[发明专利]水下IPT系统涡流损耗分析、频率优化设计方法及应用

权利要求书

1.一种水下IPT系统涡流损耗分析及频率优化设计方法，其特征在于，包括步骤：

建立水下IPT系统的等效电路模型，该等效电路模型中，将水中涡流损耗等效到水下IPT系统的发射线圈和接收线圈上的涡流等效电阻所产生的损耗；

基于麦克斯韦方程组，通过解析计算分别获得发射线圈和接收线圈的涡流损耗表达式，根据发射线圈和接收线圈的涡流损耗表达式获得发射线圈和接收线圈上的涡流等效电阻表达式；

将发射线圈和接收线圈上的涡流等效电阻表达式代入IPT系统效率求解公式中，建立以IPT系统的效率最大化为目标的目标函数，对该目标函数求解，获得满足IPT系统输出效率最高的最优工作频率和系统参数；

所述通过解析计算分别获得发射线圈和接收线圈的涡流损耗表达式包括步骤：

通过解析计算得到耦合线圈在水下介质中磁场沿耦合线圈半径方向的分布函数，对该分布函数取旋度得到耦合线圈周向分量的感应涡电流密度表达式，感应涡电流密度表达式具体是：，其中，为感应涡电流密度，B₀为发射线圈中心处的磁感应强度，J₁为以第一类一阶贝塞尔函数，，j为虚数单位，r为以发射线圈中心到发射线圈边上点的距离，为角频率，为海水磁导率，为海水电导率；

根据该感应涡电流密度表达式，计算得到发射线圈的涡流损耗和接收线圈的涡流损耗的表达式；

还包括步骤：

确定涡流损耗系数，采用涡流损耗系数对通过涡流损耗表达式计算出来的涡流等效电阻表达式进行修正，将修正后的发射线圈和接收线圈的涡流等效电阻表达式代入到IPT系统效率求解公式中；

所述涡流损耗系数的确定包括步骤：分别测量纯水中和海水中发射线圈和接收线圈在某个频率的内阻，计算获得发射线圈和接收线圈的实际涡流损耗等效电阻；分别根据发射线圈和接收线圈上的涡流等效电阻表达式计算得到发射线圈和接收线圈的计算涡流损耗等效电阻；将实际涡流损耗等效电阻除以计算涡流损耗等效电阻得到所述涡流损耗系数。

2.如权利要求1所述的一种水下IPT系统涡流损耗分析及频率优化设计方法，其特征在于，该分布函数中包括待求解参数B₀，该待求解参数B₀是线圈中心处的磁感应强度，发射线圈和接收线圈均为多匝方形平面线圈，匝数分别N₁、N₂，若N₁=N₂，B₀的计算公式为：

,

其中，r_i为发射线圈的第i圈的边长的1/2，r_j为接收线圈的第j圈的边长的1/2,为流经发射线圈的电流，为流经接收线圈的电流，为海水磁导率。

3.如权利要求1所述的一种水下IPT系统涡流损耗分析及频率优化设计方法，其特征在于，在进行解析计算时，将发射线圈和接收线圈视为相互平行且同轴，只考虑磁感应强度在电能传输方向上的分量。

4.如权利要求1所述的一种水下IPT系统涡流损耗分析及频率优化设计方法，其特征在于，该目标函数还满足条件：IPT系统的输出跨导不低于预设跨导下限值。