线部上的第一线圈和绕设在第二绕线部上的第二线圈。
2.根据权利要求1所述的磁耦合结构，其特征在于，所述接收线圈设置有多个，多个接收线圈的内端部位于所述自主式水下航行器的轴线上，外端部在所述自主式水下航行器的周向上均布。
3.根据权利要求1所述的磁耦合结构，其特征在于，所述第一线圈和/或第二线圈呈方形，在处于充电状态的所述自主式水下航行器的周向上紧密排列。
4.根据权利要求1所述的磁耦合结构，其特征在于，所述长形主体的与所述绕线部相反一侧的端面构造为圆弧柱面。
5.根据权利要求1所述的磁耦合结构，其特征在于，所述发射磁芯为软磁体磁芯。
6.根据权利要求1所述的磁耦合结构，其特征在于，所述接收线圈和发射线圈对应地设置有三对，相邻两组发射线圈的电流相位角相差120度，每个发射线圈的电流幅值相等。
7.一种自主式水下航行器系统，包括自主式水下航行器和对自主式水下航行器进行无线充电的充电坞，其特征在于，所述系统包括权利要求1-6 之一所述的磁耦合结构，其中，所述发射端设置在所述充电坞上，所述接收端设置在所述自主式水下航行器上。
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