[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

说明书

本发明公开了水下IPT系统涡流损耗分析、频率优化设计方法及应用。该方法包括步骤：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；建立以IPT系统的效率最大化为目标的目标函数，确定系统最优工作频率和系统参数。本发明可以计算得到耦合线圈涡流损耗及涡流等效电阻，可以进一步指导系统工作频率选取和系统参数设计，适用于各类IPT系统以及各种类型的耦合线圈。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种水下IPT系统涡流损耗分析、频率优化设计方法及应用。

背景技术

感应式电能传输技术（Inductive Power Transfer, IPT）应用在海洋领域，能够提高水下设备的充电安全性、可靠性、灵活性和隐蔽性，增强水下设备的工作能力，其典型应用案例是水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）与海底基站或母船对接充电。然而，水下无线电能传输通过海水介质进行能量传递，由于海水具有一定的导电性，高频电磁场将在海水中引起电涡流损耗，降低能量传输效率，影响系统传输性能。

在涡流损耗研究方面，现有技术中主要是针对圆形耦合线圈构成系统的涡流损耗进行分析，对平面方形耦合线圈构成系统不适用，在基于涡流损耗进行系统工作频率设计时，也未考虑同时满足输出功率和最高效率下的最优频率。另外也没有进一步研究涡流损耗对系统耦合线圈参数的影响，因而无法指导系统的参数优化设计。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下IPT系统涡流损耗分析、频率优化设计方法及应用，可以计算得到耦合线圈涡流损耗及涡流等效电阻，可以进一步指导系统工作频率选取和系统参数设计。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种水下IPT系统涡流损耗分析及频率优化设计方法，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。

优选的，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；

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。

优选的，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，B₀的计算公式为：

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