CN114407689B - 一种无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，包括：安装于无人潜航器的接驳坞站或充电基座的发射端和安装于无人潜航器表面的接收端，发射端包括平面式弧形螺线管多线圈结构和第一弧形磁芯，平面式弧形螺线管多线圈结构轴向缠绕至第一弧形磁芯上，弧顶侧的平面式弧形螺线管线圈间隙大于弧底；接收端包括平面式弧形螺线管线圈、平面式弧形DD线圈和第二弧形磁芯，平面式弧形DD线圈径向缠绕至第二弧形磁芯上，平面式弧形螺线管线圈轴向缠绕在平面式弧形DD线圈外侧；平面式弧形螺线管多线圈结构分别与平面式弧形螺线管线圈和平面式弧形DD线圈互感。该机构不改变无人潜航器流体力学特性实现一定旋转偏移角度下的横滚适应性。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能和信息传输技术领域，特别涉及一种无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构。
背景技术
自主式无人潜航器无线电能传输系统的发射端通常安装于接驳坞站中，接收端安装于潜航器的腹部位置。现有技术中，接驳坞站主要以喇叭口笼型支架为主，无人潜航器在完成任务后返回接驳坞站实现自主式无线充电。然而，现有接驳技术和定位技术的不成熟，无人潜航器在进入接驳坞站后能够实现0～30mm的前后位置对齐，但是对于无人潜航器因深海洋流导致的横滚难以避免。洋流引起的无人潜航器横滚会导致磁耦合机构原、副边产生偏移，影响电能传输的功率、效率，而解决这一问题最直接且有效的办法即需要优先解决磁耦合机构因无人潜航器横滚导致的性能下降问题。
现有方案中，有研究机构在科研文献中提出了半嵌入式的磁耦合机构，但这无疑会改变无人潜航器的流体力学特征，影响其移动特征和机动性；有些研究机构设计了360°环绕的全嵌入式螺线管线圈磁耦合机构，以实现在360°偏移下的旋转对称性，但是这种磁耦合机构体积重量都非常大，不利于无人潜航器的轻量化设计。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构。
为达到上述目的，本发明实施例提出了无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，包括：安装于无人潜航器的接驳坞站或充电基座的发射端和安装于无人潜航器表面的接收端，其中，所述发射端包括按照预设规则排布的平面式弧形螺线管多线圈结构和第一弧形磁芯，所述平面式弧形螺线管多线圈结构中的多个平面式弧形螺线管线圈轴向缠绕至所述第一弧形磁芯上；所述接收端包括平面式弧形螺线管线圈、平面式弧形DD线圈和第二弧形磁芯，所述平面式弧形DD线圈径向缠绕至所述第二弧形磁芯上，所述平面式弧形螺线管线圈轴向缠绕在所述平面式弧形DD线圈外侧；所述平面式弧形螺线管多线圈结构分别与所述平面式弧形螺线管线圈和所述平面式弧形DD线圈互感。
本发明实施例的自主式无人潜航器水下无线充电共形化均匀磁场磁耦合机构，利用发射端的平面式弧形螺线管多线圈结构与接收端的平面式弧形螺线管线圈和平面式弧形DD线圈之间的磁耦合关系，形成均匀变化的弧形电磁场空间，从而实现在不改变无人潜航器流体力学特性实现一定旋转偏移角度下的横滚适应性，确保水下无线充电系统能够实现稳定可靠的功率效率输出。
另外，根据本发明上述实施例的自主式无人潜航器水下无线充电共形化均匀磁场磁耦合机构还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述平面式弧形螺线管多线圈结构中的弧顶侧的平面式弧形螺线管线圈间隙大于弧底的平面式弧形螺线管线圈间隙。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述平面式弧形DD线圈由两个方形线圈组成，且两个方形线圈的绕制方向相反。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述接收端的弧度与无人机潜航器的口径弧度相匹配。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述平面式弧形螺线管多线圈结构、所述平面式弧形螺线管线圈和所述平面式弧形DD线圈均由利兹线绕制制作。
进一步地，在本发明的一个实施例中，若采用的励磁电流频率为20kHz～100kHz，则选用单股线经0.1mm利兹线，若采用的励磁电流频率为100kHz～200kHz，则选用单股线经0.05mm的利兹线。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一弧形磁芯和所述第二弧形磁芯选用锰锌铁氧体或软磁铁基纳米晶。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述耦合机构外侧包裹绝缘非金属外壳，所述绝缘非金属外壳由高分子有机材料或尼龙PA66制作。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的发射端和接收端的位置示意图；
图2是本发明一个实施例的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的接收端的平面式弧形DD线圈对发射端的磁路分布图；
图4是本发明一个实施例的接收端的平面式弧形螺线管线圈对发射端的磁路分布图；
图5是本发明一个实施例的接收端的平面式弧形DD线圈对发射端的互感值随横滚偏移角度的波动变化图；
图6是本发明一个实施例的接收端的平面式弧形螺线管线圈对发射端的互感值随横滚偏移角度的波动变化图；
图7是本发明一个实施例的发射端与接收端之间的互感随横滚偏移角度的波动情况曲线；
图8是本发明一个具体实施例的无线充电电气拓扑电路图；
图9是本发明一个具体实施例的磁耦合机构的结构示意图。
附图标记说明：100-发射端、101-平面式弧形螺线管多线圈结构、102-第一弧形磁芯、200-接收端、201-平面式弧形螺线管线圈、202-平面式弧形DD线圈和203-第二弧形磁芯。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构。
如图1所示，该磁耦合机构包括：安装于无人潜航器的接驳坞站或充电基座的发射端100和安装于无人潜航器表面的接收端200。
具体地，如图2所示，发射端100包括按照预设规则排布的平面式弧形螺线管多线圈结构101和第一弧形磁芯102，平面式弧形螺线管多线圈结构101中的多个平面式弧形螺线管线圈轴向缠绕至第一弧形磁芯102上。接收端200包括平面式弧形螺线管线圈201、平面式弧形DD线圈202和第二弧形磁芯203，平面式弧形DD线圈径202向缠绕至第二弧形磁芯203上，平面式弧形螺线管线圈201轴向缠绕在平面式弧形DD线圈202外侧；平面式弧形螺线管多线圈结构101分别与平面式弧形螺线管线圈201和平面式弧形DD线圈203互感。
进一步地，本发明实施例的平面式弧形螺线管多线圈结构101可由3个、5个或更多的平面式螺线管线圈组成，具体的数目要求可根据抗洋流横滚角度、无线电能传输距离、无线电能传输功率进行综合化设计。
进一步地，本发明实施例的由于发射端的平面式弧形螺线管多线圈结构101在弧底的磁场强度会因为磁芯的聚磁作用高于在两侧弧顶的磁场强度，因此为了产生均匀磁场，本发明实施例可以使平面式弧形螺线管多线圈结构101中的弧顶侧的平面式弧形螺线管线圈间隙大于弧底的平面式弧形螺线管线圈间隙。
进一步地，本发明实施例的平面式弧形DD线圈202由两个方形线圈组成，以尽可能的增大DD线圈两个线圈的开窗面积，以便于拾取到更多的磁力线，其中，两个方形线圈的绕制方向相反。
进一步地，在本发明的一个实施例中，接收端200的弧度与无人机潜航器的口径弧度相匹配，以确保其具备共形化安装特点。
进一步地，在本发明的一个实施例中，平面式弧形螺线管多线圈结构101、平面式弧形螺线管线圈201和平面式弧形DD线圈202均由利兹线绕制制作，第一弧形磁芯102和第二弧形磁芯203可选用定制的锰锌铁氧体或软磁铁基纳米晶等磁性材料，耦合机构外侧通常包裹有绝缘非金属外壳，可由高分子有机材料或尼龙PA66等材料制作。
本发明实施例的工作原理为：利用发射端的平面式弧形螺线管多线圈结构101与接收端的平面式弧形DD线圈202和平面式弧形螺线管线圈201之间的磁耦合关系，形成均匀变化的弧形电磁场空间，具体地，当接收端仅有平面式弧形DD线圈202时，随着无人潜航器从-30°～30°的横滚偏移，发射端100和接收端200之间的耦合系数呈开口向上的抛物线变化，在中心处耦合程度最低；当接收端仅有平面式弧形DD线圈202时，随着无人潜航器从-30°～30°的横滚偏移，发射端100和接收端200之间的耦合系数呈开口向下的抛物线变化，在中心处耦合程度最高。因此设计复合形式的磁耦合机构接收端，从-30°～0°时，发射端100对于接收端的平面式弧形DD线圈202的耦合程度的降低于发射端100对于接收端的平面式弧形螺线管线圈201耦合程度的提升幅度是几乎相等的，从0°～30°亦然。最终使得整个磁耦合机构在受到洋流影响产生横滚偏移时，系统总互感仍能够保持平稳的状态，即系统的输出功率(正比于互感)可以平稳输出，不会造成功率波动和过流冲击等影响。
下面对本发明实施例提出的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构进行分析验证其性能。
如图3和4所示，通过在有限元仿真软件中的磁路分析可以得出，接收端的平面式弧形DD线圈202在中心处磁耦合程度较低而在两侧处磁耦合程度高，接收端的平面式弧形螺线管线圈201在中心处磁耦合程度较高而在两侧处磁耦合程度低，故本发明实施例将接收端200的两种线圈实现复合叠加，通过磁路优化得到发射端100和接收端200之间的均匀空间磁场。此外，接收端200的平面式弧形螺线管线圈201缠绕在平面式弧形DD线圈202外侧，一方面，二者共用磁芯，提高了磁芯的利用率和接收端200的轻量化程度；另一方面，平面式弧形螺线管线圈201缠绕在平面式弧形DD线圈202的中心位置，与平面式弧形DD线圈202的左右两个线圈产生的自耦合磁通量相反，故二者实现解耦，自耦合相互影响非常小，有利于无线电能传输的高效率设计。
如图5和6所示，从互感波动曲线可以非常直观的看出本发明实施例所提出的结构与图3、图4所描述的磁场分布情况一致。
如图7所示，是接收端的平面式弧形DD线圈202和接收端的平面式弧形螺线管线圈201复合后，在ANSYS仿真软件中通过有限元仿真得出的系统整体的发射端100与接收端200之间的互感随横滚偏移角度的波动情况曲线，可以看出系统在-30°～30°的最大互感波动不超过1μH，系统输出功率波动＜3％，复合本发明实施例的设计预期。
下面通过两个具体实施例对本发明实施例提出的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构进一步说明。
实施例一
如图8所示，主要磁路耦合是发射端的平面式弧形螺线管多线圈结构1#～5#与接收端的平面式弧形螺线管线圈的互感M1和发射端的平面式弧形螺线管多线圈结构1#～5#与接收端的平面式弧形DD线圈的互感M2，发射端侧还包括高频逆变源和第一谐振补偿电容，接收端侧还包括有第二谐振补偿电容、整流滤波电路和无人潜航器电池组。其中，如图8所示的谐振补偿网络为S-S结构，但本领域技术人员可根据实际情况选择其他结构形式的补偿网络，例如S-P，P-P，P-S，LCC-S，LCC-LCC，S-LCC，LCL-S，LCL-LCL以及其他高阶补偿网络，均可适用于本发明所提出的磁耦合机构，在此不做具体限定。
实施例二
如图9所示，以324mm口径无人潜航器3kW无线电能传输系统为例进行说明，发射端采用弧形磁芯结构，磁芯总长度600mm，按照图9所示的间隙进行线圈绕制分布，发射端共有五个平面式弧形螺线管线圈构成，每个线圈均由利兹线绕制10匝。发射端和接收端之间的间隙距离50mm，即为无线电能传输的距离。接收端由平面式弧形DD线圈和平面式弧形螺线管线圈组成，其中，DD线圈外尺寸为180mm*200mm，由利兹线绕制10匝，双层绕制排布，螺线管线圈绕制在DD线圈的中心位置，共10匝。线圈由利兹线绕制，采用的励磁电流频率可以为20kHz～200kHz，更高的频率可以得到更强的传输能力，优选利兹线规格为20kHz～100kHz选用单股线经0.1mm利兹线，100kHz～200kHz选用单股线经0.05mm的利兹线，利兹线股数可以选用0.1mm规格，1000～1500股数，随所需传输功率增加而加额，建议的最大线载流密度不超过4A/mm2。
发射端和接收端采用的磁芯均为客制化的铁基纳米晶软磁磁芯，采用纵向叠层排布，磁导率为500～1000，外表经过绝缘加工处理，厚度优选1～2mm可以有效抑制大功率条件下的磁饱和现象。发射端和接收端的外壳采用加强化的尼龙PA66材料，能够耐受500MPa深水压力。
产生的效果为：在85kHz电流频率下，在-30°～30°的横滚偏移角度下，系统互感值、输出功率值波动程度＜3％；在-30mm～30mm的前后未对准偏移距离下，系统互感值、输出功率值波动程度＜5％。
该实施例选取的发射端线圈个数为5个，有利于系统布局设计和谐振匹配，但本领域技术人员可选择其他线圈组合排布，在此不做具体限定。此外，针对其他口径型号的无人潜航器，线圈距离、传能距离、绕线匝数等应根据传能功率、输入电压电流等参数本领域技术人员可进行相应的调整和匹配，在此不做具体限定。
根据本发明实施例提出的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，利用发射端的平面式弧形螺线管多线圈结构与接收端的平面式弧形螺线管线圈和平面式弧形DD线圈之间的磁耦合关系，形成均匀变化的弧形电磁场空间，从而实现在不改变无人潜航器流体力学特性实现一定旋转偏移角度下的横滚适应性，确保水下无线充电系统能够实现稳定可靠的功率效率输出。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，其特征在于，包括：安装于无人潜航器的接驳坞站或充电基座的发射端和安装于无人潜航器表面的接收端，其中，
所述发射端包括按照预设规则排布的平面式弧形螺线管多线圈结构和第一弧形磁芯，所述平面式弧形螺线管多线圈结构中的多个平面式弧形螺线管线圈轴向缠绕至所述第一弧形磁芯上；
所述接收端包括平面式弧形螺线管线圈、平面式弧形DD线圈和第二弧形磁芯，所述平面式弧形DD线圈径向缠绕至所述第二弧形磁芯上，所述平面式弧形螺线管线圈轴向缠绕在所述平面式弧形DD线圈外侧；
所述平面式弧形螺线管多线圈结构分别与所述平面式弧形螺线管线圈和所述平面式弧形DD线圈互感；
所述平面式弧形螺线管多线圈结构中的弧顶侧的平面式弧形螺线管线圈间隙大于弧底的平面式弧形螺线管线圈间隙。
2.根据权利要求1所述的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，其特征在于，所述平面式弧形DD线圈由两个方形线圈组成，且两个方形线圈的绕制方向相反。
3.根据权利要求1所述的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，其特征在于，所述接收端的弧度与无人机潜航器的口径弧度相匹配。
4.根据权利要求1所述的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，其特征在于，所述平面式弧形螺线管多线圈结构、所述平面式弧形螺线管线圈和所述平面式弧形DD线圈均由利兹线绕制制作。
5.根据权利要求1所述的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，其特征在于，若采用的励磁电流频率为20kHz~100kHz，则选用单股线经0.1mm利兹线，若采用的励磁电流频率为100kHz~200kHz，则选用单股线经0.05mm的利兹线。
6.根据权利要求1所述的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，其特征在于，所述第一弧形磁芯和所述第二弧形磁芯选用锰锌铁氧体或软磁铁基纳米晶。
7.根据权利要求1所述的无人潜航器无线充电抗横滚均匀磁场磁耦合机构，其特征在于，所述耦合机构外侧包裹绝缘非金属外壳，所述绝缘非金属外壳由尼龙PA66制作。
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