文海兵, 宋保維, 張克涵, 閆爭(zhēng)超

水下磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用研究綜述

文海兵, 宋保維, 張克涵, 閆爭(zhēng)超

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

相較于傳統(tǒng)的濕插拔水下電能補(bǔ)給方式, 磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸(MCR-WPT)技術(shù)具有絕緣性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電能傳輸安全性高、操作方便等優(yōu)勢(shì), 在水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備電能補(bǔ)給方面有良好的應(yīng)用前景。文章首先介紹了MCR-WPT技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理, 重點(diǎn)關(guān)注了海洋環(huán)境下MCR-WPT的特殊性; 分別從機(jī)理研究和應(yīng)用研究?jī)煞矫骊U釋了水下MCR-WPT技術(shù)的研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問(wèn)題; 最后分析了該技術(shù)待解決的關(guān)鍵問(wèn)題及其發(fā)展趨勢(shì), 主要包括電能傳輸機(jī)理、電磁耦合器設(shè)計(jì)、系統(tǒng)海洋環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性以及新材料的應(yīng)用。文中研究旨在為我國(guó)水下MCR-WPT技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考。

水下航行器; 磁耦合諧振; 無(wú)線(xiàn)電能傳輸; 海洋環(huán)境

0 引言

海洋蘊(yùn)藏著豐富的生物資源、礦產(chǎn)資源及可再生能源, 是全球生命支持系統(tǒng)的重要組成部分, 也是人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的寶貴財(cái)富。水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備是人類(lèi)開(kāi)發(fā)利用海洋資源的重要工具。能源問(wèn)題是制約水下機(jī)電設(shè)備在海洋中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的主要因素。受水下航行器體積限制, 其自帶的電池有限, 無(wú)法滿(mǎn)足工作需求。目前, 水下航行器主要通過(guò)定時(shí)上浮到海面, 利用母船或近岸線(xiàn)纜進(jìn)行能源補(bǔ)給。這種工作方式效率低, 大量能源被消耗在航行器往返行程中, 且隱蔽性差。當(dāng)前, 歐美發(fā)達(dá)國(guó)家正在建設(shè)的海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[1]主要包括海底基站、傳感器、水下航行器等設(shè)備, 通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)、浮標(biāo)等方式將探測(cè)數(shù)據(jù)傳回到地面工作站, 實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋各種環(huán)境參數(shù)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。我國(guó)目前也在東海和南海建設(shè)有海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[2]。海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的海底基站為水下航行器提供了水下電能補(bǔ)給節(jié)點(diǎn), 在電能即將耗盡時(shí), 水下航行器航行到就近的海底基站, 與海底基站進(jìn)行自動(dòng)對(duì)接, 應(yīng)用無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行電能補(bǔ)給, 電能補(bǔ)給完成后繼續(xù)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。由此, 可顯著提高水下航行器的工作連貫性和隱蔽性。將無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)運(yùn)用于水下電能補(bǔ)給, 電能發(fā)送端和接收端不需要電路間的物理連接, 可避免傳統(tǒng)濕插拔電能補(bǔ)給方式由于金屬接插件接觸引起的火花、漏電、磨損和積炭等安全隱患[3], 可有效提高水下航行器能源補(bǔ)給的安全性。

目前, 根據(jù)工作原理的不同, 無(wú)線(xiàn)電能傳輸主要包括電場(chǎng)耦合式、磁場(chǎng)耦合式、微波輻射、激光和超聲波等方式。由于海水導(dǎo)電, 故在海洋環(huán)境下電場(chǎng)耦合式很難使用; 磁場(chǎng)耦合式又分為感應(yīng)耦合式和諧振耦合式, 其中感應(yīng)耦合式是基于變壓器原理, 其傳輸距離較小, 僅為毫米級(jí)別; 微波輻射和激光無(wú)線(xiàn)電能傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)都是利用電磁波束來(lái)代替導(dǎo)線(xiàn), 其缺點(diǎn)是傳輸效率低, 工作頻率較高, 對(duì)生物體有嚴(yán)重影響; 在水下利用超聲波傳輸電能需要高效的換能器, 且電能傳輸效率較低。磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸(magnetica- lly-coupled resonant wireless power transfer technology, MCR-WPT)系統(tǒng)在近、中距離時(shí), 都能實(shí)現(xiàn)電能的大功率高效傳輸, 特別適合海洋環(huán)境下水下航行器等機(jī)電設(shè)備的電能補(bǔ)給。

目前關(guān)于無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)的綜述文獻(xiàn)較多, 但少有針對(duì)水下MCR-WPT的綜述。牛王強(qiáng)[4]總結(jié)了水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸研究進(jìn)展, 但其研究側(cè)重于系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。文中針對(duì)水下MCR-WPT進(jìn)行研究進(jìn)展綜述, 從介紹其工作原理出發(fā), 分析闡釋目前國(guó)內(nèi)外對(duì)MCR-WPT的研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)問(wèn)題, 討論尚待解決的關(guān)鍵問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。

1 水下MCR-WPT基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

MCR-WPT系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由電源、高頻逆變電路、發(fā)送端補(bǔ)償電路、電能發(fā)送線(xiàn)圈、電能接收線(xiàn)圈、接收端補(bǔ)償電路、整流濾波電路和負(fù)載等組成。海底基站的電能經(jīng)過(guò)高頻逆變后, 輸出給發(fā)送線(xiàn)圈, 在磁耦合諧振作用下, 接收線(xiàn)圈與發(fā)送線(xiàn)圈產(chǎn)生耦合諧振, 接收的電能經(jīng)過(guò)整流濾波后, 可用于蓄電池充電等電能補(bǔ)給需求, 從而實(shí)現(xiàn)電能從海底基站到水下航行器的無(wú)接觸式傳輸。

圖1 磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)原理圖

典型的MCR-WPT系統(tǒng)為兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu), 包括電能發(fā)送線(xiàn)圈和電能接收線(xiàn)圈, 如圖2(a)所示。Kurs等[5]提出了四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu), 如圖2(b)所示, 其系統(tǒng)包括2個(gè)諧振線(xiàn)圈、1個(gè)與電源相連的電源激勵(lì)線(xiàn)圈和1個(gè)與負(fù)載相連的負(fù)載線(xiàn)圈。該結(jié)構(gòu)能進(jìn)行電源匹配和負(fù)載匹配, 實(shí)現(xiàn)了電源與電能發(fā)送線(xiàn)圈隔離, 負(fù)載與接收線(xiàn)圈隔離。周杰[6]在水下MCR-WPT系統(tǒng)中采用了三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu): 在電能發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈中增加1個(gè)諧振中繼線(xiàn)圈。Zhang等[7]提出了1種包含2個(gè)電能發(fā)送線(xiàn)圈、1個(gè)接收線(xiàn)圈的三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu), 如圖2(c)所示。

1.2 工作原理

采用電路互感理論, 可分別得到上文中提到的3種MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的等效電路, 如圖2所示[5,7](以發(fā)送線(xiàn)圈側(cè)串聯(lián)電容與接收線(xiàn)圈側(cè)串聯(lián)電容補(bǔ)償(series-series, S-S)為例)。

圖2 MCR-WPT系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)等效電路圖

在MCR-WPT系統(tǒng)中, 電源供電給電能發(fā)送線(xiàn)圈, 當(dāng)頻率為系統(tǒng)諧振頻率時(shí), 發(fā)送線(xiàn)圈一側(cè)會(huì)發(fā)生諧振, 將使線(xiàn)圈中產(chǎn)生較大的電流, 建立較強(qiáng)的磁場(chǎng)。由于諧振的作用, 發(fā)送線(xiàn)圈一側(cè)的電容中儲(chǔ)存的電場(chǎng)能與電感線(xiàn)圈中的磁場(chǎng)能不斷地進(jìn)行交換。在接收線(xiàn)圈一側(cè), 由于接收側(cè)感應(yīng)線(xiàn)圈和發(fā)送側(cè)感應(yīng)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)相互耦合, 交變的磁場(chǎng)在接收線(xiàn)圈中感應(yīng)產(chǎn)生電流。當(dāng)接收線(xiàn)圈一側(cè)也發(fā)生諧振時(shí), 其中感應(yīng)線(xiàn)圈的磁場(chǎng)能與電容中的電場(chǎng)能不斷地進(jìn)行能量交換, 由此實(shí)現(xiàn)了電能從發(fā)送端到接收端, 再到負(fù)載的無(wú)線(xiàn)傳輸。四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)和三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)中系統(tǒng)電能傳輸工作原理與此類(lèi)似。兩線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 但系統(tǒng)電能傳輸性能易受線(xiàn)圈偏移等影響; 四線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)隔離了高頻電源和負(fù)載對(duì)諧振線(xiàn)圈的影響, 便于阻抗匹配, 缺點(diǎn)是耦合次數(shù)增多, 在海水中損耗增加; 三線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)可適當(dāng)增大傳輸距離, 減少渦流損耗, 降低諧振線(xiàn)圈偏移對(duì)系統(tǒng)電能傳輸性能的影響, 缺點(diǎn)是多線(xiàn)圈耦合易產(chǎn)生失諧問(wèn)題。

2 水下MCR-WPT研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)問(wèn)題

2.1 機(jī)理研究

2.1.1 渦流損耗

與空氣相比, 海水具有良好的導(dǎo)電性能(空氣電導(dǎo)率為0 s/m, 海水電導(dǎo)率為1~6 s/m)。當(dāng)線(xiàn)圈中有高頻交變電流時(shí), 會(huì)產(chǎn)生交變高頻磁場(chǎng), 交變磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng), 進(jìn)而在海水中產(chǎn)生渦旋電流, 并由此產(chǎn)生較大的電渦流損耗。相比于空氣, 海水中MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸效率和性能會(huì)有所下降。對(duì)渦流損耗的研究對(duì)于揭示水下MCR-WPT機(jī)理具有重要意義。

陳鷹團(tuán)隊(duì)[8-9]采用理論推導(dǎo)和有限元仿真相結(jié)合的方法分別研究了罐型磁芯和PM型磁芯電磁耦合器的渦流損耗。對(duì)罐型磁芯的研究發(fā)現(xiàn), 渦流損耗導(dǎo)致的能量損失主要產(chǎn)生于磁芯窗口處, 采用絕緣密封膠灌封磁芯窗口可有效降低渦流損耗[8]。對(duì)PM型磁芯的研究表明, 渦流損耗與電磁耦合器間隙(即傳輸距離)、激勵(lì)電流和諧振頻率有密切關(guān)系, 優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率可明顯提高電能傳輸效率[9]。朱春波等[10]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)系統(tǒng)工作頻率超過(guò)一定值(約為36 kHz)時(shí), 渦流損耗將明顯超過(guò)系統(tǒng)的銅損和鐵損, 成為能量損失的主要來(lái)源。張克涵等[11]分析了圓柱形線(xiàn)圈中電渦流損耗與線(xiàn)圈半徑、諧振頻率、傳輸距離和磁感應(yīng)強(qiáng)度等因素的關(guān)系, 并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1.2 電路拓?fù)?/p>

由于空氣和海水的電導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)有較大差異, MCR-WPT系統(tǒng)在海水中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗, 因此文中提到的互感電路模型將無(wú)法準(zhǔn)確解釋MCR-WPT系統(tǒng)電能傳輸機(jī)理。李澤松[8]研究認(rèn)為, 電磁耦合器的電能發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間存在跨接等效電容, 且線(xiàn)圈自身也存在并聯(lián)的電容。在空氣中, 其相對(duì)介電常數(shù)為1, 電容值很小, 但海水的相對(duì)介電常數(shù)為81, 線(xiàn)圈之間的等效電容遠(yuǎn)大于空氣中的電容。罐型磁芯電磁耦合結(jié)構(gòu)中, 兩線(xiàn)圈之間具有較大的截面積, 線(xiàn)圈之間的跨接等效電容遠(yuǎn)大于線(xiàn)圈自身的并聯(lián)等效電容。因此基于互感電路模型建立了具有線(xiàn)圈跨接等效電容的全互感模型, 如圖3所示。在此基礎(chǔ)上, 建立了等效電路的阻抗矩陣、導(dǎo)納矩陣及傳輸矩陣, 并求解了全互感模型。研究表明, 在諧振頻率處于高頻段時(shí), 全互感模型具有較好的理論適用性。

圖3 海水MCR-WPT系統(tǒng)電磁耦合器全互感模型

閻龍斌[12]研究認(rèn)為, 由于電渦流損耗會(huì)消耗電能, 這部分消耗的能量將會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量而散失, 故可將電渦流損耗等效為電阻, 稱(chēng)為渦損阻抗。將電能發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈產(chǎn)生的電渦流損耗分別等效到互感電路模型兩側(cè), 得到修正后的互感電路模型, 如圖4所示。根據(jù)基爾霍夫定律列寫(xiě)電流電壓方程并求解。試驗(yàn)表明, 修正互感模型中的等效渦損阻抗反映的渦流損耗具有較高的準(zhǔn)確性。

圖4 海水MCR-WPT系統(tǒng)修正互感模型

在電路諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面, 空氣中磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究的相關(guān)結(jié)論[13-14]可適用于海水中。

2.1.3 海洋環(huán)境影響

對(duì)于海水中的MCR-WPT系統(tǒng), 實(shí)際海洋環(huán)境會(huì)對(duì)系統(tǒng)電能傳輸產(chǎn)生較大影響。一方面, 電磁耦合器易受海流沖擊影響。通常海流沖擊會(huì)造成電磁耦合器間隙改變、磁芯間產(chǎn)生偏心, 從而改變耦合狀態(tài), 由此影響系統(tǒng)傳輸性能。因此, 在MCR-WPT系統(tǒng)最關(guān)鍵部件——電磁耦合器的設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮其抗海流沖擊能力。另一方面, 由于深海高壓環(huán)境中的壓磁效應(yīng), 電磁耦合器的鐵氧體磁芯磁導(dǎo)率會(huì)下降, 導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化, 耦合性能降低, 系統(tǒng)電能傳輸性能下降。此外, 海水鹽度、溫度、微生物附著等環(huán)境干擾也會(huì)引起系統(tǒng)參數(shù)的變化, 影響電能傳輸穩(wěn)定性。

李澤松[8]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)磁芯間隙較小時(shí), 海流沖擊造成的電磁耦合器偏心對(duì)電感影響很大, 間隙較大時(shí), 偏心對(duì)電感影響較小。相較之下, 耦合系數(shù)受偏心的影響與間隙關(guān)系不大。因此, 根據(jù)實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)合及磁芯結(jié)構(gòu), 合理選擇磁芯間隙可有效降低海流沖擊對(duì)系統(tǒng)電能穩(wěn)定傳輸?shù)挠绊憽Ｉ詈８邏涸斐设F氧體磁芯磁導(dǎo)率下降, 電磁耦合器自感、互感等參數(shù)也隨之下降, 但系統(tǒng)耦合系數(shù)受海水壓力影響可忽略不計(jì)。等效磁導(dǎo)率由間隙長(zhǎng)度和磁芯等效長(zhǎng)度決定, 當(dāng)磁芯等效長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于間隙長(zhǎng)度時(shí), 等效磁導(dǎo)率受海水壓力影響很小。適當(dāng)增大磁芯間隙可減小海水壓力對(duì)系統(tǒng)電能傳輸性能的影響。周杰[6]研究表明, 選擇不同環(huán)境下的最優(yōu)諧振頻率, 可有效降低海洋環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響。馬運(yùn)季[15]指出, 海水溫度的變化會(huì)影響海水介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù), 隨著溫度的升高, 電導(dǎo)率增大而介電常數(shù)減小, 進(jìn)而影響海水中MCR-WPT系統(tǒng)的傳輸特性。富一博[16]初步研究了海水壓力的變化對(duì)系統(tǒng)電能傳輸性能及穩(wěn)定性的影響。

此外, 空氣中MCR-WPT系統(tǒng)采用的阻抗匹配[17]、最大功率跟蹤[18]等方法仍可適用于海水中MCR-WPT系統(tǒng)電能的穩(wěn)定傳輸。

2.2 應(yīng)用研究

2.2.1 水下航行器無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給

運(yùn)用MCR-WPT在水下利用海底基站的電能直接對(duì)航行器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給是水下MCR- WPT最重要, 也是最熱門(mén)的應(yīng)用研究領(lǐng)域。Bradly等[19]研發(fā)了水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng), 為自主水下航行器MIT/WHOI Odyssey II進(jìn)行水下充電, 該系統(tǒng)可在2000 m水深為航行器傳輸200 W的電能, 傳輸效率79%。日本東北大學(xué)和NEC公司[20]聯(lián)合研發(fā)了為水下航行器充電的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng), 系統(tǒng)傳輸功率可達(dá)1 kW, 效率在90%以上。Assaf等[21]研制了為水下機(jī)器魚(yú)無(wú)線(xiàn)輸電的MCR-WPT系統(tǒng)。Pyle等[22]研發(fā)了在海底為無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)平臺(tái)Proteus進(jìn)行電能補(bǔ)給的無(wú)線(xiàn)充電塢站系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)。當(dāng)UUV側(cè)艙內(nèi)的小型航行器需要電能補(bǔ)給時(shí), UUV釋放航行器, 通過(guò)導(dǎo)航控制使其進(jìn)入海底的塢站內(nèi)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電, 完成充電后, 小型航行器又重新回到UUV側(cè)艙內(nèi)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù), 該系統(tǒng)電能傳輸效率為450W。

圖5 無(wú)人水下航行器無(wú)線(xiàn)充電塢站系統(tǒng)

我國(guó)在此領(lǐng)域起步較晚, 但發(fā)展迅速, 目前已取得了一定成果。浙江大學(xué)陳鷹教授團(tuán)隊(duì)[6, 8-9]成功研發(fā)了多套利用海底基站電能為水下航行器進(jìn)行電能補(bǔ)給的MCR-WPT系統(tǒng), 并分別完成了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、湖試和海試。系統(tǒng)電能傳輸功率和傳輸效率不斷提升, 目前功率已達(dá)700 W, 效率在90%左右。

2.2.2 海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給

海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)上密集分布著許多傳感器, 傳統(tǒng)傳感器主要依靠自身攜帶電池工作, 電池體積、質(zhì)量較大且電能有限, 直接限制了傳感系統(tǒng)移動(dòng)靈活性和工作持續(xù)時(shí)間。MCR-WPT的發(fā)展為其電能補(bǔ)給提供了較好的解決方案。McGinnis等[23]在阿羅哈(夏威夷)-蒙特利海灣海底觀(guān)測(cè)網(wǎng)(Aloha-Monterey acclerated research system, ALOHA-MARS)的基礎(chǔ)上, 為錨系海洋剖面觀(guān)測(cè)器研發(fā)了無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給系統(tǒng), 該系統(tǒng)在2 mm間隙時(shí)傳輸功率為250 W, 效率在70%以上。Yoshioka等[24]研究了對(duì)三角跨海洋浮標(biāo)系統(tǒng)(triangle trans-ocean buoy network, TRITON)中水下傳感器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電的裝置。其電能發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈同時(shí)繞在錨泊線(xiàn)上, 系統(tǒng)可同步傳輸電能和數(shù)據(jù), 工作頻率為100 kHz, 接收線(xiàn)圈可得到180 mW的功率。李醒飛等[25-26]利用海洋浮標(biāo)系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)供電裝置給水下設(shè)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電, 如圖6所示。系統(tǒng)中海洋浮標(biāo)的鋼纜構(gòu)成為電能發(fā)送線(xiàn)圈, 鋼纜外套著鐵氧體磁芯構(gòu)成了圓形電磁耦合器, 耦合器的接收線(xiàn)圈完成鋼纜和水下設(shè)備之間的能量傳輸。系統(tǒng)工作頻率為40 kHz, 傳輸功率約為23 W, 傳輸效率約60%, 系統(tǒng)可同步傳輸電能和數(shù)據(jù)。

圖6 海洋觀(guān)測(cè)系泊浮標(biāo)MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

水下與空氣中MCR-WPT的基本傳輸原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致相同。盡管近年來(lái)水下MCR-WPT已取得了一些發(fā)展成果, 但由于海水的導(dǎo)電性、海洋環(huán)境的特殊性以及應(yīng)用領(lǐng)域的獨(dú)特性, 目前仍有諸多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。

3.1 海水MCR-WPT技術(shù)機(jī)理

互感電路模型在揭示海水MCR-WPT機(jī)理時(shí)不再適用, 如前文所述的全互感模型[8]和修正互感模型[12]等都僅適用于電路局部分析, 無(wú)法全面系統(tǒng)揭示海水MCR-WPT電能傳輸機(jī)理。在海水渦輪損耗研究方面, 目前的研究均針對(duì)特定的電磁耦合器, 研究結(jié)果沒(méi)有普適性, 且渦流損耗理論研究和數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性有待提升, 難以為系統(tǒng)電能傳輸效率、功率等關(guān)鍵性能的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。因此, 需要形成全面、系統(tǒng)的電路模型, 在此基礎(chǔ)上, 從理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真和試驗(yàn)測(cè)試等多方面精確定量分析渦流損耗, 研究渦流損耗產(chǎn)生機(jī)理和影響因素, 準(zhǔn)確揭示海水MCR-WPT系統(tǒng)電能傳輸機(jī)理, 為提升系統(tǒng)電能傳輸性能提供理論依據(jù)。

3.2 電磁耦合器設(shè)計(jì)

電磁耦合器是水下MCR-WPT系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件, 其性能決定了系統(tǒng)的電能傳輸性能。在電磁耦合器的設(shè)計(jì)中, 既要考慮其性能, 又要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合, 考慮其安裝、對(duì)接等需求和抗海流沖擊干擾等多種因素, 此外, 還要協(xié)調(diào)傳輸距離與電磁耦合器體積之間的矛盾。

針對(duì)水下航行器無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給系統(tǒng), 研究人員已設(shè)計(jì)出多種結(jié)構(gòu)的電磁耦合器。Kojiya等[20]設(shè)計(jì)了特殊形狀的電磁耦合器和錐形線(xiàn)圈(見(jiàn)圖7(a)), 極大提升了其電能傳輸性能。陳鷹等針對(duì)具體海底基站與航行器的接駁結(jié)構(gòu), 分別設(shè)計(jì)了罐型(見(jiàn)圖7(b))[8]、PM型(見(jiàn)圖7(c))[9]、同軸型(見(jiàn)圖7(d))[27]電磁耦合器。王司令等[28]提出了分別安裝在海底基站和航行器腹部的環(huán)形電磁耦合器結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖7(e))。朱春波等[10]研發(fā)了基于松耦合變壓器磁芯結(jié)構(gòu)的半封閉式電磁耦合器(見(jiàn)圖7(f))。Kan等[29]提出了一種三相的電磁耦合器結(jié)構(gòu), 理論分析表明其性能優(yōu)于同軸式電磁耦合器(見(jiàn)圖7(g)), 且具有良好的抗航行器橫滾干擾的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 適用于水下無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給的不同結(jié)構(gòu)電磁耦合器

盡管這些電磁耦合器能滿(mǎn)足特定結(jié)構(gòu)的水下航行器無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給需求, 但它們一般只具有某一方面的優(yōu)點(diǎn), 其綜合性能往往無(wú)法達(dá)到最優(yōu)。如何形成一套系統(tǒng)的電磁耦合器設(shè)計(jì)理論方法, 并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求, 對(duì)電磁耦合器進(jìn)行優(yōu)化, 使其綜合性能達(dá)到最優(yōu), 顯得尤為迫切。此外, 在電磁耦合器設(shè)計(jì)時(shí), 還應(yīng)考慮電能與數(shù)據(jù)的混合傳輸問(wèn)題。

3.3 海洋環(huán)境適應(yīng)性

如前文所述, 海洋環(huán)境中的海流沖擊、深海高壓導(dǎo)致的壓磁效應(yīng)、海水鹽度、溫度、微生物附著等干擾會(huì)引起水下MCR-WPT系統(tǒng)參數(shù)的變化, 影響電能傳輸穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]、[8]、[15]、[16]的研究深度不足, 且缺乏系統(tǒng)性, 提出的增強(qiáng)系統(tǒng)海洋環(huán)境適應(yīng)性的措施未經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證, 不具有普遍適應(yīng)性。與空氣相比, 海洋應(yīng)用環(huán)境顯得尤為特殊, 海洋機(jī)電設(shè)備一般為無(wú)人系統(tǒng), 水下深海高壓環(huán)境使得維護(hù)成本非常高, 而且某一設(shè)備的故障易造成海洋觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體故障, 損失無(wú)法估量。因此, 在各種海洋環(huán)境因素干擾下, 水下MCR-WPT系統(tǒng)電能穩(wěn)定高效傳輸顯得極其重要。結(jié)合具體使用環(huán)境, 深入分析各海洋環(huán)境參數(shù)對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)的影響機(jī)理, 以系統(tǒng)電能穩(wěn)定傳輸為目標(biāo), 有針對(duì)性地提出提升系統(tǒng)海洋環(huán)境適應(yīng)性的措施, 具有極其重要的實(shí)用價(jià)值。

3.4 電磁兼容性

水下MCR-WPT系統(tǒng)的電能發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻交變強(qiáng)電磁場(chǎng), 部分電磁場(chǎng)會(huì)發(fā)射到系統(tǒng)之外, 容易對(duì)水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備的導(dǎo)航、聲吶、引信等電子部件產(chǎn)生干擾, 影響其正常功能, 甚至引起誤動(dòng)作, 造成損壞。在軍事應(yīng)用中, 水下MCR-WPT系統(tǒng)電磁場(chǎng)向外輻射, 也將嚴(yán)重降低水下航行器的電磁隱身性能。另一方面, 海洋機(jī)電設(shè)備的電子、電氣部件工作時(shí)產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)對(duì)水下MCR-WPT系統(tǒng)造成干擾, 當(dāng)高次諧波和系統(tǒng)諧振頻率接近時(shí), 干擾最嚴(yán)重, 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電能傳輸效率嚴(yán)重下降。因此, 需要解決水下MCR- WPT系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題, 采取有效措施減小系統(tǒng)對(duì)外界的電磁干擾, 同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗外界電磁干擾能力。目前, 此問(wèn)題未引起研究者足夠重視, 僅有Kan等[29]采取數(shù)值仿真的方法研究了MCR-WPT系統(tǒng)對(duì)水下航行器電子部件的電磁干擾問(wèn)題。李澤松[8]研究發(fā)現(xiàn), 電磁耦合器金屬外殼可以起到電磁屏蔽的作用, 但磁芯間隙的漏磁通會(huì)在金屬外殼產(chǎn)生渦流損耗, 降低系統(tǒng)效率, 通過(guò)在金屬外殼與磁芯之間增加薄銅皮作為屏蔽層可減少渦流損耗, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽效果。Lu[30]提出了可通過(guò)對(duì)優(yōu)化耦合線(xiàn)圈布局, 增加屏蔽線(xiàn)圈, 從而有效降低雜散磁場(chǎng), 同時(shí)不影響系統(tǒng)電能傳輸效率。Syahroni[31]對(duì)水下航行器采用電磁和聲波吸波材料, 可有效提升其電磁隱身性能。周洪[32]總結(jié)的MCR-WPT系統(tǒng)的電磁環(huán)境安全性在水下應(yīng)用時(shí)也應(yīng)得到重點(diǎn)關(guān)注。

3.5 新材料的應(yīng)用

水下MCR-WPT系統(tǒng)的目標(biāo)是為水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備提供長(zhǎng)距離、大功率、高效率和穩(wěn)定的無(wú)線(xiàn)電能補(bǔ)給, 同時(shí)盡量減少系統(tǒng)對(duì)外界的電磁干擾, 增強(qiáng)系統(tǒng)抗外界電磁干擾的性能。近年來(lái), 隨著新材料的發(fā)展及其在MCR-WPT中的成功運(yùn)用, 以上限制被逐漸突破。

水下MCR-WPT系統(tǒng)的電能發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈產(chǎn)生的銅損是主要的系統(tǒng)能量損耗。在特定條件下可實(shí)現(xiàn)零電阻的超導(dǎo)材料能夠有效降低系統(tǒng)銅損。Chung等[33]利用超導(dǎo)材料制成電能發(fā)送線(xiàn)圈, 相比于普通線(xiàn)圈, 超導(dǎo)材料線(xiàn)圈的電能傳輸效率明顯升高, 此外, 試驗(yàn)測(cè)試還表明超導(dǎo)線(xiàn)圈可成功用于大距離無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)。

超材料是指具有普通天然材料所不具備的超常特殊物理性質(zhì)的材料, 一般為人工復(fù)合材料。具有介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值等特殊電磁性質(zhì)的電磁超材料可運(yùn)用于MCR-WPT技術(shù)中。Wang[34]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn), 將電磁超材料運(yùn)用于MCR-WPT系統(tǒng)中, 可增加線(xiàn)圈之間的耦合, 同時(shí)還能建立均勻的電流分布, 增強(qiáng)磁場(chǎng), 極大提高傳輸效率?？禈?lè)等[35]針對(duì)海水中電磁波損耗大而帶來(lái)的MCR-WPT系統(tǒng)傳輸效率低下的問(wèn)題, 提出運(yùn)用電磁超材料“放大”消逝波, 從而增強(qiáng)電磁波能量密度, 使系統(tǒng)傳輸效率顯著提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

MCR-WPT技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅猛, 由于其具有可在電能發(fā)送端和接收端物理隔離的情況下實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)奶攸c(diǎn), 使得其在水下航行器等海洋機(jī)電設(shè)備電能補(bǔ)給領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。文中在介紹水下MCR-WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上, 分別從機(jī)理研究和應(yīng)用研究?jī)煞矫婢C述了其研究現(xiàn)狀和熱點(diǎn)問(wèn)題。最后討論了水下MCR-WPT待解決的關(guān)鍵問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì), 包括: 海水MCR-WPT技術(shù)機(jī)理、電磁耦合器設(shè)計(jì)、海洋環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性以及新材料的應(yīng)用等?？梢灶A(yù)計(jì), 該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用于海洋機(jī)電設(shè)備電能補(bǔ)給領(lǐng)域。

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Underwater Magnetically-Coupled Resonant Wireless Power Transfer Technology and Its Applications: A Review

WEN Hai-bing, SONG Bao-wei, ZHANG Ke-han, YAN Zheng-chao

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The magnetically-coupled resonant wireless power transfer(MCR-WPT) technology has the advantages, such as good insulation, simple structure, high power supply security, and convenient operation,compared with the conventional wet plug interface power supply technology, this technology has good prospects of application to underwater power supply for marine electromechanical equipmentlike undersea vehicle. This paper introduces the underwater MCR-WPT technology in terms of the basic structures and principles, with emphasis on its particularity in marine environment; discusses the research status and hot topics of MCR-WPT from the aspects of mechanism and application; and analyzes the technical problems to be urgently solved and the development trends, with respect to power transfer mechanism, design of electromagnetic coupler, system adaptability to marine environment, electromagnetic compatibility and new materials. The purpose of this paper is to provide a reference for development and application of underwater MCR-WPT in China.

undersea vehicle; magnetically-coupled resonant; wireless power transfer; marine environment

TJ6; U674.941; TM154

R

2096-3920(2019)04-0361-08

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.001

文海兵, 宋保維, 張克涵, 等. 水下磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用研究綜述[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(4): 361-368

2019-04-11;

2019-05-29.

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目資助(2018JM5033).

文海兵(1989-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)樗聼o(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)