張梓越

一種新型水下自主航行器無線充電系統(tǒng)耦合器

張梓越

（北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京 100124）

耦合器是水下自主航行器無線充電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，耦合系數(shù)和互感是耦合器的核心指標(biāo)，提高耦合系數(shù)和互感的大小及穩(wěn)定性，以增強(qiáng)耦合器傳能水平和抗偏移性能是耦合器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文在分析ε形和環(huán)形磁耦合裝置基礎(chǔ)上，提出了一種優(yōu)化后的無線充電系統(tǒng)耦合器結(jié)構(gòu)。該型耦合器發(fā)射側(cè)采用雙D發(fā)射線圈,接收側(cè)采用疏松線圈繞制的Π型磁芯，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)通過減小氣隙、增大導(dǎo)磁面積，提高了耦合能力，仿真結(jié)果表明，在軸向偏移±30 mm下耦合系數(shù)變化量約為0.13，在角度偏移±10°度下耦合系數(shù)變化量約為0.1，證明該型耦合器具有較高的抗偏移性能。

耦合器 耦合系數(shù) 抗偏移性能 疏松繞制

0 引言

作為發(fā)展中的海洋大國，豐富的海洋礦產(chǎn)和生物資源能有效緩解社會發(fā)展面臨的能源匱乏和資源短缺。水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV)作為探索海洋的重要裝備，在民用和軍事領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

目前在國際AUV技術(shù)研究方面，比較有影響力且相對成熟的有：挪威 Kongsberg 公司生產(chǎn)的REMUS 6000[1]、美國Hydroid公司研制的Bluefin21[2]、英國南安普頓國家海洋中心 (NOC) 研制的Autosub 6000[3]等。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究從20世紀(jì)90年代初開始深海AUV的研制工作。90年代中期，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位成功研制我國第1臺1000米級“探索者”AUV[4]，對后續(xù)新型AUV技術(shù)的開發(fā)具有重要意義。

AUV最主要的特點(diǎn)是擺脫了系纜的牽絆，在水下作戰(zhàn)和作業(yè)方面更加靈活機(jī)動。但是受制于航行器的自身體積和電池技術(shù)的限制，AUV的續(xù)航能力較差，難以維持較大的巡航范圍。因此，為了最大化開發(fā)AUV的工作能力，需要新型的能量傳輸技術(shù)。

無線充電技術(shù)（Wireless power transmission，WPT）在近幾年大力發(fā)展，能有效提高充電設(shè)備的可靠性和便捷性?，F(xiàn)有的水下無線充電系統(tǒng)主要是基于感應(yīng)耦合式傳輸技術(shù)。目前用于AUV無線充電的耦合裝置類型有錐形、罐形、E形、環(huán)形以及分段式環(huán)形等。在國內(nèi)針對水下耦合裝置結(jié)構(gòu)研究的成果有，西北工業(yè)大學(xué)王司令等人提出的環(huán)形鐵氧體磁芯耦合裝置[5]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊子提出的E型[6]和蔡春偉等人提出的I型磁芯[7]耦合裝置、浙江大學(xué)李澤松等人提出的罐型磁芯[8]的耦合裝置和石建光等人提出的不加磁芯式環(huán)形磁耦合裝置[9]等。以上裝置都有各自的優(yōu)勢和缺陷，對于水下耦合裝置的改進(jìn)，可以參考技術(shù)較為成熟的空氣中的無線電充電系統(tǒng)。已有的優(yōu)化方法包括提高增加線圈匝數(shù)和導(dǎo)磁截面積來提高磁場耦合度，提升傳遞能力；減少耦合裝置中鐵氧體磁芯的過度使用來減少系統(tǒng)的質(zhì)量和尺寸；添加補(bǔ)償電路來降低系統(tǒng)損耗。而水下環(huán)境與空氣環(huán)境相比，要考慮裝置的密閉性、海洋環(huán)境的復(fù)雜性、水中的渦流損耗和壓力等影響因素。

本文主要通過分析耦合能力的影響因素，來優(yōu)化并設(shè)計(jì)針對AUV外形的新型耦合裝置磁芯，以提高耦合裝置的傳輸能力和耦合能力。

1 耦合器設(shè)計(jì)

綜合上述已有的磁耦合裝置存在的問題，在設(shè)計(jì)新型裝置時，要同時兼顧磁路和電路部分的設(shè)計(jì)，考慮到耦合裝置的整體外觀尺寸，以此來適應(yīng)水下航行器的實(shí)際空間。選擇添加適當(dāng)?shù)拇判緛碓鰪?qiáng)裝耦合能力，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場約束能力來減小漏磁對系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。最重要的是該裝置要有很高的定位能力和容錯位能力，能保持較為穩(wěn)定的磁芯間隙。同時能在原副邊位置有一定范圍內(nèi)偏移時，依然保持著較高的耦合能力。

1.1 發(fā)射側(cè)結(jié)構(gòu)及磁場分布特點(diǎn)

水下無線充電系統(tǒng)采用SP(原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián))諧振結(jié)構(gòu)作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。根據(jù)磁路模型理論和磁耦合裝置的數(shù)學(xué)模型，通過公式分析[6]：

圖1 補(bǔ)償拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

可知系統(tǒng)最大的傳輸功率和效率不僅與電路參數(shù)和工作頻率有關(guān)，還與耦合能力有關(guān)。

除此之外，磁芯材料的選擇要滿足磁導(dǎo)率高；有很小的矯頑力狹窄的磁滯回線;電阻率要高；有足夠大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度;磁損率要??；居里溫度要高。再綜合上述分析的各種結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)射端的設(shè)計(jì)選擇了弧形線圈的結(jié)構(gòu)和圓弧狀的鐵氧體磁芯來盡可能地貼合航行器的弧形外殼，減小發(fā)射和接收兩端的氣隙大小同時增大橫截面積，以此來提高耦合能力。同時也能降低磁通在海水中的流通路徑長度，從而降低渦流損耗。通過相關(guān)研究可知，磁芯兩側(cè)面平行的方案相比垂直于內(nèi)弧面的方案工程有更大的磁芯利用率，可實(shí)現(xiàn)性更高[10]；雙發(fā)射結(jié)構(gòu)的傳輸效果要優(yōu)于單發(fā)射結(jié)構(gòu)[11]。因此最終選擇了磁芯兩側(cè)面平行的雙D發(fā)射線圈作為發(fā)射測結(jié)構(gòu)。

通過仿真得到圖2。

圖2 靜態(tài)發(fā)射線圈的磁力線分布圖

由圖可知，主磁通由B區(qū)域發(fā)出，經(jīng)過C區(qū)域后，從A區(qū)域返回；除主磁通外，還有D區(qū)域和E區(qū)域?qū)?yīng)的兩部分微小的漏磁通。這表明雙極性耦合方式對磁場的收斂效果明顯，對外圍產(chǎn)生的漏磁干擾微乎其微。要實(shí)現(xiàn)原、副邊耦合，讓接收線圈包納C區(qū)域主磁通即可。同樣需要注意A區(qū)域和B區(qū)域磁通反向引起的抵消問題，因此接收線圈兩邊可分別處于F區(qū)域和C區(qū)域以上區(qū)域，此時C區(qū)域磁通恰能被收納，也沒有反向抵消作用。

1.2 接收側(cè)設(shè)計(jì)

AUV內(nèi)部設(shè)備緊密，總體分為三部分，即前后的儀器倉和中間的的電池倉。前端有防撞梁，避障聲納等設(shè)備，后端有著艇體螺旋槳、矢量推進(jìn)器等動力部分，中部為控制部分、各類傳感器、浮力材料及電池倉等。尚有空閑空間的部分僅在電池倉的耐壓電池下方，上方為浮力材料。因此耦合裝置的放置部位就在耐壓電池下方。

根據(jù)發(fā)射測結(jié)構(gòu)通電的磁場分布，磁通經(jīng)由發(fā)射裝置一段進(jìn)入AUV內(nèi)部，經(jīng)由AUV內(nèi)部后，再由發(fā)射裝置另一端流出，在發(fā)射裝置中間上方區(qū)域構(gòu)成水平方向磁通。因此在該區(qū)域放置垂直的接收線圈，則發(fā)射的主磁通恰能被接收線圈接收。而為了提高裝置的耦合程度，需要讓盡可能多的磁力線穿過接收線圈，那么有效手段便是添加磁芯來聚集磁通并引導(dǎo)磁通。在綜合考慮接收裝置體積大小和磁場作用空間后，選取了Π型磁芯來引導(dǎo)主磁通穿過接收線圈。

圖3 接收側(cè)結(jié)構(gòu)圖

1.3 整體結(jié)構(gòu)及有限元建模

最終的耦合裝置模型如圖4所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)圖

整體系統(tǒng)是由副邊線圈（接收線圈）和磁芯和原邊線圈（發(fā)射線圈）和磁芯組成。原邊電路和副邊電路通過松耦合變壓器相聯(lián)系。原邊電路把電能轉(zhuǎn)換為磁場發(fā)射，通過松耦合變壓器到達(dá)副邊電路。副邊電路由接收裝置接收磁場能量，并通過相應(yīng)的能量調(diào)節(jié)裝置變換為負(fù)載可以直接使用的電能形式，實(shí)現(xiàn)非接觸感應(yīng)電能傳輸。

2 仿真分析

2.1 靜態(tài)磁場分布圖

使用ANSYS有限元分析工具對設(shè)計(jì)的磁耦合裝置進(jìn)行系統(tǒng)建模，得到下圖所示的磁耦合裝置軸向切面的磁力線分布圖。磁場耦合裝置實(shí)際應(yīng)用時與殼體有微小氣隙約為2 mm，此處為緩沖材料，如布料、橡膠等。由圖可知，在貼近AUV外殼的發(fā)射端底部，存在著強(qiáng)磁場分布。磁力線以原邊線圈為中心，在空間發(fā)散，經(jīng)過副邊線圈形成閉合回路的這些都是有效磁通。大部分磁力線穿過接收端磁芯，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射端和接收端的有效耦合，產(chǎn)生了較強(qiáng)的磁場自約束能力。

圖5 雙D發(fā)射線圈軸向切面磁力線分布圖

靜態(tài)磁場分布圖如圖所示，由此也可以看出磁感應(yīng)強(qiáng)度大部分集中在磁芯上，表明其有著良好的磁場收斂性。即減少了由漏磁產(chǎn)生的對于AUV內(nèi)部器件的較大影響。彌補(bǔ)了環(huán)形磁耦合裝置漏磁較大的劣勢。

圖6 靜態(tài)磁場分布圖

2.2 抗偏移性能分析

圖7 角度偏移變化

實(shí)際應(yīng)用中，耦合裝置難以完全固定貼合在對應(yīng)位置，很容易產(chǎn)生錯位現(xiàn)象。錯位現(xiàn)象會導(dǎo)致原副線圈的偏離，磁芯位置的不準(zhǔn)確，從而影響耦合能力。為了進(jìn)一步研究該磁耦合裝置的容錯位能力，并且由上述磁路模型理論可知耦合能力大小與互感系數(shù)密切相關(guān)。因此借助阻抗分析儀來測試實(shí)際的錯位對互感系數(shù)的影響，從而分析耦合能力的變化量。AUV無線充電系統(tǒng)最常見出現(xiàn)的兩種錯位是軸向錯位和滾動錯位，由于本身具備自穩(wěn)機(jī)制，并且充電塢都會安放在洋流流動平緩的地方，因此 AUV 不會出現(xiàn)大角度滾動和軸向錯位。滾動-10°和軸向錯位-30 mm情況下互感、發(fā)射端自感L、接收端自感L和耦合系數(shù)隨滾動和軸向偏移變化的結(jié)果如圖7所示。

由圖示測試結(jié)果可知，在磁芯對準(zhǔn)情況下，發(fā)射端自感L、接收端自感L、互感分別為44.6 μH、22.0 μH、16.7 μH，對應(yīng)耦合系數(shù)=0.53。因此該設(shè)計(jì)的磁耦合裝置具有較強(qiáng)的耦合能力。當(dāng)滾動程度增大時，呈現(xiàn)出對稱性的圓弧曲線變化。在滾動錯位+10°時，跌落最大，此時=12.29 μH，最大跌落4.41 μH。耦合系數(shù)和發(fā)射端自感L的變化曲線與互感曲線類似，耦合系數(shù)最大跌落0.103，接收端自感L相對穩(wěn)定不變。

圖8 軸向偏移變化

隨著軸向錯位程度增大，逐漸減小。在軸向錯位?30 mm時，跌落最大，此時=11.2 μH，最大跌落5.5 μH。耦合系數(shù)由于和緊密相關(guān)，因此變化曲線類似，在軸向錯位-30 mm時跌落最大，最大跌落0.13。發(fā)射端自感L則是在軸向錯位+30 mm處跌落最大，而接收端自感L幾乎沒有變化。綜合上述數(shù)據(jù)可知，在滾動和軸向偏移一定范圍內(nèi)時，該磁耦合裝置仍然保持著較高的耦合能力。彌補(bǔ)了如ε形磁耦合裝置受AUV滾動錯位影響較大的缺點(diǎn)。

3 耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過上述的實(shí)驗(yàn)仿真以及數(shù)據(jù)分析，該磁耦合裝置已經(jīng)優(yōu)化了大部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，但也存在一個明顯的問題，接收側(cè)鐵氧體體積較大，因而重量大，不僅占用較多空用，還會給航行器在工作時造成一定的負(fù)重影響。因此，為了改善這個問題，科學(xué)的方法是通過一系列系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集和分析，從而找到尺寸與耦合程度的平衡點(diǎn)。這樣就能兼顧磁耦合裝置的規(guī)格尺寸大小以及較強(qiáng)的耦合能力。經(jīng)過仿真得出以下鐵氧體寬度D、鐵氧體質(zhì)量和耦合系數(shù)的關(guān)系圖。

圖9 鐵氧體寬度D示意圖及鐵氧體質(zhì)量和耦合系數(shù)k的線性變化

由圖可知，鐵氧體質(zhì)量和耦合系數(shù)都與鐵氧體寬度呈線性關(guān)系，質(zhì)量的變化幅度大于耦合系數(shù)的變化幅度。為了不過度影響裝置的耦合能力，選取鐵氧體寬度D在16 mm左右比較合理，基本屬于一個平衡點(diǎn)。在此小區(qū)間內(nèi)，耦合系數(shù)的范圍在0.49上下波動，仍然保持著較高的耦合能力，但是耦合裝置的質(zhì)量和體積卻大幅度下降，從寬度為20 mm時的247.7 g、64200 mm3下降到164.9 g，42731 mm3的尺寸，減少了將近三分之一的體積和重量，滿足了改進(jìn)的要求。

進(jìn)一步分析研究，磁耦合裝置性能不僅由磁芯尺寸參數(shù)決定，還與線圈的繞制方式有關(guān)。繞制方式包括線圈的繞制位置、繞制層數(shù)和繞制疏密程度等等，這些因素對于磁耦合裝置耦合系數(shù)和錯位適應(yīng)性都有不同程度的影響。

圖10 緊密繞制和疏松繞制的示意圖

分別測量兩種繞制對耦合系數(shù)的影響。得到以下圖表。

圖11 緊密繞制和疏松繞制的示意圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在軸向偏移和角度偏移時，疏松繞制的耦合系數(shù)始終略高于緊密繞制的耦合系數(shù)。在發(fā)射端和接收端對準(zhǔn)的情況下，耦合系數(shù)為0.50。疏松繞制軸向偏移耦合系數(shù)最大跌落為0.12，角度偏移最大跌落為0.09，都小于緊密繞制的最大跌落。由此表明，疏松繞制的方法不僅提升了磁耦合裝置的耦合能力，同時提高了錯位適應(yīng)性。從磁力線分布圖也可以理解，疏松繞制的線圈相對長度大于緊密繞制的線圈，不僅能容納發(fā)射端中心區(qū)域上方的水平主磁通，還能接收一部分兩側(cè)松散的漏磁通，從而提高了磁力線穿過接收線圈的數(shù)量，提升了耦合能力。而在裝置發(fā)生錯位情況時，接收端線圈隨著磁芯旋轉(zhuǎn)，一些線圈穿過的磁力線減少，而另一些線圈中穿過的可能會隨之增多，所以總體的變化范圍要小一些。

4 結(jié)論

本文從現(xiàn)有的水下耦合裝置出發(fā)，明確各類耦合裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并查閱文獻(xiàn)了解影響耦合能力及AUV工作能力的多種因素。從而針對性設(shè)計(jì)發(fā)射端結(jié)構(gòu)和接收端結(jié)構(gòu)。最終得到了可適應(yīng)水下航行器特殊圓弧外形，占用少量空間，自重輕且有較強(qiáng)的磁場自約束能力的磁耦合裝置。為水下自主航行器無線充電系統(tǒng)耦合裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化形成了一定的技術(shù)積累。

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A novel coupler for wireless charging system of underwater autonomous vehicle

Zhang Ziyue

(Beijing University of Technology, Faculty of Information Technology, Beijing100124, China)

U653.95；U658.8

A

1003-4862（2022）06-0076-05

2021-11-20

張梓越（2001-），男，本科。主要從事無線電能傳輸。E-mail: 2478297728@qq.com