CN116022009A - 基于球冠双d型线圈的多角度抗偏移的水下mc-wpt系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下无线电能传输技术领域，具体公开了一种基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC‑WPT系统，该系统通过设计球冠双D型线圈式耦合机构并设计合适的耦合机构参数，以及通过设计原副边谐振网络并设计合适的谐振网络参数，使得接收端在三维空间中存在较大角度的旋转偏移情况下，耦合机构互感变化较小，系统的输出功率和效率都能满足设计要求。本发明以输出功率不小于3kW，系统效率不低于85％的无线充电系统为例，利用COMSOL建模分析了发射端和接收端之间在三维空间中存在偏移时的互感变化情况，互感变化率较小。本发明还通过MATLAB/Simulink仿真验证了系统在互感变化时依然能够保持3kW的输出功率且波动较小，输出效率不低于85％。
Description
技术领域
本发明涉及水下无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统。
背景技术
面对复杂的海洋环境，水下巡检机器人的应用越来越广泛，可代替人工进入远洋、深海及危险水域执行任务，用于水下环境运维巡检，提前发现海缆裸露、移位、悬跨、弯折等潜在风险，并在发生严重故障时实现快速故障定位，但其续航能力是亟待解决的一大难题。目前常规的有线充电方式需要在水下巡检机器人机体外部设置专门的充电接口，这会对机器人的整体防水性和密封性产生影响，此外频繁地插拔充电接头，容易造成机械磨损，存在安全问题。因此寻求一种安全、便捷、智能的电能补给方式成为了该类水下巡检机器人发展进程中必须解决的问题。无线电能传输(WPT)技术作为一种新型充电方式，具有安全便捷的特点，不再需要诸如湿插拔接口等较昂贵密封装置来与水环境隔离，同时可以实现工况环境下电能的补给，提高了水下巡检机器人的续航能力。
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术是综合应用电力电子和控制等理论与技术，实现电能从电网或电池通过某种载体(如电场、磁场、微波、激光等)以非电气接触模式传输给用电设备的技术。最常用的方式是磁耦合无线电能传输技术(MC-WPT)，即通过发射线圈和接收线圈之间的耦合磁场为载体来实现电能的传输，目前磁场耦合式无线电能传输技术已广泛应用于各个领域，如海洋机器人、电动汽车、石油开采等。
在MC-WPT技术的海洋机器人应用中，由于海洋环境十分复杂，海洋设备在电能补给时，海底浪涌等不可预料的情况会使得水下巡检机器人发生晃动，导致MC-WPT系统的发射端和接收端之间在三维空间中存在一定程度的偏移，影响输出性能。因此需要发射端和接收端之间在三维空间中存在偏移的情况下，MC-WPT系统仍然能够保持良好充电性能，输出功率依然能够满足需求，输出效率能保持在较高的水平。
发明内容
本发明提供基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，解决的技术问题在于：如何使发射端和接收端之间在三维空间中存在偏移的情况下，MC-WPT系统仍然能够保持良好充电性能，输出功率依然能够满足需求，输出效率能保持在较高的水平。
为解决以上技术问题，本发明提供一种基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿网络、发射线圈，所述接收端包括顺序连接的接收线圈、副边补偿网络、整流滤波电路和负载，其关键在于：
所述发射线圈采用球冠弧度为β、大圆半径为rdp、线径为rp、匝数为Np的第一球冠双D型线圈，所述第一球冠双D型线圈由对称的发射端第一D型线圈和发射端第二D型线圈沿着相反方向串联而成；所述接收线圈采用球冠弧度为β、大圆半径为rds、线径为rs、匝数为Ns的第二球冠双D型线圈，所述第二球冠双D型线圈由对称的接收端第一D型线圈和接收端第二D型线圈沿着相反方向串联而成；所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离即无线传输距离为d；
所述发射端还设有与所述发射线圈形状匹配的发射端磁芯，所述接收端还设有与所述接收线圈形状匹配的接收端磁芯，所述发射端磁芯与所述接收端磁芯的厚度均为Hc。
优选的，所述发射线圈、所述发射端磁芯、所述接收线圈、所述接收端磁芯组成耦合机构，所述耦合机构的参数通过如下步骤确定：
A1、根据设计要求确定rdp、rds、β、d；
A2、根据系统功率及原副边线圈电流确定原副边线圈线径rp、rs；
A3、根据自感互感需求和工程经验确定磁芯厚度Hc；
A4、设置原副边线圈匝数Np＝1、Ns＝1；
A5、仿真计算耦合机构偏移情况下发射线圈的自感Lp、接收线圈的自感Ls、水下环境中发射线圈与接收线圈之间的互感Mwat；
A6、判断互感Mwat变化是否达到抗偏移要求，若是则输出得到耦合机构各个参数Lp、Ls、Np、Ns、Mwat，若否则原副边匝数Np、Ns依次加1并返回至步骤A5。
优选的，所述原边补偿网络为LCC型补偿结构，包括补偿电感Lpr、并联补偿电容Cp1和串联补偿电容Cp2；
所述副边补偿网络为S型串联补偿结构，包括补偿电容Cs。
优选的，所述原边补偿网络和所述副边补偿网络的参数通过如下步骤确定：
B1、根据设计要求及水下巡检机器人的额定功率等级确定系统的输出功率Pout、传输效率η、工作频率f、负载电阻RL、输出电压Uout；
B2、综合考虑系统耐压、耐流、功率及效率等因素确定、系统输入直流电压Uin；
B3、根据COMSOL软件仿真得Lp、Ls、Mwat、Rp、Rs，Rp为发射线圈内阻Rp1与发射端涡流损耗等效电阻Rp2之和，Rs为接收线圈内阻Rs1与接收端涡流损耗等效电阻Rs2之和；
B4、由Uout≥(Mwat(min)/Lpr)Uin和系统谐振关系得到系统谐振参数Lpr、Cp1、Cp2、Cs，Mwat(min)表示耦合机构偏移情况下互感的最小值；
B5、仿真计算Uout、Pout是否满足要求，若是则进入下一步，若否则根据Uout≥(Mwat(min)/Lpr)Uin修改Lpr并重新计算Uout、Pout直到满足要求；
B6、仿真计算η是否满足要求，若是则输出得到各个系统谐振参数Lpr、Cp1、Cp2、Cs，若否，调整Uin返回至步骤B4。
优选的，在所述步骤B4中，所述系统谐振关系表示为：
ω0＝2πf表示系统的工作角频率。
优选的，所述发射线圈与所述接收线圈均采用单层绕制，rdp＝rds，Np＝Ns，rp＞rs。
优选的，所述接收线圈与所述接收端磁芯安装在包容式水下巡检机器人的上壁，所述发射线圈与所述发射端磁芯安装于喇叭式的坞站中，所述包容式水下巡检机器人进入所述坞站，所述发射端给所述包容式水下巡检机器人充电。
优选的，所述高频逆变器采用由开关器件S1、S2、S3、S4构成的全桥逆变电路。
优选的，所述整流滤波电路采用整流桥和滤波电容Cf，所述整流桥采用由二极管D1、D2、D3、D4构成的全桥整流器。
本发明提供的一种基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其有益效果在于：
本发明通过设计球冠双D型线圈式耦合机构并设计合适的耦合机构参数，以及通过设计原副边谐振网络并设计合适的谐振网络参数，使得接收端在三维空间中存在较大角度的旋转偏移情况下，耦合机构互感变化较小，系统的输出功率和效率都能满足设计要求。本发明以输出功率不小于3kW，系统效率不低于85％的无线充电系统为例，利用COMSOL建模分析了发射端和接收端之间在三维空间中存在偏移时的互感变化情况，互感变化率较小。本发明还通过MATLAB/Simulink仿真验证了系统在互感变化时依然能够保持3kW的输出功率且波动较小，输出效率不低于85％，从而验证了本发明所提出的系统及参数设计方法的正确性和有效性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的球冠双D型耦合机构的立体图；
图2是本发明实施例提供的球冠双D型耦合机构的磁场分布图；
图3是本发明实施例提供的球冠双D型耦合机构的等效磁路图；
图4是本发明实施例提供的线圈偏移模型图；
图5是本发明实施例提供的耦合机构的参数设计流程图；
图6是本发明实施例提供的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统的拓扑图；
图7是本发明实施例提供的LCC-S型MC-WPT系统的互感模型图；
图8是本发明实施例提供的球冠双D型耦合机构的结构图：(a)正视图，(b)侧视图；
图9是本发明实施例提供的巡检机器人充电对接示意图；
图10是本发明实施例提供的接收端以X轴旋转偏移示意图；
图11是本发明实施例提供的接收端在Y方向偏移示意图；
图12是本发明实施例提供的接收端在X方向偏移示意图；
图13是本发明实施例提供的接收端以Y轴旋转偏移示意图；
图14是本发明实施例提供的接收端以Z轴旋转偏移示意图；
图15是本发明实施例提供的双U型耦合机构示意图；
图16是本发明实施例提供的平板型双D耦合机构示意图；
图17是本发明实施例提供的球冠型耦合机构旋转偏移示意图；
图18是本发明实施例提供的不同线圈旋转偏移互感变化率对比图；
图19是本发明实施例提供的系统电路参数设计流程图；
图20是本发明实施例提供的耦合机构正对时的闭环系统逆变波形图；
图21是本发明实施例提供的接收端旋转偏移时系统效率和功率变化图：(a)效率，(b)功率；
图22是本发明实施例提供的接收端在Y方向偏移系统效率和功率变化图：(a)效率，(b)功率。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
对于单线圈耦合机构来说，当发射端和接收端之间存在偏移时，发射端线圈激发的磁场中仅有一部分与接收端线圈发生耦合，大量的磁场分布在周围空间，这就使原副边耦合程度减小，影响传输性能。DD型线圈两侧回路中的电流方向相反，会出现单个平面线圈不同的磁场分布特性，即磁力线从一侧回路出发，终止于另一侧，在磁耦合机构内部形成一个闭合的磁通回路。DD型线圈使磁场尽可能分布在磁耦合机构内部，减少了漏磁，也增强了系统的抗偏移性能。
发射端和接收端均为DD线圈时，由于DD型线圈特殊的绕制方式，两者正对情况下，接收端有两个回路，有效磁通会增加。两个回路的有效磁通效果叠加，感应电压相比于接收端平面单线圈的情况，会有较大的增加。
目前包容式水下巡检机器人对接充电方法为：
接收端放置于水下巡检机器人内部，水下巡检机器人进入充电区域之后，位于坞站中的发射端给水下巡检机器人充电。由于水下浪涌的存在，水下巡检器机器人进入坞站的过程中会发生一定程度的偏斜，从而导致发射端与接收端之间发生了偏移，造成互感变化。因此要求水下WPT系统在三维空间中具有一定的抗偏移能力，当耦合机构在三维空间中发生偏移时，尽可能地抑制互感的变化。
针对上述问题，本发明的发射线圈和接收线圈均采用球冠双D型线圈，如图1所示，抗偏移能力较强。具体的，发射线圈采用球冠弧度为β、大圆半径为rdp、线径为rp、匝数为Np的第一球冠双D型线圈，第一球冠双D型线圈由对称的发射端第一D型线圈和发射端第二D型线圈沿着相反方向串联而成；接收线圈采用球冠弧度为β、大圆半径为rds、线径为rs、匝数为Ns的第二球冠双D型线圈，第二球冠双D型线圈由对称的接收端第一D型线圈和接收端第二D型线圈沿着相反方向串联而成；发射线圈与接收线圈之间的距离即无线传输距离为d。对于该耦合机构，发射端还设有与发射线圈形状匹配的发射端磁芯，接收端还设有与接收线圈形状匹配的接收端磁芯，发射端磁芯与接收端磁芯的厚度均为Hc。
通过在COMSOL仿真软件中建立球冠双D型线圈模型，得到球冠双D型线圈XZ截面的磁场分布如图2所示。图2中箭头表示磁力线，根据球冠双D型线圈磁场分布，将空气间隙的磁通分为互耦合磁通和漏磁通，并且将球冠双D型线圈产生的磁通划分为4个自耦合区域和2个互耦合区域。互耦合区域1、互耦合区域2的磁阻分别为Rm1和Rm2，Φm1、Φm2为互耦合区域1和互耦合区域2的磁通；Φs1、Φs2、Φs3、Φs4为自耦合区域1、自耦合区域2、自耦合区域3和自耦合区域4的磁通，自耦合区域1、自耦合区域2、自耦合区域3和自耦合区域4的磁阻为Rs1、Rs2、Rs3和Rs4。F1为发射线圈左侧D线圈产生的磁动势，F2为发射线圈右侧D线圈产生的磁动势。球冠双D型线圈左侧线圈和右侧线圈相互串联，因此F1和F2在大小上近似相等而方向相反。综上，可得到球冠双D型线圈的等效磁路模型，如图3所示。
由图3等效磁路，可以得到漏磁通和互耦合磁通的表达式为：
对于耦合系数k来说有：
由于发射线圈的两个D线圈是由同一条线绕制而成，故F1和F2在大小上近似相等，又因发射线圈成对称结构，可认为Rs3和Rs4相等。将式(1)代入式(2)可得：
其中，为了简化k的表达所自定义的参数
从上式可以看出，球冠双D型磁耦合机构的耦合系数与互耦合区域磁路磁导正相关，与自耦合区域磁路磁导负相关，因此可通过合理选择线圈参数、磁芯结构及优化各耦合区域磁路的磁阻来提升耦合系数。
为了说明磁耦合机构参数与互感之间的关系，以两平行线圈为例，通过建立发射线圈和接收线圈偏移模型，得到发射线圈与接收线圈之间互感和线圈方位的关系，如图4所示。
综上，假设发射线圈大圆半径为rdp，接收线圈的大圆半径为rds，球冠弧度为β，传输距离为d；发射线圈线径为rp，接收线圈线径为rs。发射线圈匝数为Np，接收线圈匝数为Ns，磁芯厚度为Hc，耦合机构设计流程如图5所示，具体包括步骤：
A1、根据设计要求确定rdp、rds、β、d；
A2、根据系统功率及原副边线圈电流确定原副边线圈线径rp、rs；
A3、根据自感互感需求和工程经验确定磁芯厚度Hc；
A4、设置原副边线圈匝数Np＝1、Ns＝1；
A5、仿真计算耦合机构偏移情况下发射线圈的自感Lp、接收线圈的自感Ls、水下环境中发射线圈与接收线圈之间的互感Mwat；
A6、判断互感Mwat变化是否达到抗偏移要求，若是则输出得到耦合机构各个参数Lp、Ls、Np、Ns、Mwat，若否则原副边匝数Np、Ns依次加1并返回至步骤A5。
水下LCC-S型MC-WPT系统拓扑如图6所示，其中Uin为直流电源，经过开关器件S1-S4构成的全桥逆变电路之后转换为高频交流电uAB，原边为LCC型补偿结构，包括补偿电感Lpr、并联补偿电容Cp1和串联补偿电容Cp2；副边为S型串联补偿结构，包括补偿电容Cs；Lp、Ls为发射线圈和接收线圈的自感，Mwat为海水环境中Lp和Ls之间的互感；D1-D4为整流二极管(构成全桥整流器)，Cf为滤波电容，RL为负载电阻，Uo为输出电压。
LCC-S型补偿结构互感模型如图7所示，Rp1为发射线圈内阻，Rp2为发射端涡流损耗等效电阻，Rs1为接收线圈内阻，Rs2为接收端涡流损耗等效电阻；开关频率为ω0，Req为整流桥输入端等效电阻，
已知，在水下环境中有：
Mwat＝ρMaire-jα (4)
其中Mair为空气中的互感，ρ为互感幅值变化系数(约等于1)，α为互感相位角。
电容电感的内阻相对自身的阻抗来说很小，为了简化分析，图7所示的等效电路中忽略了电容电感的等效内阻。副边线圈电感Ls与补偿电容Cs发生串联谐振，则副边等效阻抗为：
副边反射阻抗为：
则系统输入阻抗Zin为：
将式(5)和式(6)代入式(7)中，并令系统输入阻抗Zin虚部为0可得：
式(8)中，由于互感相位α较小，则谐振条件可简化为：
将式(9)代入式(5)、式(6)、式(7)中可得：
则系统各个支路电流为：
已知，海水介质中的电压增益为：
由于Rs1、Rs2通常远小于等效电阻Req，所以在理论分析过程为了方便计算通常将其忽略不计，则海水介质中的电压增益GV可简化为：
水下LCC-S型拓扑网络的输入功率Pin、输出功率Pout可表示为：
则水下LCC-S型拓扑网络的输出效率为：
因此水下环境中，若不考虑涡流损耗等效电阻及系统本身的寄生参数时，LCC-S型MC-WPT系统能够实现恒压输出。从式(15)、式(16)中可知，互感的变化会影响输出功率和输出效率，若能在耦合机构偏移情况下抑制互感的变化，则能在一定程度上提高系统的传输性能。
下面以输出功率不小于3kW，系统效率不低于85％的无线充电系统为例，验证本发明所提出的系统及参数设计方法。考虑到常用水下巡检机器人的尺寸及充电距离，根据工程经验，将发射线圈和接收线圈的大圆半径设计为250mm，球冠弧度为40°，传输距离150mm。结合输入输出电压及LCC-S型拓扑结构，考虑系统的耐压耐流值，发射线圈采用6mm线径的利兹线，接收线圈采用4mm线径的利兹线。本发明中发射线圈和接收线圈均采用单层绕制，共20匝。线圈结构如图8所示。发射线圈和接收线圈均采用DD型绕法，左边D型线圈顺时针绕制，右边D型线圈逆时针绕制，左边和右边各绕制10匝。为了进一步增强系统的耦合能力，在线圈外部添加了5mm厚的锰锌铁氧体作为磁芯。
对于水下MC-WPT系统而言，在水下复杂的环境中时会受到来自X、Y、Z多个方向的浪涌的影响，如图9所示。可以看到，接收线圈与接收端磁芯安装在包容式水下巡检机器人的上壁，发射线圈与发射端磁芯安装于喇叭式的坞站中，包容式水下巡检器机器人进入坞站，发射端给包容式水下巡检机器人充电。由于喇叭笼箱及固定装置的存在，载体不会有大幅度的晃动和偏移，因此接收端也不会出现大角度的偏移状态。根据工程经验，X轴旋转偏移角度一般为[-30°，30°]，本例规定[0°，30°]为正方向上的偏移，[-30°，0°]为负方向上的偏移；Y轴旋转偏移角度一般为[-10°，10°]，Z轴旋转偏移角度一般为[-30°，30°]，X方向上的移动偏移距离一般为[-5cm，5cm]，Y方向上的移动偏移距离一般为[-10cm，10cm]。
针对来自多角度的浪涌，模拟其对耦合机构的影响，作出以下偏移分析，由于耦合机构的对称性，因此只需分析在正方向上的偏移情况即可，负方向的情况与正方向上的结果一致。
(1)X轴旋转偏移
对于浪涌会对图9中载体造成以X轴旋转偏移的情况，模拟其对耦合机构的影响，对接收端以X轴进行旋转变化，如图10所示。当旋转角度为[0°，30°]，工作频率150kHz时，互感变化如表1所示。可以看出随着旋转角度的增加，互感值在减小，互感变化率在增加，在旋转30°时互感变化率最大为13.61％，互感相位变化较小，始终为-5.5°左右。
表1X轴旋转互感变化
(2)X方向移动偏移
对于浪涌会对图9中载体造成X方向移动偏移的情况，模拟其对耦合机构的影响，对接收端在X方向上进行移动变化，如图11所示。当偏移距离为[0cm，5cm]，工作频率150kHz时，互感变化如表2所示，随着偏移距离的增加，互感在减小，互感变化率在增加，在移动5cm时互感变化率最大为14.92％，互感相位变化较小。在X方向偏移时，其互感减小的速度相比于Y方向移动时较快。
表2X方向移动偏移互感变化
(3)Y方向移动偏移
对于浪涌会对图9中载体造成Y方向移动偏移的情况，模拟其对耦合机构的影响，对接收端在Y方向上进行移动变化，如图12所示。当偏移距离为[0cm，10cm]，工作频率150kHz时，互感变化如表3所示，随着偏移距离的增加，互感在减小，互感变化率在增加，在移动10cm时互感变化率最大为13.88％，互感相位基本保持不变。
表3Y方向偏移互感变化
(4)Y轴旋转偏移
对于浪涌会对图9中载体造成以Y轴旋转偏移的情况，模拟其对耦合机构的影响，对接收端以Y轴进行旋转变化，如图13所示。当旋转角度为[0°，10°]，工作频率150kHz时，互感变化如表4所示，随着旋转角度的增加，互感在减小，互感变化率在增加，在旋转10°时互感变化率最大为10.55％，以Y轴旋转时，其互感减小的速度相比于以X轴旋转时较快。
表4Y轴旋转互感变化
(5)Z轴旋转偏移
对于浪涌会对图9中载体造成以Z轴旋转偏移的情况，模拟其对耦合机构的影响，对接收端以Z轴进行旋转变化，如图14所示。当旋转角度为[0°，30°]，工作频率150kHz时，互感变化如表5所示，随着旋转角度的增加，互感在减小，互感变化率在增加，在旋转30°时互感变化率最大为15.9％，互感相位变化较小。
表5Z轴旋转偏移互感变化
为了进一步验证球冠双D型耦合机构的抗偏移性能，下面构建了同尺寸下的几种常见的耦合机构，并对其进行偏移仿真和分析。
图15为双U型耦合机构旋转偏移示意图，发射端和接收端尺寸为500mm*500mm，传输距离为150mm。双U型耦合机构发射线圈由正绕发射线圈和反绕发射线圈组成，其中正绕发射线圈16匝，线径6mm，反绕发射线圈7匝，线径6mm；接收线圈20匝，线径4mm。当接收端发生旋转偏移，旋转角度为[0°，30°]，工作频率150kHz时，互感变化如表6所示。
表6双U型耦合机构旋转偏移互感变化
图16为平板型双D耦合机构旋转偏移示意图，发射端和接收端尺寸为500mm*500mm，传输距离为150mm。发射线圈由DD线圈组成，左边的D线圈顺时针绕制，线径6mm，绕制13匝，右边的D线圈逆时针绕制，线径6mm，绕制13匝；接收线圈也由DD线圈组成，左边的D线圈顺时针绕制，线径4mm，绕制13匝，右边的D线圈逆时针绕制，线径4mm，绕制13匝。当接收端发生旋转偏移，旋转角度为[0°，30°]，工作频率150kHz时，互感变化如表7所示。
表7平板双D型旋转偏移互感变化
图17为球冠型耦合机构旋转偏移示意图，发射端和接收端球冠大圆半径为250mm，传输距离为150mm。发射线圈由正绕发射线圈和反绕发射线圈组成，其中正绕发射线圈16匝，线径6mm，反绕发射线圈7匝，线径6mm；接收线圈20匝，线径4mm。当接收端发生旋转偏移，旋转角度为[0°，30°]，工作频率150kHz时，互感变化如表8所示。
表8球冠型耦合机构旋转偏移互感变化
图18所示为相同尺寸、相同传输距离下的球冠双D型线圈、双U型线圈、平板双D型线圈、球冠型线圈在旋转偏移时互感变化率的对比图。从图18中可以看出，在[0°，30°]的旋转角度内，球冠双D型线圈相比于其他几种线圈来说，其互感变化率较小，抗旋转偏移能力有较大的提升。
此外，球冠双D型线圈在Y方向上偏移[0cm，10cm]时，最大互感变化率为13.88％；在X方向偏移[0cm，5cm]时，最大互感变化率为14.92％；关于Y轴发生[0°，10°]的旋转偏移时，最大互感变化率为10.55％；关于Z轴发生[0°，30°]的旋转偏移时，最大互感变化率为14.8％；由于耦合机构的对称性，负方向上的情况与正方所分析的一致。综上，球冠双D型线圈对于Y方向上的移动偏移、Z方向上的移动偏移、Y轴上的旋转偏移、X轴上的旋转偏移都有一定程度的容忍性。
本发明以输出功率不小于3kW，系统效率不低于85％的无线充电系统为例，根据设计要求输出电压为400V，综合考虑系统耐压、耐流和效率等因素，设定输入电压为250V，如表9所示。
表9系统输入输出参数
结合由COMSOL仿真软件的结果得到互感、自感及线圈电阻的值，代入式(1)-(8)中，得到电路的各个参数，设计流程如图19所示，首先根据设计要求和水下巡检机器人功率等级确定系统功率、效率、频率、输出电压和负载，综合考虑系统的耐压、耐流等级确定输入电压。结合COMSOL仿真软件得到的结果，根据谐振条件计算出系统的谐振参数，若在此参数下系统的输出电压和功率满足要求，则计算系统的输出效率；若不满足，则根据电压增益公式修改补偿电感，使输出电压和功率满足要求。确定好以上参数之后再计算效率，若满足要求，输出各个系统参数；若不满足，调整输入电压，重复上述步骤，直到效率满足要求。具体包括步骤：
B1、根据设计要求及水下巡检机器人的额定功率等级确定系统的输出功率Pout、传输效率η、工作频率f、负载电阻RL、输出电压Uout；
B2、综合考虑系统耐压、耐流、功率及效率等因素确定、系统输入直流电压Uin；
B3、根据COMSOL软件仿真得Lp、Ls、Mwat、Rp、Rs，Rp为发射线圈内阻Rp1与发射端涡流损耗等效电阻Rp2之和，Rs为接收线圈内阻Rs1与接收端涡流损耗等效电阻Rs2之和；
B4、由Uout≥(Mwat(min)/Lpr)Uin和系统谐振关系得到系统谐振参数Lpr、Cp1、Cp2、Cs，Mwat(min)表示耦合机构偏移情况下互感的最小值；
B5、仿真计算Uout、Pout是否满足要求，若是则进入下一步，若否则根据Uout≥(Mwat(min)/Lpr)Uin修改Lpr并重新计算Uout、Pout直到满足要求；
B6、仿真计算η是否满足要求，若是则输出得到各个系统谐振参数Lpr、Cp1、Cp2、Cs，若否，调整Uin返回至步骤B4。
得到的电路仿真参数如表10所示。
表10系统仿真参数
利用Simulink建立电路仿真模型，包含了LCC-S型MC-WPT系统主电路模型和驱动电路模型。
在发射端和接收端无偏移情况下，系统的逆变输出电压电流波形如图20所示。
对于X轴、Y轴、Z轴旋转偏移的情况，选取表1、表4、表5中的在规定偏移范围内的一部分互感值依次带入仿真模型中，效率和功率变化分别如图21(a)、(b)所示，从图中可看出输出功率均在3kW以上，输出效率均在85％以上。
对于X方向、Y方向移动偏移的情况，选取表2中的在规定偏移范围内的一部分互感值依次带入仿真模型中，效率和功率变化分别如图22(a)、(b)所示，从图中可看出输出功率均在3kW以上，输出效率均在85％以上。
综上，本发明以输出功率不小于3kW，系统效率不低于85％的无线充电系统为例，通过设计球冠双D型线圈式耦合机构并设计合适的耦合机构参数，以及通过设计原副边谐振网络并设计合适的谐振网络参数，使得耦合机构在三维空间中存在X轴、Y轴、Z轴旋转偏移及X方向、Y方向移动偏移的情况下，互感变化较小，且系统仍然能够保持85％以上的输出效率及3kW以上的输出功率。本发明利用COMSOL建模分析了发射端和接收端之间在三维空间中存在偏移时互感变化率较小。本发明还通过MATLAB/Simulink仿真验证了系统在互感变化时依然能够保持3kW的输出功率且功率波动较小，输出效率不低于85％，从而验证了本发明所提出的系统及参数设计方法的正确性和有效性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿网络、发射线圈，所述接收端包括顺序连接的接收线圈、副边补偿网络、整流滤波电路和负载，其特征在于：
所述发射线圈采用球冠弧度为β、大圆半径为rdp、线径为rp、匝数为Np的第一球冠双D型线圈，所述第一球冠双D型线圈由对称的发射端第一D型线圈和发射端第二D型线圈沿着相反方向串联而成；所述接收线圈采用球冠弧度为β、大圆半径为rds、线径为rs、匝数为Ns的第二球冠双D型线圈，所述第二球冠双D型线圈由对称的接收端第一D型线圈和接收端第二D型线圈沿着相反方向串联而成；所述发射线圈与所述接收线圈之间的距离即无线传输距离为d；
所述发射端还设有与所述发射线圈形状匹配的发射端磁芯，所述接收端还设有与所述接收线圈形状匹配的接收端磁芯，所述发射端磁芯与所述接收端磁芯的厚度均为Hc。
2.根据权利要求1所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于，所述发射线圈、所述发射端磁芯、所述接收线圈、所述接收端磁芯组成耦合机构，所述耦合机构的参数通过如下步骤确定：
A1、根据设计要求确定rdp、rds、β、d；
A2、根据系统功率及原副边线圈电流确定原副边线圈线径rp、rs；
A3、根据自感互感需求和工程经验确定磁芯厚度Hc；
A4、设置原副边线圈匝数Np＝1、Ns＝1；
A5、仿真计算耦合机构偏移情况下发射线圈的自感Lp、接收线圈的自感Ls、水下环境中发射线圈与接收线圈之间的互感Mwat；
A6、判断互感Mwat变化是否达到抗偏移要求，若是则输出得到耦合机构各个参数Lp、Ls、Np、Ns、Mwat，若否则原副边匝数Np、Ns依次加1并返回至步骤A5。
3.根据权利要求2所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于：
所述原边补偿网络为LCC型补偿结构，包括补偿电感Lpr、并联补偿电容Cp1和串联补偿电容Cp2；
所述副边补偿网络为S型串联补偿结构，包括补偿电容Cs。
4.根据权利要求2所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于，所述原边补偿网络和所述副边补偿网络的参数通过如下步骤确定：
B1、根据设计要求及水下巡检机器人的额定功率等级确定系统的输出功率Pout、传输效率η、工作频率f、负载电阻RL、输出电压Uout；
B2、综合考虑系统耐压、耐流、功率及效率确定系统输入直流电压Uin；
B3、根据COMSOL软件仿真得Lp、Ls、Mwat、Rp、Rs，Rp为发射线圈内阻Rp1与发射端涡流损耗等效电阻Rp2之和，Rs为接收线圈内阻Rs1与接收端涡流损耗等效电阻Rs2之和；
B4、由Uout≥(Mwat(min)/Lpr)Uin和系统谐振关系得到系统谐振参数Lpr、Cp1、Cp2、Cs，Mwat(min)表示耦合机构偏移情况下互感Mwat的最小值；
B5、仿真计算Uout、Pout是否满足要求，若是则进入下一步，若否则根据Uout≥(Mwat(min)/Lpr)Uin修改Lpr并重新计算Uout、Pout直到满足要求；
B6、仿真计算η是否满足要求，若是则输出得到各个系统谐振参数Lpr、Cp1、Cp2、Cs，若否，调整Uin返回至步骤B4。
5.根据权利要求4所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于，在所述步骤B4中，所述系统谐振关系表示为：
ω0＝2πf表示系统的工作角频率。
6.根据权利要求5所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于，所述发射线圈与所述接收线圈均采用单层绕制，且满足rdp＝rds，Np＝Ns，rp＞rs。
7.根据权利要求1所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于：所述接收线圈与所述接收端磁芯安装在包容式水下巡检机器人的上壁，所述发射线圈与所述发射端磁芯安装于喇叭式的坞站中，所述包容式水下巡检器机器人进入所述坞站，使得所述接收端进入规定的充电区域，所述发射端给所述包容式水下巡检机器人充电。
8.根据权利要求1所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于：所述高频逆变器采用由开关器件S1、S2、S3、S4构成的全桥逆变电路。
9.根据权利要求1所述的基于球冠双D型线圈的多角度抗偏移的水下MC-WPT系统，其特征在于：所述整流滤波电路采用整流桥和滤波电容Cf，所述整流桥采用由二极管D1、D2、D3、D4构成的全桥整流器。
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|---|---|---|---|---|
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2023
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| CN116885860B (zh) * | 2023-09-06 | 2023-12-29 | 哈尔滨理工大学 | 一种水下无线充电系统的控制方法 |
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