[发明专利]松耦合变压器及采用该变压器的水下无线电能传输系统

说明书

本发明公开了一种松耦合变压器及采用该变压器的水下无线电能传输系统，包括由内至外布置的两个环状线圈，所述环状线圈包括沿圆周均匀设置的柱状磁芯绕组，各磁芯绕组外缠绕的导线串联连接，每个环状线圈的柱状磁芯绕组的两端分别通过环状磁芯连接在一起，两个环状线圈之间有间隙。本发明松耦合变压器的发射线圈与接收线圈采用模块化设计，松耦合变压器质量轻，且可实现不同功率等级设计；磁场由磁芯约束减小了电磁场在海水中的涡流损耗；采用磁路对称设计，具有较强的抗偏移能力，且对耦合机构对接精度要求低。

技术领域

本发明涉及一种松耦合变压器及采用该变压器的水下无线电能传输系统，属于无线电能传输领域。

背景技术

海洋中有很多不同用途的无人潜航器，一般无人潜航器采用电池供电，当携带的电能耗尽时需要对其充电。有三种充电方式分别为打捞充电、湿插拔充电以及无线电能传输充电，其中感应式无线电能传输充电方式具有自主无人充电、安全性高、可靠性高以及充电装备寿命长的特点，受到越来越多的重视。

潜航器一般采用自主无人干预的水下充电方式，当潜航器剩余电量不足时，自动机动至水下充电基站，然后被充电基站捕获对接开始充电。充电基站捕获潜航器的方法有多种，其中如图1所示的喇叭口状捕获装置研究较多。潜航器被喇叭口状捕获装置捕获后，一般轴向有定位装置，到达定位点后夹紧装置将潜航器固定。潜航器被夹紧后，充电基站的电力变换装置开始驱动发射线圈为潜航器充电。潜航器上的接收线圈感应到电能，并通过电力变换装置将电能保存至携带的电池中。由充电基站的发射线圈与潜航器的接收线圈组成的松耦合变压器是感应式无线电能传输的关键，对电能传输的功率、效率等起到关键作用。

为实现可靠、高效率的，水下无线电能传输，松耦合变压器应该具备以下特点：1.要求磁场在水中的路径尽量少以减小海水涡流损耗；2.潜航器上的磁耦合机构应具有质量轻的特点，便于潜航器携带更多有效载荷；3.抗偏移性能强，水流作用下使发射侧与接收侧没有完全对齐、接收端和发射端的上下浮动和接收端发生转动情况下，仍保持较大耦合系数，保证传输功率与传输效率；4.对松耦合变压器线圈的对接精度要求低，便于工程实现。

为了设计松耦合变压器满足以上要求，研究人员提出多种变压器结构。通过磁芯约束磁场可以减小磁场在海水中的路径，提高效率与耦合系数。Zhiyuan Cheng等在文章《Design and Loss Analysis of Loosely Coupled Transformer for an UnderwaterHigh-Power Inductive Power Transfer System(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,51卷7期,2015)》提出一种半封闭变压器结构，耦合系数高，海水损耗小且具有较强抗轴向偏移能力，不过该变压器结构需要改变潜航器外形，破坏流体结构，且要求较高的对接精度。刘润鹏等在文章《一种改进线圈结构的AUV无线充电系统(水下无人系统学报，28卷3期，2020)》以及曾德鹏等在专利《一种带有分离式电磁定位功能的水下无线电能传输系统(申请号201910554193.8)》提出一种类似电机耦合机构的松耦合变压器机构，该机构具有较强耦合系数与一定抗偏移能力，不过该结构对轴向偏移要求较高。Zhengchao Yan等在文章《Underwater wireless power transfer system with a curly coil structure forAUVs(IET Power Electronics，18卷10期，2019)》中提出一种无磁芯的U型松耦合变压器，大大降低了耦合机构重量，不过磁场经过海水较多，且只利用了潜航器腹部，没有充分利用空间尺寸。刘志珍等在专利《一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构与系统(申请号201710388670.9)》中介绍了一种磁芯均匀排列，嵌套式松耦合变压器结构，对轴向、径向偏移以及旋转偏移不敏感，提高功率传输稳定性，不过该变压结构的部分磁场会经过海水，会带来较大的海水涡流损耗。

目前的松耦合变压器结构无法同时满足海水损耗小、质量轻、抗偏移性能强以及对接精度低的特点。

发明内容