CN109861401A - 一种水下设备高效无线耦合供电结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水下设备高效无线耦合供电结构，将AC‑DC或DC‑DC的电源变换电路分为二个独立部分，即电源变换高频激励电路和电源变换高频耦合电路，相应的电感线圈和磁芯也随两部分功能电路分为两个部分,由两个绝缘性高的非磁性材料加工的水密盒封装，通过线圈上高频信号耦合，电磁波无线耦合，完成供电的无线能量传递。使通常单磁芯的线圈耦合方式改变为双磁芯电感线圈的无线耦合方式,通过靠近的高频电感线圈之间的无线耦合，实现二部分电路间的能量无线耦合传递，从而可以实现两端接头的分离、对接合并，使水下设备供电连接变为无线耦合供电方式。
Description
技术领域
本发明涉及水下设备、水下电子控制设备等弱电子设备供电之间的能量传输技术领域，主要用于水下电子设备之间或线缆与电子设备的无线供电应用场合，具体为一种水下设备高效无线耦合供电结构。
背景技术
水下电子设备的可靠性再高也可能会出现偶发故障，故电子设备的可维修性设计是极其重要的，可维修性及维修方便性是水下设备低成本运行的关键。出动工程船舶进行的水下设备维修需要的动复员时间长，维修需要的装备复杂，费用高昂，所以水下设备维修一般采用更换方式维修，为了方便更换方式维修，水下设备之间或是水下设备与线缆之间一般设计有连接接头，通过接头更换实现设备更换维修。水下设备供电一般采用低压直流，外供电形式无论是交流供电或是直流供电，都需要经过AC-DC或是DC-DC变换，变换成水下设备所需要的直流供电。现有的直流供电功能电路(供电模块)一般安装在设备水密桶内部。水下接头的更换一般由水下ROV操作。现有水下接插头主要为电连接接插头、光通讯接头或是电连接与光通讯复合接插头等，接插头一般采用直接连接方式，接插头内充油，水下湿拔插次数有限，接插头结构紧凑，对接要求高，还存在接插头之间的水密问题，国内水下设备大部分使用进口接插头产品，采购周期长、价格高。
发明内容
针对现有水下设备电连接接插头之间存在的对接困难、成本高，采购周期长、维修困难等问题，本发明提出了一种水下设备高效无线耦合供电结构，该无线耦合供电结构将AC-DC或DC-DC的电路分为二个部分，通过无线耦合方式实现二部分电路间的能量无线耦合传递。具体的，本发明是这样实现的：
一种水下设备高效无线耦合供电结构，包括一对各自独立且对称分布的激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)相对端的端部内分别安装有激励线圈磁芯(11)、激励电感线圈(12)以及耦合电感线圈(21)、耦合线圈磁芯(22)，所述激励电感线圈(12)与耦合电感线圈(21)分别位于各自所在水密盒的最端部相隔且对立分布，所述激励线圈磁芯(11)与耦合线圈磁芯(22)分别位于激励电感线圈(12)与耦合电感线圈(21)之后相对分布，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)中部内分别安装有激励电路封装盒(13)和耦合电路封装盒(23)，电源变换高频激励电路(14)内置于激励电路封装盒(13)内并与激励电感线圈(12)连接；电源变换高频耦合电路(24)内置于耦合电路封装盒(23)内并与耦合电感线圈(21)连接，所述电源变换高频激励电路(14)和电源变换高频耦合电路(24)均引出有安装于激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)外部的接头(3)，接头(3)用于连接水下设备或水下电缆。
进一步的，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)于各自的端部相接触且对称分布安装，所述激励电感线圈(12)与耦合电感线圈(21)之间的相对间隔距离不超过30mm。
进一步的，所述电源变换高频激励电路(14)和电源变换高频耦合电路(24)分别由水密固化灌封材料(4)固化灌封在激励电路封装盒(13)和耦合电路封装盒(23)内，且激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)内均充满灌封液压油(5)。
进一步的，所述激励线圈磁芯(11)和耦合线圈磁芯(22)均为高频片状磁芯并分别竖直固定于所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)相对端的端部内。
进一步的，所述激励电感线圈(12)和耦合电感线圈(21)分别以片状紧贴所述激励线圈磁芯(11)和耦合线圈磁芯(22)呈单层绕置安装于所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)相对端的端部内。
进一步的，所述两个水密盒的最端部均包括一个壁板(6)和隔板(7)，壁板(6)和隔板(7)之间通过一根绕线柱(8)相互紧密接触连接，形成端部空间，所述所述激励电感线圈(12)、耦合电感线圈(21)、激励线圈磁芯(11)和耦合线圈磁芯(22)均围绕绕线柱(8)分布。
进一步的，所述激励电感线圈(12)和耦合电感线圈(21)所在的端部空间内均填充满抗外水压的材料。
进一步的，所述电源变换高频激励电路(14)信号频率为80kHz～100kHz之间。
进一步的，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)均由绝缘性高的非磁性材料制成。
进一步的，所述激励线圈磁芯(11)、耦合线圈磁芯(22)由磁损小、磁饱和强度高的铁氧体材料制成。
本发明的工作原理和有益效果：本发明提供的无线耦合供电结构，将AC-DC或DC-DC的电源变换电路分为二个独立部分，即电源变换高频激励电路和电源变换高频耦合电路，相应的电感线圈和磁芯也随两部分功能电路分为两个部分,由两个绝缘性高的非磁性材料加工的水密盒封装，通过线圈上高频信号耦合，电磁波无线耦合，完成供电的无线能量传递。使通常单磁芯的线圈耦合方式改变为双磁芯电感线圈的无线耦合方式,通过靠近的高频电感线圈之间的无线耦合，实现二部分电路间的能量无线耦合传递，从而可以实现两端接头的分离、对接合并，使水下设备供电连接变为无线耦合供电方式。通过特别针对性的结构设计，使得磁芯和线圈中部受到的压力可以作用于绕线柱(8)上实现分担压力，从而提高磁芯和线圈的整体抗压能力，使其能够具备用于深水应用的可行性，本发明具有能量无线耦合效率高、对接简单可靠，且无水密问题，由水下观察类型的ROV即可操作，可以由非工程类船舶携带ROV及专用机具即可完成水下设备接插头更换维修，有利于水下设备快速维修，降低施工费用，降低水下设备运行成本。
附图说明
图1为现有技术中的单磁芯电磁线圈的耦合结构示意图；
图2为本发明提供的双磁芯电感线圈的无线耦合结构示意图；
图3为本发明水下设备高效无线耦合供电结构的结构示意图；
图4为本发明的激励线圈磁芯与激励电感线圈的组合结构示意图；
图5为本发明水下设备高效无线耦合供电结构的立体结构示意图；
图6为本发明水下设备高效无线耦合供电结构的对接示意图；
图7为实施例中的水下设备高效无线耦合供电结构的结构示意图；
图8为实施例中由壁板和隔板之间通过一根绕线柱相互紧密接触连接形成端部空间的结构放大示意图；
其中：1—激励电路对接水密盒、2—耦合电路对接水密盒、11—激励线圈磁芯、12—激励电感线圈、21—耦合电感线圈、22—耦合线圈磁芯、13—激励电路封装盒、23—耦合电路封装盒、14—电源变换高频激励电路、24—电源变换高频耦合电路、15—激励电路水密盒盖、25—耦合电路水密盒盖、3—接头、4—水密固化灌封材料、5—灌封液压油、6—壁板、7—隔板、8—绕线柱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：一种水下设备高效无线耦合供电结构，结合附图1～8所示：无线耦合供电结构整体呈圆柱外形，包括一对各自独立且对称分布的激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2，所述激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2相对端的端部内分别安装有激励线圈磁芯11、激励电感线圈12以及耦合电感线圈21、耦合线圈磁芯22，所述激励电感线圈12与耦合电感线圈21分别位于各自所在水密盒的最端部相隔且对立分布，所述激励线圈磁芯11与耦合线圈磁芯22分别位于激励电感线圈12与耦合电感线圈21之后相对分布，所述激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2中部内分别安装有激励电路封装盒13和耦合电路封装盒23，电源变换高频激励电路14内置于激励电路封装盒13内并与激励电感线圈12连接；电源变换高频耦合电路24内置于耦合电路封装盒23内并与耦合电感线圈21连接，所述电源变换高频激励电路14和电源变换高频耦合电路24均引出有安装于激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2外部的接头3，接头3用于连接水下设备或水下电缆。所述接头3为硫化接头，所述激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2于各自的端部相接触且对称分布安装。为实现海水中高效无线能量传递，所述激励电感线圈12与耦合电感线圈21之间的相对间隔距离不超过30mm，优选地，该距离最佳印不超过26cm，采用固化灌封，控制激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2的相对端的盒壁厚度在12mm以内，盒壁采用硬度高和忍性较好的无磁性绝缘材料加工制成，具有一定适应外深水压力环境的调节能力；这样的结构关系有利于能量无线传递，提高电源变换效率。
进一步的，所述电源变换高频激励电路14和电源变换高频耦合电路24分别由水密固化灌封材料4固化灌封在激励电路封装盒13和耦合电路封装盒23内，水密固化灌封材料4可以为环氧树脂固化灌充，且激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2内均充满灌封液压油5，如68号液压油，使得内部电路和设备外壁等不被水压压坏。
进一步的，所述激励线圈磁芯11和耦合线圈磁芯22均为高频片状磁芯并分别竖直固定于所述激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2相对端的端部内。有关磁芯可依相应的频率范围选择，要求磁损小、磁饱和强度高的磁芯材料，如高性能的铁氧体材料磁芯，磁芯可以采用片状结构，方便购置，同时方便空间内重叠布置等。通过上述设计，电源激励电感线圈12、电源耦合电感线圈21的无线耦合能量传递效率高达90％。为了提高水下设备一端电路工作的可靠性，还可设计并接的电源变换高频激励电路14，通过二极管分隔直流DC输出。
为了方便装配和调试，所述激励电感线圈12和耦合电感线圈21分别以片状紧贴所述激励线圈磁芯11和耦合线圈磁芯22呈单层绕置安装于所述激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2相对端的端部内。线圈沿绕线中心结构盘绕呈单层饼状，线圈输出经连接电源变换高频激励电路14或电源变换高频耦合电路24处理，该结构下的电感线圈和磁芯的结合起到了能量存储、能量转换和能量无线耦合传递功能。
进一步的，所述电源变换高频激励电路14激励信号频率应考虑海水工作环境及转化效率，工作频率一般选择为80kHz～100kHz范围。
进一步的，所述激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2均由绝缘性高的非磁性材料加工制成，如PEEK材料聚醚醚酮或是玻璃钢材料等，不影响电感线圈之间的能量无线耦合传递。
如图8所示，由于水下使用的设备需要承受工作环境水深的外压力，为了实现高效率和较大的能量无线耦合传递，所述激励电感线圈12和耦合电感线圈21所在的激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2相对端的端部的面积较大且要求靠近在一起，所述两个水密盒的最端部均包括一个壁板6和隔板7，壁板6和隔板7之间通过一根绕线柱8相互紧密接触连接，形成端部空间，该端部空间为密闭空间，绕线柱8提供了磁芯于支撑作用，磁芯和线圈中部受到的压力可以作用于绕线柱8上实现分担压力，从而提高磁芯和线圈的整体抗压能力，所述所述激励电感线圈12、耦合电感线圈21、激励线圈磁芯11和耦合线圈磁芯22均围绕绕线柱8分布。所述激励电感线圈12和耦合电感线圈21所在的端部空间内均填充满抗外水压的材料，如填充环氧树脂胶灌封或填充绝缘油灌充等。
优选地，激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2上还开设有激励电路水密盒盖15和耦合电路水密盒盖25，激励电路水密盒盖15和耦合电路水密盒盖25可为金属材料加工制成，引出的激励电路水密盒接头3和耦合电路水密盒接头3可以是橡胶电缆或是水密接头。使用时，激励电路对接水密盒1和耦合电路对接水密盒2相对接的端头部位周围30mm范围内应无金属物体，以能量转换效率正常运作。
本发明解决了水下DC供电的能量无线耦合传递问题，水下对接要求低，方便水下ROV操作，有利于水下设备快速维修。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，包括一对各自独立且对称分布的激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)相对端的端部内分别安装有激励线圈磁芯(11)、激励电感线圈(12)以及耦合电感线圈(21)、耦合线圈磁芯(22)，所述激励电感线圈(12)与耦合电感线圈(21)分别位于各自所在水密盒的最端部相隔且对立分布，所述激励线圈磁芯(11)与耦合线圈磁芯(22)分别位于激励电感线圈(12)与耦合电感线圈(21)之后相对分布，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)中部内分别安装有激励电路封装盒(13)和耦合电路封装盒(23)，电源变换高频激励电路(14)内置于激励电路封装盒(13)内并与激励电感线圈(12)连接；电源变换高频耦合电路(24)内置于耦合电路封装盒(23)内并与耦合电感线圈(21)连接，所述电源变换高频激励电路(14)和电源变换高频耦合电路(24)均引出有安装于激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)外部的接头(3)，接头(3)用于连接水下设备或水下电缆。
2.根据权利要求1所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)于各自的端部相接触且对称分布安装，所述激励电感线圈(12)与耦合电感线圈(21)之间的相对间隔距离不超过30mm。
3.根据权利要求1所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述电源变换高频激励电路(14)和电源变换高频耦合电路(24)分别由水密固化灌封材料(4)固化灌封在激励电路封装盒(13)和耦合电路封装盒(23)内，且激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)内均充满灌封液压油(5)。
4.根据权利要求1所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述激励线圈磁芯(11)和耦合线圈磁芯(22)均为高频片状磁芯并分别竖直固定于所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)相对端的端部内。
5.根据权利要求4所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述激励电感线圈(12)和耦合电感线圈(21)分别以片状紧贴所述激励线圈磁芯(11)和耦合线圈磁芯(22)呈单层绕置安装于所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)相对端的端部内。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述两个水密盒的最端部均包括一个壁板(6)和隔板(7)，壁板(6)和隔板(7)之间通过一根绕线柱(8)相互紧密接触连接，形成端部空间，所述激励电感线圈(12)、耦合电感线圈(21)、激励线圈磁芯(11)和耦合线圈磁芯(22)均围绕绕线柱(8)分布。
7.根据权利要求6所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述激励电感线圈(12)和耦合电感线圈(21)所在的端部空间内均填充满抗外水压的材料。
8.根据权利要求1所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述电源变换高频激励电路(14)信号频率为80kHz～100kHz之间。
9.根据权利要求1所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述激励电路对接水密盒(1)和耦合电路对接水密盒(2)均由绝缘性高的非磁性材料制成。
10.根据权利要求1所述的水下设备高效无线耦合供电结构，其特征在于，所述激励线圈磁芯(11)、耦合线圈磁芯(22)由磁损小、磁饱和强度高的铁氧体材料制成。
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