CN109450110A - 一种线圈耦合的水下无线电能传输器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈耦合的水下无线电能传输器，包括发射端和接收端，发射端包括发射端线圈、发射端电路板、连接电缆、第一通信线和发射端固定点；接收端包括接收端线圈、接收端电路板、MCU和第二通信线；接收端电路板、MCU和第二通信线设置在水下航行器中，接收端电路板和MCU通过第二通信线连接；发射端电路板设置在发射端固定点内，发射端电路板通过连接电缆和第一通信线与基站连接。本发明优化水下无线电能传输系统，使得该系统更加人性化，节省不必要的电能损耗，水下无线电能传输器的无线通信功能的设置，给水下无线电能传输系统提供了极大的便利。

Description

一种线圈耦合的水下无线电能传输器

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，涉及一种线圈耦合的水下无线电能传输器。

背景技术

海洋总面积为3.6×108平方千米，占地球总面积的70.8％，在这广袤富饶的海洋空间，蕴藏着丰富的海洋生物资源、海洋能源、海洋热能和海洋矿物资源。随着工业化和城市化的进展，陆上可利用的资源越来越少，人们正逐渐重视海洋资源的有效利用问题，可以说二十一世纪是人类向海洋进军的世纪。作为探索海洋的重要手段，甚至在某些情况下是唯一的手段，水下航行器越来越受到人们的重视。

水下航行器的主要供电方式是锂离子充电电池，具有电压稳定、装卸灵活等特点，但在电池电能耗尽时，需要进行二次充电。传统的UUV充电方式主要有两种:一种是UUV返回岸基或者甲板进行充电；另一种由电缆系统进行水下湿插拔式的充电。这两种充电方式的自动化程度都较低，而且由于湿插拔所需的插拔力较大，导致磨损严重,使得充电次数有限。

无线电能传输技术的原理早在一百多年前就已经为人所知并进行了多次实验，但因为当时效率太低没能商业化。随着功率变换技术、控制技术和磁性材料的发展，以及非接触电能传输技术市场需求的增长，非接触电能传输技术得到了迅速的发展。非接触电能传输系统由于在传输过程中避免了直接物理接触和电气连接，不仅提高了传输接口的使用寿命，还可避免使用中产生电击、漏电等现象，保证使用安全。这一优势使其能够在水下电能传输中得到充分发挥作用。

但同时，实际海下的情况很复杂，海水中有很多带有电特性的离子，对非接触电能传输技术在海洋环境下的应用带来诸多亟待解决的挑战与难题。

目前来说，水下无线供电系统面临的主要问题有：

(1)距离效率的矛盾。在无线电能传输系统的研究中，当发射端和接收端两线圈间的距离增大时，两线圈之间的耦合系数必定会降低，从而导致电能传输效率降低，会有较多的电能损耗。所以无线充电存在着增大传输距离与提高传输效率之间的矛盾。

(2)电能传输不稳定。这是目前水下无线电能传输系统共同存在的一个问题，尤其对于水下设备的无线充电系统要求更高。在海水中，因水流冲击的影响，单纯的耦合器之间的距离不会是固定不变的，而是会发生距离的增减、位置的偏移或相对旋转。这些都会对线圈的耦合产生影响，从而影响到电能传输的效率。

(3)自动化程度低。目前的水下无线传输系统，基站和水下航行器之间的信息交互较少或者比较复杂。基站只能随时在准备给水下航行器充电的状态，会有一定量的电能损耗。

水下无线电能传输器的充电电压和充电效率的稳定是两项重要指标。为了保证水下无线电能传输器的充电性能，可以采用复杂的机械结构保持磁芯间隙的稳定，并且可以保证不会过多增加系统的重量。设计一种便携式的水下无线电能传输器，使得水下航行器在水下基站充电时降低对磁芯间隙、位置偏移、相对旋转的要求，显得十分必要。

为提高水下无线充电系统的电能传输稳定性，水下无线电能传输器的机械结构和线圈结构设计十分重要。不同于陆上无线充电系统，水下由于水流的影响，发射线圈和接收线圈相对位置、距离都在实时改变，甚至会发生相对旋转，所以，陆上无线充电系统不适用于水下无线充电。

为了优化水下无线电能传输系统，使得该系统更加人性化，节省不必要的电能损耗，水下无线电能传输器的无线通信功能的设置，给水下无线电能传输系统提供了极大的便利。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种线圈耦合的无线通信的水下无线电能传输器，本发明的机构避免了轴向和径向的磁芯间隙，对磁芯相对旋转不敏感，能够增强耦合线圈电能传输的稳定性。本发明可以实现无线通信，发射端充电自启动，避免不必要的电能损耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种线圈耦合的水下无线电能传输器，包括发射端和接收端，其中，

发射端包括发射端线圈、发射端电路板、连接电缆、第一通信线和发射端固定点；

接收端包括接收端线圈、接收端电路板、MCU和第二通信线；

接收端电路板、MCU和第二通信线设置在水下航行器中，接收端电路板和MCU通过第二通信线连接；发射端电路板设置在发射端固定点内，发射端电路板通过连接电缆和第一通信线与基站连接。

优选地，所述发射端线圈由半球形环状磁芯及绕制在其上的线圈组成。

优选地，所述接收端线圈由半球形环状磁芯及绕制在其上的线圈组成。

优选地，所述接收端线圈的电感量大于发射端线圈的电感量。

优选地，所述发射端电路板包括电源模块、控制模块、驱动电路和通信模块，电源模块为控制模块、驱动电路和通信模块供电，控制模块与驱动电路和通信模块分别连接进行控制。

优选地，所述接收端电路板包括整流电路、降压模块和通信电路，将通信电路接收的信号经过整流电路和降压模块。

优选地，所述发射端线圈的深度大于接收端线圈的高度。

所述接收端设置于水下航行器上，所述发射端固定于水下基站中，当水下航行器航行至水下基站附近，通过无线通信发送充电信号，水下基站接收端进入准备给水下航行器充电的状态。当水下航行器至发射端处，将接收端线圈插进凹槽，接收端线圈和发射端线圈精确对准，形成磁路耦合，进行充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的发射端和接收端线圈均为对称程度高的半球状设计，是为了减小海下水流的波动对线圈耦合带来的影响；而且发射端和接收端大小相同，机械上设计为插入式的设计，本身具有一定的位置固定作用，减弱了因水流导致两线圈之间的错位或者间隙增大对线圈耦合的影响。

(2)本发明的发射端和接收端为大小相同的半球状，当水流使发射端和接收端的线圈发生旋转时，两线圈之间的耦合效果基本不会受到影响，提高了本发明的环境适应性。

(3)本发明要求接收端线圈匝数大于发射端线圈匝数，这种线圈匝数的设计可以大大提高系统电能的传输效率，适当调整线圈的匝数可以使系统的电能传输效果达到最优。

(4)本发明是两半球紧密贴合的无线充电线圈结构设计，两线圈之间的磁场是径向走向。

(5)本发明可以人工通过硬件调节水下无线充电系统的工作频率和死区，以达到系统想要的传输效果。

(6)本发明的发射端部分，当发射端进入给水下航行器充电的状态但是水下航行器还没到达，线圈还没耦合，发射端仍可以正常工作，待水下航行器到达后，线圈马上可以耦合，电能传输马上开始。

(7)本发明的发射端和接收端之间可以同时进行双向的发送和接收信息，

接收端水下航行器需要充电向发射端充电基站靠近时，可以通过无线通信向发射端充电基站发出信号，发射端充电基站接收到接收端水下航行器的充电信号后，可以自行通电，进入准备给水下航行器充电的状态，减少了不必要的电能损失。

(9)本发明中的所有功能都可以使用较为常见的器材实现，成本较低，易于实现。

附图说明

图1为本发明具体实施例的线圈耦合的水下无线电能传输器的结构示意图；

图2为本发明具体实施例的线圈耦合的水下无线电能传输器中半球形环状磁芯结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，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。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1、图2，所示为本发明实施例的一种线圈耦合的水下无线电能传输器结构示意图和磁芯结构示意图，包括发射端和接收端，其中，

发射端包括发射端线圈1、发射端电路板5、连接电缆6、第一通信线8和发射端固定点9；

接收端包括接收端线圈2、接收端电路板3、MCU4和第二通信线10；

接收端电路板3、MCU4和第二通信线10设置在水下航行器7中，接收端电路板3和MCU4通过第二通信线10连接；发射端电路板5设置在发射端固定点9内，发射端电路板5通过连接电缆6和第一通信线8与基站连接。

具体实施例中，发射端线圈1和接收端线圈2均由半球形环状磁芯及绕制在其上的线圈组成，接收端线圈2的电感量大于发射端线圈1的电感量，发射端线圈1的深度大于接收端线圈2的高度。

发射端电路板5包括电源模块、控制模块、驱动电路和通信模块，电源模块为控制模块、驱动电路和通信模块供电，控制模块与驱动电路和通信模块分别连接进行控制。接收端电路板3包括整流电路、降压模块和通信电路，将通信电路接收的信号经过整流电路和降压模块。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在水下无线充电系统发射线圈和接收线圈之间旋转、错位或间隙变大对线圈传输功率和效率的影响的不足以及自动化程度低，会浪费不必要的电能。

本发明的一种典型的实施方式中，发射端线圈1的深度大于接收端线圈2的高度，这一部分留出来是为了接收端线圈2可以完美的插入孔中与发射端线圈1紧密贴合，这个多余的深度的存在增强了两线圈的耦合程度，提高了电能的传输效率。

图2所示，发射端线圈1和接收端线圈2均采用的是半球形环状磁芯-面对面线圈结构，绕制成同心的两个圆环线圈，使用时两个线圈紧密贴合；发射端和接收端的两个机械结构大小相同的线圈，接收端线圈2的自耦电感值大于发射端线圈1的自耦电感值，即发射端线圈1的匝数大于接收端线圈2的匝数。这种处理在一定程度上提高了电能的传输效率。

发射端线圈1和接收端线圈2油抗涡流的导线绕制而成，具体匝数由计算得到；线圈磁芯为软磁铁氧体。

发射端线圈1和接收端线圈2采用两个半球形环形磁芯-面对面线圈结构，在相同磁芯间隙情况下，两磁芯同轴和不同轴比较，主磁路会发生较大的变化，而漏磁路变化不大，本发明采用的线圈结构对线圈错位有较强的适应性。

发射端线圈1和接收端线圈2之间的耦合磁场为径向走向，发射端线圈1的发射磁场和接收端线圈2的发射磁场的交叠部分互相耦合，从而完成能量传递。

接收端线圈2和发射端线圈1的磁芯都放在了金属制大小相同的同心球状机械外壳。当线圈绕制完毕后，装入金属机械外壳中，并灌防水胶密封。金属机械外壳的设计减少了漏磁通，使得水下无线充电系统的电能传输效率增大，金属机械外壳的设计减小了海下水流等因素对线圈耦合的影响，使发射端线圈1和接收端线圈2之间不易出现相对移动(增大间隙、错位、旋转等)，提高了水下无线充电系统的稳定性和适应性。

发射端线圈1固定在发射端固定点9上，其位置比较固定；接收端线圈2固定在水下航行器7上；水下航行器7需要充电时航行至充电处，将接收端线圈2插入发射端固定点9所示的孔中，即可充电。固定在发射端固定点9里面的是发射端线圈1，同时给接收端线圈2留出了部分空间，接收端线圈2刚好可以插入孔中，即与发射端线圈1紧密贴合。

发射端电路板5和接收端电路板3中都包括了无线通信模块，本发明加入了无线通信系统，使水下无线充电系统变得更加自动化。当水下航行器7需要充电时，行至发射端整体密封的发射端固定点9附近时发送充电信息，发射端电路板5即软起动通电进入准备给水下航行器7充电的状态，等待水下航行器7行至充电处，将接收端线圈2插入孔中，开始充电。无线通信系统提高了水下无线充电系统的自动化程度，减少了不必要的能源浪费。

发射端电路板5由连接电缆6与海底的基站相连。发射端电路板5是一个电能变换装置，将海底基站的直流电转化成发射端线圈1可用的高频交流电，并且输出可控，可以实现软启动；接收端线圈2固定在水下航行器7上，并与水下航行器7上的接收端电路板3相连。当无线充电系统工作时，接收端线圈2中感应出高频交流电并经过接收端电路板3整流滤波，得到直流电给水下航行器7充电。

发射端线圈1和接收端线圈2均为对称的同心球设计，可以减轻海下水流波动对接收端实时运动带来的影响；发射端线圈1和接收端线圈2是大小形状完全相同的同心球设计，两者是紧密贴合的设计，搭配发射端固定点9，接收端线圈2可以直接插入孔中，系统本身有一定的位置固定作用；半球状发射端线圈1和接收端线圈2的设计，使线圈之间相对转动对线圈的耦合效果基本没有影响；无线通信系统的设计，使发射端可以实现软起动，减少了不必要的电能浪费。

以上所述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。

Claims (7)

1.一种线圈耦合的水下无线电能传输器，其特征在于，包括发射端和接收端，其中，

发射端包括发射端线圈、发射端电路板、连接电缆、第一通信线和发射端固定点；

接收端包括接收端线圈、接收端电路板、MCU和第二通信线；

接收端电路板、MCU和第二通信线设置在水下航行器中，接收端电路板和MCU通过第二通信线连接；发射端电路板设置在发射端固定点内，发射端电路板通过连接电缆和第一通信线与基站连接。

2.根据权利要求1所述的电能传输器，其特征在于，所述发射端线圈由半球形环状磁芯及绕制在其上的线圈组成。

3.根据权利要求1所述的电能传输器，其特征在于，所述接收端线圈由半球形环状磁芯及绕制在其上的线圈组成。

4.根据权利要求1所述的电能传输器，其特征在于，所述接收端线圈的电感量大于发射端线圈的电感量。

5.根据权利要求1所述的电能传输器，其特征在于，所述发射端电路板包括电源模块、控制模块、驱动电路和通信模块，电源模块为控制模块、驱动电路和通信模块供电，控制模块与驱动电路和通信模块分别连接进行控制。

6.根据权利要求1所述的电能传输器，其特征在于，所述接收端电路板包括整流电路、降压模块和通信电路，将通信电路接收的信号经过整流电路和降压模块。

7.根据权利要求1所述的电能传输器，其特征在于，所述发射端线圈的深度大于接收端线圈的高度。