（机械电子工程专业论文）水下非接触电能传输装置的设计、试验与研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 深海探测设备受制于体积和重量等限制，不能依靠自身在深海实施长时间不间断探 测。通过水下电能传输装置，深海游弋的a u v 等探测设备可以通过海底观测网的水下供 电网络及时补充电能，节约返回水面所消耗的时间。 传统的水下电能传输装置依靠金属导体的直接接触传输电能，在水下应用中容易发生 漏水漏电事故。新型非接触电能传输装置，将电能先转化为磁场中的能量，再由磁场中的 能量转化回电能。这种电能传输方式能够实现传输装置发射端和接收端的完全防水密封， 简化传输装置内部结构，提高设备的可靠性。 本文研究的非接触电能传输装置，是在实验室开发的第一代原理验证装置的基础上， 进行了工程化尝试和性能实验研究。该装置综合应用了电磁场、电子等多学科知识，以求 达到在较宽的工作间隙( 8 聊聊) 下实现较高的系统传输能力( 5 0 0 聊的目的。 水下非接触电能传输装置的实现，主要从硬件电路设计制作和电磁耦合装置设计制作 两个方面着手。在硬件电路方面，自行设计了适用于水下耐压腔体的高频逆变电路及其控 制电路、带有变压器隔离的辅助电源装置及高频补偿、整流等电路，自行搭建了d c d c 稳压输出装置。在电磁耦合装置方面，根据a 璐o j f i m 删e l l 软件的计算结果，选取了磁芯 型号，计算了电能传输装置原边和副边的线圈匝数等参数。为了能够在装置完成后进行水 下试验，还制作了相应的电压、电流检测电路以及专用的辅助电源装置。 在硬件电路和电磁耦合装置制作完成后，本课题分别进行了实验室测试和水下试验。 在实验室测试中，首先搭建测试台架，随后进行各电路模块的功能测试，最后将各电路模 块和电磁耦合装置组装成完整的非接触电能传输系统并测试系统传输能力及效率。实验室 测试证明，本系统能够在8 m 聊磁芯工作间隙下，为负载提供4 8 刃5 0 0 矿的直流电，总体 效率在7 0 7 5 之间。如果负载允许较大的输入电压波动，则移除d c d c 模块后，传输 效率可达8 3 9 2 在水下试验中，为了能够取得直观的试验效果，本课题还自行设计制作了一个约2 0 形 的水下照明装置。该水下照明装置与同时进行试验的水下非接触信号传输系统、水下摄像 机等一同组成系统负载。最终，本装置在浙江千岛湖完成了初步的水下试验，试验水深约 1 0 聊，传输功率约3 5 肌传输效率约8 5 。 关键词：水下技术；非接触电能传输；开关电源；电磁祸合装置 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et 0 l el i i i l i t e ds i z e 锄d 、) i 忙i g 她i ti si 叫) o s s i b l et 0p a c ke n o u 曲b a l t e r i e si na 1 1a 1 j v ( a u t o n o m o u s 岫d e 朋a t e rv e l l i c l e ) f o rl o n gp e r i o dc r u i s i n g b ya d o p t i n g 觚u n d e m a t e rp o w e r 眦l s r i l i s s i o ns y s t e m ，i tw o l l l db em o r ec o n v e l l i e mt o 仃a i l s f 打e n e f g y 丘。o m 辩a f l o o ro b s e r v a t i o n n 咖r k st oa 1j _ v s ( a u t o n o m o l 塔u n d e r 、v 纰e rv e l l i c l e ) 锄do t l l e ro b s e r v a t i o nd e v i c e s i t i st f a d i t i o i l a lt 0 廿i 觚s f e re l e 嘶c 埘m r o u g hn l e t a l l i cc o n t a c t ，e v e nf o r 吼d e n ) r a t e r 印p l i c a t i o i l s m e 跗w h i l e ，t l l en 0 v e lc o n t a c t l e s sp o w e r 仃a 1 1 疵s s i o n c l p ) s y s t e i l l s 扛a 1 1 s f e r e l e c t r i c i 巧m r o u 曲t l l ec o n v e r s i o nb t 帆陀e ne l e c t r i c a le n e 玛ya n dm a g n e t i ce n e r g y a sar e s u l t ， t 1 1 e r ei sn 0d i r e c tm e t a l l i cc o n t a c t c o m p a r e d 诵t l ln l e 仃a d i t i o m lm e a l l so fe l e c t r i c 蚵 昀n s 血s s i o 玛也en 0 v e lc o n t a c t l e s sp o w e rn 强s i n i s s i o ns y s t e m sa r em u c hm o r er e l i a b l e t h ep r i n c i p l eo fl l i l d e m r a t c rc o 砷l c t l e s sp o w e r 咖n s 血s s i o nh 嬲b e e nc o i l f j 嘞e di np r e v i o u s r e s e a r c h t h e 呻l e m e n t a t i o no fa nu i - d e 刖旧t e rc o m a c t l e s sp o w e r 们n s r n i s s i o ns ) ，s t e mc o u n t s o nt l l ec o m b 访a t i o no fk n o w l e d g ef 如mm a 印烈i s i 玛m e c h a i l i c s 趾de l e c t r o i l i c s t h et a r g e ti sa c o m p a c ts y 咖m 诵t l l1 1 i g ht r a l l s n l i s s i o nc 印a b i l 时( 5 0 0 叻o v e ral a 玛em a 盟e t i cg 印( 8 朋聊) t l l i s 廿l e s i sf o c u s e s0 nn l ep c bd e s i g i l 锄dm em a 印e t i c - c o u p l e rd e s i 盟1 1 1 ep c bd e s i 踮 i i l c l u d e ss e v e m ls e g m e m s ：al l i g h - f r e q u e n c yc o n v e r t e r 、衍t l lc o n 臼o l l m gc 沁u n ，锄嬲s i s t a m p o w e rs u p p l i e r ，al l i 曲一艇q u e n c yc o m p e i l s a t i o n & r e 血f i e rc 沁血a i l dad c d cm o d u l e a l lt l l e p c b ss h o u l db es u i 讪l ef o r 觚t i - w a t e rc 1 1 a i d b e r s ，i kn l a 印e t i c - c o u p l e rd e s i 驴i n c l u d e s l e c h o i c eo fm a g n e t i cm a t e r i a l ，m 砸弘e t i cc o r e s ，e n 锄e l e dw i r e ，觚dn l ec i r c l e so ft h ec o i l s w i t h t l l e 嬲s i s t a n t 盘。o ma n s o rm a x w e l l ，ap r e c i d e s i g nw a sm a d e 1 1 l i sn l e s i sa l s oc o i l t a i l l st e s tr e s l d t s ，i l l c l u d 吨ab e n c ht e s t 觚dar e 甜一f i e l dt e s t i nt l l e l a b ( ) r ；l t d al a bb e n c hw a ss e ti l p ，a n dn l ec o n t a c t l e s sp o w e r 仃a n s 血s s i 伽s y s t e mw 船t e s t e d i t p r 0 v e d 廿l a ta l eu c l ps y g t e mc o u l ds u p p l y4 8w 5 0 0 形d cp o w e ro v e r8 肌朋m a g n e t i cg a p ，埘n l 夥s t e me m c i e n c yr 趾g i n g 蜀的m7 0 t o7 5 i fat o l e 捌n c eo fv o l t a g er i p p l ei sa l l o w e d ，t l l e d c d cm o d u l ec a nb er e 】姒 v e da n dt l l es y s t e me 硒c i e n c y 、0 u l di n c r e a s et o8 3 田2 i n 廿l er e a l f i e l dt e 瓯a2 0 形i u l d e 刑铆吼i l l u 皿彻t i o nd e v i c ew 嬲d e s i 印e d n l et e s t rl o a d c o n s i s t e do f 廿l ei l l u i i l i n a t i o nd e v i c e ，锄u n d e n ，a t e rv i d e oc 锄e ma i l dac o n t a c t l e s ss i g n a l 慨s i l l i s s i o ns y s t e m f i i l a l l y t l l er e a j 虹e l dt e s tw a sc a 仃i e do u ti nq i 锄d a ol a k e a tad e p t l lo f l0 巩a p p r o x i 】衄她3 5 形e l e c t r i c a lp o w e r 、弱s u c c e s s 如l l yt r a _ i l s f e 】似，觚dt l l e $ s t e me 伍c i e n c y w a s8 5 k e yw o r d s ：u n d e r w 劬e rt e c l l i l o l o g ) r ；c o n t a c t l e s sp 0 惯缸彻姗i s s i o n ；s 诵t c hp o w e rs u p p l y ； m a 印e t i cc o u p l e r n 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 本论文是在陈鹰教授和李德骏副教授的指导下完成的，随着本文的完成，我在浙大求 学的7 年时光进入了尾声。在研究生的两年多的时间里，在陈老师、李老师的鼓励和关怀 下，我在学术、专业技能、生活和做人等诸多方面都得到了成长和提高在浙大能够遇到 陈老师和李老师这样的导师，我是幸运的。衷心祝愿老师及家人身体健康，生活美满。 行文至致谢，我想起了2 0 0 5 年那个初夏的清晨。在我拿到高考成绩，犹豫着该去哪 所大学读什么专业的时候，我那身为高中教师的母亲，一而再，再而三地劝说我放弃去北 京、上海等地区高校的念头，反复强调浙江大学是国内一流高校，浙江大学的教学培养如 何如何一流。虽然我从不认为学生家长应该替招生人员做这种鼓动宣传，但是我感谢我父 母的养育和支持，感谢他们曾经受过的高等教育和他们多年来为自己子女的付出。正是我 父母的支持和鼓励，给了我面对困境的胆量和挑着自我的勇气。 感谢浙江大学在山东省威海市地区的招生老师姜展鹏副教授，当年您对学生家长和学 生许下美好的诺言，通过您的这些诺言的兑现程度，您充分展现了浙江大学“求是”二字 的风采，并将浙江大学教职工的形象全面地展现在学生家长面前。 同时感谢海底观测网课题组中的杨灿军教授和金波副教授，衷心祝愿两位老师身体健 康、生活幸福。感谢已经毕业的李泽松博士，是他的前期研究和探索奠定本课题开展工作 的基础，我更加感谢他在我刚刚进入实验室时所给予的关照和指点；感谢周杰师兄在接下 来的日子里的指导，感谢陆睛云、王海洋的团队合作；感谢课题团队的卢汉良，陈燕虎， 薛志刚和俞徐海等师兄所给予的帮助和指导；感谢同一年入学的严华、黄铎佳、陈杰等同 学的互相鼓励，大家一起走到了今天；更加感谢那些正要加入课题组的学弟学妹们，你们 将是课题组的新生力量，是未来的保证。 感谢浙江大学及我们机电所，提供了良好的学习环境和生活环境以及方便先进的实验 条件和试验设备。 最后，感谢所有关心和帮助过我的人。我将再接再厉，不辜负师长和学校的期望，为 更加美好的明天而奋斗! 林麟 2 0 1 2 年1 月于浙江大学玉泉校区 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1海底观测网及水下电能传输技术 随着高科技的蓬勃发展，海底观测网正逐步成为海洋科技领域一个新的亮点，成为观 测地球的第三个平台【1 1 。海底观测网的构成思想是：根据网络功能的需要，将一组不同功 能的观测传感器连接到接驳盒上构成一个个局部的观测系统；接驳盒实质上相当于网络中 的一个节点( 图1 1 ) ，其基本功能是中继和分配，将骨干网传来的电能进行转换并分配给 各测量仪器使用，同时将基站的控制信号发送给测量仪器并将采集的数据传送回基站。局 部观测系统通过子网节点相互连接形成扩展的观测系统，并与骨干网的节点相连。若干个 不同功能的观测系统通过骨干网互相连接，即可构成海底观测系统。 图1 1 海底观测网总体原理图 海底观测网接驳盒与水下设备之间、接驳盒与骨干网之间都需要进行电能传输( 通常 为直流电) 。水下电能传输，目前常采用水密接插件等连接设备，依靠金属导体的直接接 触进行电能传输；按照能否在水下进行对接和分离，可以分为干插拔接插件和湿插拔接插 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 件f 2 】。海底观测网由多个节点组成，系统庞大且分布范围广，因此必须采用先布放单个接 驳盒节点，然后在水下连结成网的布放方式；接驳金与外围的探测设备，特别是无人遥控 潜器( a m o n o m o u su n d e r w a t e rv e l l i c l e ，a u v ) 等水下移动设备，出于设备使用效率、电池容 量等考虑，也必须通过能够在水下对接和分离的传输装置连接到观测网接驳盒。 传统的湿插拔接插件，其生产工艺和技术均为国外厂商垄断( 图1 2 ) ；在导电的海水 环境中，耐压、密封等也非常困难。此类接插件价格昂贵、使用寿命不过几百次，制约了 海底观测网的发展。 图1 2 美国o d i 公司生产的水下湿插拔接插件 为了解决传统的湿拔插接插件存在的种种缺点，人们提出了利用电磁感应原理间接 传输电能的新方式。这种电能传输方式不需要金属导体的直接接触，将电路完全封闭在耐 压腔体内，可以有效防止由于密封不良造成的漏水漏电事故。 目前，国内的海底观测网还正在研究阶段，已列入国家“8 6 3 ”计划，预计在未来的 五到十年中将分别在我国的东海，南海及周边的岛屿建成比较完善的海底网络观测平台。 届时将有大量的海底观测设备需要连接到观测网上，需要大量水下电能传输装置。而传统 的湿插拔接插件受制于价格、使用寿命等因素，难以满足海洋科学研究活动的需要。在水 下应用非接触式电能传输技术，设计基于观测网的非接触电能传输装置，有助于打破国外 大公司的垄断，有着现实的紧迫性和应用价值。 1 2非接触电能传输技术基本原理 传统的电能传输方式利用金属的导电性，依靠金属导体间的直接接触进行电能传输。 在水下、矿井等恶劣工作环境中，这种电能传输方式要求设备具有良好的密封性；而为了 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 保证密封性，设备在对接和分离的过程中相互问的摩擦力非常大，操作不便且容易磨损。 水下非接触电能传输系统( u n d e 刑a t e rc o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s i i l i s s i o ns y s t e m ，u c l p t ) 利用电磁感应原理实现电能传输，能量传输框图如图1 3 所示【3 】。以非接触电磁耦合装置 为分界点，能量传输框图由两大部分组成：发射端由直流电网输入电能，通过高频逆变电 路给电磁耦合装置原边线圈提供高频交流电；通过原、副边线圈之间的电磁耦合，电磁耦 合装置副边线圈内产生感应电能，经过整流滤波和电压调节后转变为直流电压供负载使 用。通过电磁场的耦合，避免了金属导体的直接接触。电磁耦合装置的原边线圈和副边线 圈是可以分离的，这和开关电源中的变压器有很大的不同【4 j 。此外，电磁耦合装置还可以 保持相对静止或运动的状态，适用于不同应用场合【5 刁】。 图1 3 水下非接触电能传输系统c l p t ) 的基本框架 1 3 国内外研究现状 1 3 1非接触电能传输技术在陆地应用中的研究现状 非接触电能传输技术的原理早在一百多年前就已经为人所知并进行了多次实验，但因 为当时效率太低没能商业化。随着功率交换技术、控制技术和磁性材料的发展，以及非接 触电能传输技术市场需求的增长，非接触电能传输技术得到了迅速的发展【引。 新西兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心b o y s 教授领导的团队，于 2 0 世纪9 0 年代初率先对非接触电能传输技术进行了系统性的研究，经过1 0 多年的努力， 在有轨车辆、电动汽车等领域首先取得突破性成果【9 j 1 1 。近年来，该技术在航空航天【1 2 】、 生物医疗【1 3 1 、便携式电子设备【1 4 】【1 7 1 、机器人【1 5 l 、电动车【1 6 】等领域取得了广泛应用，涵盖 了从几十毫瓦到几十千瓦的不同功率等级。目前已经出现标准化、系列化的工业产品【徭1 9 1 。 二i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 我国相关研究起步较晚，已知国内期刊中系统描述非接触电能传输技术原理的文章最 早出现于2 0 0 1 年【2 0 1 。此后，重庆大学犯1 - 2 3 1 、浙江大学2 知2 7 1 、中科院【2 羽、西安交通大学2 9 3 0 1 、 南京航空航天大学p m 2 心等科研机构，在理论基础研究和工程应用领域也做出了大量的贡 献。 【爵臂| 知k e 霸憎1 f b w i 翟翟n s 栩r 图1 4 德国v a h l e 公司非接触电能传输工业产品 图1 5 德国w 觚1 p f l e r 公司基于非接触电能传输技术的电动汽车通用充电站 1 3 2 水下非接触电能传输技术的研究现状 近年来随着海洋科学的发展，将各个观测节点连结成片的海底观测网正在逐步成型； 逐步具备了通过海底观测网的骨干电网，将岸基基站提供的电能向海底探测设备传输的技 术条件【1 1 。随着海洋探测技术在广度和深度的发展，对水下设备的持续工作时间提出了越 来越高的要求【33 1 。水下随深度增加的压力和导电液体环境，要求水下电能传输装置必须具 4 淅江大学硕士学位论文第一章绪论 有高可靠性。 传统的接触式传输方式通过水下接插件进行电能传输，设备密封困难且容易磨损，极 易发生事故。非接触电能传输系统由于在传输过程中避免了直接物理接触和电气连接，不 仅提高了传输接口的使用寿命，还可避免使用中产生电击、漏电等现象，保证使用安全。 这一优势使其能够在水下电能传输中得到充分发挥作用【抖3 6 1 。 上个世纪八九十年代到本世纪初只有很少的文献对这一研究作了简单的介绍【3 7 。3 8 1 。随 着海底观测系统的实施与完善，近年来科研工作者逐渐将这一技术引入到海洋工程领域。 利用非接触电能传输系统取代湿插拔接插件的研究也越来越受到关注。 基于海底基站的非接触电能传输系统的相关文献，最早见于2 0 0 1 年，能够为自治式 水下潜器( a u t o n o m o u su n d e n a t e rv e l l i c l e ，a i ) m i t ，、h o io d y s s e yi i 进行水下充削”， 4 0 1 。该系统可在2 0 0 0 朋水深，向a u v 传输2 0 0 形的电能，效率只有7 9 。2 0 0 4 年，日本 东北大学和n e c 开发了为水下设备充电的非接触电能传输系统( 图1 6 ) ，通过工作母船向 水下潜器供电，可传输5 0 0 的功率，效率在9 0 以上。该系统中的非接触电磁耦合装置 采用了特殊形状铁氧体磁芯及锥形线圈，增强了对环境的适应能力【3 4 ，3 5 1 。 图1 6 依靠工作母船提供电能的水下非接触电能传输系统 美国华盛顿大学在m a r s 海底观测网的基础上，通过类似陆地有轨电车的方式，为 锚系海洋剖面观测仪提供电能【4 。该系统的工作间隙2 脚历，可传输2 5 0 肜的能量，效率 7 0 以上( 图1 7 ) 。日本崇城大学和日本海洋地球科学研究所等机构，也联合开发了类似的 装置【4 2 1 。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 7 基于m a i 璐海底观测网的锚系剖面观测器感应充电装置 国外也已经出现了采用非接魁电能传输技术的水下标准传输设备。典型代表为德国 s a 公司的适用于浅水的i n p u dv a n 系列和适用于深水的i n p u dd o n 系列【4 3 埘】。图 1 9 为i n 叭md o n l o o o 腿3 0 型水下电能传输装置【4 5 1 ，该系统线圈和电路分离，允许线 圈处于深海高压环境中工作，电路则安装于耐压腔体中。该系统非接触电磁耦合装置工作 间隙在0 5 o 9 聊肌之间，最大传输能力1 0 0 形，效率超过9 0 。 图1 8m s e ai n p u dd o n l o o 脏3 0 型水下感应电能传输装置 非接触电能传输系统在海洋技术领域中仍然处于起步阶段，由于海洋环境尤其是深海 极端环境的影响，在技术上存在诸多困难，工程技术和理论上还有不完善之处m 】。国内由 于相关基础研究起步较晚，目前仅在一些文献上看到应用于陆地环境的研究，尚没有应用 于陆地场合的工业产品面市；目前也没有搜集到国内其他单位在水下应用非接触电能传输 技术的报道和文献。国外相关研究、工程应用，均是中小功率等级，工作间隙最大2 朋所【4 1 1 ， 最高功率不超过5 0 0 彬3 4 ，35 1 。 6 纛_屡降渗囊 ， ： 要龇 ：_ 蛾 -： 。 誊 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题的研究难点 之前李泽松博士等人已经进行了相当长时间的理论基础研究1 4 6 】，积累了在水下应用非 接触电能传输技术所需要的实验数据和理论模型。但是由于时间有限，主要精力集中在理 论研究上，实验电路不仅需要人工手动调节，也不适应耐压腔体的形状和空间，无法在实 际应用场合使用。 本课题是前人研究工作的延续，将相关理论和实验结果进行工程化应用，针对海底观 测网的具体服务对象，设计制作出一套完整的能够在在水下独立稳定运行的非接触电能传 输装置。难点集中在以下方面： 1 ) 设计电磁耦合装置，能够实现小体积、宽工作间隙下高效率、高功率的电能传输 目前据国外文献可查的水下非接触电能传输系统，其电磁耦合装置的最大工作间隙不 超过2 肌m 。当电磁耦合装置的工作间隙增大后，原边线圈产生的磁场更多的泄漏到电磁耦 合装置外面，不能穿过副边线圈形成有效的电磁耦合，导致副边线圈获得的感应电能减少， 制约了系统传输功率的提升。虽然可以通过加入补偿电容等方式克服漏感增大的影响，但 是谐振电路对电容、电感器件的非理想性( 等效串联电阻e s r 等) 非常敏感，系统的传输效 率也会因此显著降低。 本课题中为了满足腔体密封要求，要求电磁耦合装置的工作间隙至少为8 朋聊，以便为 电磁耦合装置的防水设计提供便利。依据工作环境不同，电磁耦合装置采用有机玻璃、玻 璃钢等制成的防水外壳，也可以封装在油囊中。但是为了满足水下应用对系统重量、体积 的限制，整个装置的体积必须控制在可以接受的范围之内。电磁耦合装置工作间隙增大到 原来4 倍，电磁耦合装置的线圈直径至多增加1 倍。 2 ) 计算电磁耦合装置的各项参数，选取合适的线圈匝数 为了尽可能改善原边线圈和副边线圈之间的电磁耦合，并用较小的体积产生足够的电 感量，电磁耦合装置需要采用合适形状的磁芯。然而磁芯制造厂家给出的技术参数，只能 满足设计常见的功率变压器的需求。电磁耦合装置与功率变压器的区别在于磁芯问存在一 定的间隙，不仅不同型号的磁芯在不同的工作间隙下的耦合系数七和电感因子彳均不相 同，也无法从厂家的设计手册中获取相关信息，这为器件的选型和线圈匝数的计算带来了 困难。 之前的基础理论研究阶段，线圈的电感量主要通过多次随机试绕达到预定值，再通过 电桥测量换算出祸合系数七。本课题中将尝试通过有限元软件进行仿真计算，在制作电磁 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 耦合装置之前就获得相关参数，计算并校核线圈匝数等以提高制作电磁耦合装置的成功 率，避免购买大量不同规格、型号的元器件反复测试，节约时间和实验经费。 3 ) 设计p c b ，充分利用水下耐压腔体的内部空间 水下耐压腔体的内部空间狭小且呈圆柱形，而常规的p c b 经常设计成矩形。如果从 市场上购买现成的逆变电路等电路模块搭建系统，矩形的p c b 在圆柱形的腔体内很难充 分利用空间。这就要求在满足电气性能要求的前提下，尽可能自行设计逆变电路等电路模 块，并将p c b 设计成圆形，通过多层p c b 层叠的方式，充分利用耐压腔体的内部空间。 4 ) 进行水下非接触电能传输系统的水下试验 海底观测网正处于关键技术研究突破阶段，国内尚未开始大规模海底布网应用。因而 试验时无法连接到真实的海底观测网上，需要准备直流电源模拟海底观测网的水下电网。 同时由于电路被封装在耐压腔体内，无法直接测量系统的输出电压、电流，需要设计相应 的采样电路，并通过水下信号传输系统将测量值传输回水面。 1 5 课题的研究内容 本课题的研究内容是设计一套能够依托海底观测网进行电能传输的水下非接触电能 传输系统，在8 m 肌工作间隙下，系统能够为负载提供超过5 0 0 形的直流电压，在任意负 载下系统的总体传输效率不低于7 0 主要包含以下几部分： 1 、设计并制作适用于水下非接触电能传输系统的各个电路模块，包括逆变电路模块、 补偿整流电路模块、辅助开关电源及输入滤波器模块、d c d c 稳压模块等； 2 、设计并制作适用于水下非接触电能传输系统的电磁耦合装置，包括补偿方式的选 取、磁芯等元器件的选型及线圈电感量、线圈匝数等参数的计算； 3 、对水下非接触电能传输接驳系统进行实验室测试和水下实际工作环境测试，验证 系统的最大传输能力，以及在水下实际工作环境中的工作性能。 1 6 本章小结 本章首先介绍水下非接触电能传输装置的研究背景和意义，然后介绍了该系统的基本 工作原理和国内外的研究现状，最后提出了本课题的难点和具体研究内容。 浙江大学硕士学位论文第二章水下非接触电能传输技术的基本原理 第二章水下非接触电能传输技术的基本原理 非接触式电能传输( c o n t a i c t l e s sp o w e r1 r a n s 血s s i o n ，c l p t ) 技术利用电磁感应原理，通 过非接触电磁耦合装置内部的磁场耦合实现电能的传输。电磁耦合装置分为发射端和接收 端，两者可自由对接和分离。发射端由原边磁芯和绕在上面的原边线圈组成；同理，接收 端由副边磁芯和绕在上面的副边线圈组成。磁芯在这里起着聚拢磁场，增强磁场耦合的作 用。线圈缠在相互独立的磁芯上，这是与传统变压器的最根本区别。 图2 1 电磁耦合装置实物及其磁场分布 2 1 电磁耦合装置的磁路假设 由于电磁耦合装置磁芯的相对磁导率远远大于空气、水等周围介质，可以近似认为磁 芯外面的磁场很弱，磁场主要分布在磁芯内部和磁芯之问的问隙中，这样将磁场简化为磁 路。假定磁芯紧密贴合而磁芯材料的相对磁导率无穷大，则原边线圈产生的磁场将能够全 部穿过副边线圈。 然而由于电磁耦合装置的分离式结构，以及磁芯材料的非理想性，原边线圈产生的磁 场有一部分在磁芯间隙附近形成发散式分布。主磁场丸经过磁芯间的间隙，穿过副边线圈 回到原边，形成闭合磁路：漏磁场氟不经过副边线圈，直接构成闭合的漏磁路。 环境介质一 九、 r 1 r 】 1 r 1 r 1 1 一 图2 2 电磁耦合装置的磁路分布示意图 9 浙江大学硕士学位论文第二章水下非接触电能传输技术的基本原理 主磁路与线圈间的互感有关，而漏磁通与线圈的漏感有关。根据电感的相关计算公式， 对任意一个线圈均有： 厶= 2 觞4 i 左当乏，厶= 2 风4 赤 ( 2 。) 扛厶+ 厶- 2 m 盘+ 以矗瓦) ( 2 - 2 ) 式中禅7 r 1 0 7 总锄为真空磁导率，4 。，4 腩分别为主磁路和漏磁路的等效磁路截面积， f c 为磁芯平均磁路长度，名为耦合装置磁芯间隙长度，漏磁路长度，w 为磁芯材料相对 磁导率。当电磁耦合装置原边、副边使用相同的磁芯时，如果线圈位置相同且周围环境介 质相同，则除线圈匝数之外，原边、副边之间彳。彳腩，g 等参数均相等。 对于线圈电感= 匕+ 厶，存在一个电感因子4 ，满足： 4 州4 最+ 以赤) ( 2 - 3 ) 则有： l p = a l 。n ；，l s = a f n ；1 2 一q 2 2 基于互感的电路模型 电磁耦合装置的外形特点是原边、副边线圈分别绕在独立的磁性结构上。由于磁性结 构之间存在问隙，虽然基本原理和普通变压器类似，但是漏感三肛显著增加，甚至可以超 过互感三肼。传统的变压器等效电路模型已经不再适用，为此引入了互感模型加以描述。 由文献【4 刀可知： 对于原边侧有： 对于副边侧有： 图2 3 电磁耦合装置的互感电路模型 j m ip + lp r p j m i s = u p j l s l s + ls r s + is r l = j m i p 1 0 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 浙江大学硕士学位论文第二章水下非接触电能传输技术的基本原理 解得： 知磊蔫小矗筹矗( 2 - 7 ) 等效电路为： 图2 4 电磁耦合装置的等效电路模型 令z 尸= 哗+ 鹇，磊= b + 归乓，z r 为副边侧在原边侧的反射阻抗，消耗的功率 为传递到副边侧的功率。 铲半= 警却 ( 2 - 8 ) 足为副边侧的反射电阻，z 为副边侧的反射电抗。由上式得： 母2 i 夏燕( 足+ ) ，t = 一百页燕 4 ( 2 9 ) 足为反射电阻，z 为反射电抗。反射电阻从初级侧吸收的功率即初级侧传输至次级 侧的功率，代表电磁耦合装置的功率传输能力。因此在负载电阻一定的情况下，提高反射 电阻能显著提高非接触电能传输的传输能力晰1 ；提高反射电抗，能够减少系统从电源吸收 的无功功率，减小对电源的干扰和输入滤波器的体积。由式( 2 9 ) 可知，负载电阻一定时， 提高工作频率可以显著增大反射电阻和反射电抗，但频率增大到一定程度后，反射电阻值 接近一个最大值，此时再增大频率，对反射电阻的改善并不明显。因此在工程实现上，不 宜过分追求高工作频率，以免系统损耗增加。 2 3 电磁耦合装置的输入阻抗分析 令线圈匝数比2 m = 胛，则有： 厶= 厶刀2 ( 2 1 0 ) 浙江大学硕士学位论文 第二章水下非接触电能传输技术的基本原理 m = 七厄忑= 七归可i ： ( 2 - 1 1 ) 将式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 带入式( 2 1 ) ，可得： 母= 等。而鑫苏砑一一酽而焉两 ( 2 - 1 2 ) 一般情况下，线圈的等效串联电阻很小，因此b 可忽略不计。当冠缈厶1 时，即 电磁耦合装置的自身感抗远大于负载电阻时，反射电阻近似为： 耳= 等心，_ = 一七2 彩 - ( 2 1 3 ) 由式( 2 - 5 ) 可知，负载r 的反射电阻r 相当于经过了线圈匝数比为砌的理想变压器。 电磁耦合装置的对供电电源端的负载可表示为： 互= z ，+ 知儿j p ( 2 1 4 ) 可得： r e z ，= 等r ，i n l z ，= 弘( 1 一七2 ) 4 由式( 2 8 ) 可知，负载阻抗的实部相当于经过了匝数比为1 ：查的变压器， ( 2 - 1 5 ) 而负载阻抗的 虚部由原边线圈自身的电感和副边线圈折算到原边的反射电抗共同构成。实际应用中，为 了获得足够的输出电压，一般会使得2 m = 拧 1 ，而七 1 8 0 0 ) ，此时电磁耦合装置的磁场分布不会发生显著变化。 接着用p v c 垫片将磁芯隔出一个小间隙( g a p 掣o 5 ，z 嘲，由于p v c 垫片直径较窄，铁 氧体磁芯之间的大部分间隙仍被淡水介质占据，可以近似认为磁芯间隙中的介质均为淡 水。虽然整个磁路上的平均相对磁导率降低了，但是基本不随外界压力发生变化。这表明 使用p c 4 0 铁氧体制作的电磁耦合装置，能够在磁芯之间存在一定工作间隙的情况下，在 深海中保持稳定的电气参数。 3 1 2 磁芯型号的选型 电磁耦合装置通过原边、副边线圈之间的磁场耦合间接实现了电能的传输，在相同的 工作电压、工作频率和工作间隙下，原边和副边之间磁场耦合得越紧密，电磁耦合装置传 输能力就越高。电磁耦合装置的磁芯应满足以下要求： 1 高耦合系数 原边线圈与副边线圈之间的耦合系数反映了两个线圈电磁耦合的紧密程度。耦合系数 与磁芯的种类、尺寸等有密切关系。磁芯在8 聊m 的间隙下，耦合系数应不低于0 5 。 2 高电感因子a 工 高电感因子可以减少线圈的匝数，降低线圈内阻和体积，有助于系统效率的提高。 3 轴对称的几何外形 具有轴对称外形的磁芯能够相对旋转而不影响电磁耦合，使用时只需将中轴线对齐， 方便实际应用。同时轴对称的磁芯形状较封闭，能够尽可能减少磁场外泄。 1 ) 磁芯外形的选择 常见的铁氧体磁芯主要有e 型、u 型、p 型、p m 型等，如图3 - 4 所示。 2 l 浙江大学硕士学位论文第三章电磁耦合装置设计 瓯一 ( a ) e 型磁芯( b ) o 型磁芯( c ) u 型磁芯( d ) p q 型磁心 j 鬻一 ( e ) p m 型磁心( f ) p 型磁芯( 蓟p e e 型磁芯( h ) p e r 型磁芯 图3 - 4 几种常见磁芯型号 图3 4 ( a ) 所示的e 型磁芯使用时要求磁芯成对使用，需要在平行于磁芯截面的两个方 向上尽可能对齐，使用不便且原边、副边不能相互旋转；同理，图3 4 ( c ) ( d ) ( g ) ( 1 i ) 所示的 磁芯也不能用于电磁祸合装置；图3 4 ( b ) 所示的o 型磁芯主要用于绕制电感，磁场封闭在 磁芯内部，无法实现两个磁芯间的电磁耦合。 图3 4 ( e ) 所示的p m 型磁芯在p 型磁芯的基础上发展而来。与p 型磁芯相比，p m 磁 芯的开口明显加大，有利于散热；磁芯的体积也明显加大，能够容纳更多的线圈；在同样 的线圈匝数下，p m 型磁芯电感量更大，有助于减少线圈匝数、降低线圈发热损耗【5 0 1 。 图3 - 4 ( f ) 所示的p 型磁芯，具有轴对称的几何外形，可以满足原边、副边相对旋转而 不影响电磁耦合的要求；磁芯成对使用，能够在磁芯内部形成完整的闭合磁路；缺点是散 热差、体积小，仅能用于中小功率场合【5 1 1 。 2 ) 磁芯尺寸的选择 p 型磁芯和p m 型磁芯均有若干种大小不同的规格，p 型磁芯最大直径为4 8 肌聊，而 p m 型磁芯直径最大可达1 1 4 聊聊，为了控制电磁耦合装置体积，需要选取合适尺寸的磁芯。 选定磁芯的型号后，在a n s o f tm 觚w e u 软件中对每一种规格的磁芯分别绘制三维模 型，通过软件仿真计算得出不同磁芯间隙下的耦合系数七和电感因子彳。计算结果如图 3 5 所示。 浙江大学硕士学位论文第三章电磁耦合装置设计 d 。l 椭 ( a ) 各型号磁芯耦合系数与工作间隙的关系( b 洛型号磁芯电感因子与工作间隙的关系 图3 5p 型磁芯和p m 型磁芯在不同间隙下的耦合系数和电感量 由图3 5 可知，随着磁芯直径的增大，相同的工作间隙下线圈间的耦合系数七和电感 因子彳工均增大。p 型磁芯由于自身尺寸较小，在8 m m 的工作间隙下耦合系数七和电感因 子彳工较小；p m 磁芯的直径较大，在8 m 柳的工作间隙下耦合系数k 和电感因子钆均可以 达到比较高的值，但是过大的磁芯会导致电磁耦合装置体积过大，给应用造成困难。 在保证合理的耦合系数七和电感因子彳前提下，磁芯的尺寸不宜过大。本文最终选 择p m 7 4 型磁芯作为电磁耦合装置磁芯，该型号磁芯在8 聊m 的工作间隙下耦合系数 七o 5 5 ，电感因子彳，o 1 6 5 材h 2 。具体外形如下图所示： 画国画 参数abcdefg 尺寸砌肌 7 4 3 o 5 7 5 + 1 8 2 9 5 1 o 5 4 + o 34 0 7 + o 8 5 9 0 - o 6 3 4 聊加 3 1 3 高频漆包线的选型 设计线圈时，除了要考虑线圈的直流电阻，更要考虑工作频率对线圈的影响。低频时 2 3 浙江大学硕士学位论文 第三章电磁耦合装置设计 可以仅仅依据直流电阻引起的损耗设计线圈，而高频下集肤效应等不利因素显著增大了线 圈损耗。为了在高频下仍然保持足够的传输能力，线圈需要由多根互相绝缘的漆包线并联 缠绕而成。 1 ) 集肤效应 集肤效应原理如图3 6 所示。当导体中通过电流f ( 力时，在电流f ( ，) 的周围会产生相应 的磁场日例。电流的变化会引起磁场强度的变化，磁场强度的变化又在导体中产生涡电 流。根据电磁感应的相关定律，涡流产生的磁场阻碍初始磁场的变化。因此在靠近导体 中心的位置，涡流的方向与f 俐方向相反；靠近边缘的地方涡流的方向i 方向相同，导致 导体中的电流密度边缘大而中心小。 图3 7 集肤效应及导体内部的电流密度分布 集肤效应导致电流更多分布在导体表面，导体中心部分没有得到充分利用。相比于低 频时的电流密度分布，导体的有效截面积变小而电阻增大。为了表征集肤效应的程度，工 程上定义从导体边缘到导体内部电流密度为表面密度o 3 6 8 ( 即1 尼) 的厚度为导体的渗透深 度。渗透深度是表征具有一定厚度的导体传输高频电流的重要参数，计算如式( 3 1 ) 所示 万= 压 ( 3 1 ) 式中，口为导体电导率( s m ) ，七是材料电导率的温度系数，厂为电流频率。 对于铜导体，盯= 5 8 1 0 7 s 坍，七= ( 1 + ( 丁一2 0 ) 2 3 4 5 ) ，代入式( 3 1 ) 可得铜导体在 2 0 的环境下，不同频率的穿透深度b 2 1 ： 如芳忙叫 ( 3 - 2 ) 当导体的直径d 2 万时，导体中心距离表面超过渗透深度的部分，分布的电流密度很 2 4 浙江大学硕士学位论文第三章电磁耦合装置设计 弱，设计时认为这部分导体没有得到有效利用。因此设计时一般单根导体的直径不超过渗 透深度的两倍。铜导体2 0 的穿透深度如表3 2 所示： 肝h z ) l371 01 31 51 82 02 3 巧似叫 2 0 8 9 1 2 0 6o 7 8 9 9 0 6 6 0 80 5 7 9 6o 5 3 9 60 4 9 2 60 4 6 7 30 4 3 5 8 触h z ) 2 53 04 04 55 06 07 08 01 0 0 6 似州 0 4 1 8 00 3 8 1 50 3 3 0 4o 3 1 1 50 2 9 5 50 2 6 9 70 2 4 9 70 2 3 3 6o 2 0 8 9 肚h z ) 1 2 01 3 01 5 01 8 02 0 02 2 02 5 02 8 03 0 0 占似叫 0 1 9 0 50 1 8 3 10 1 7 0 4o 1 5 5 6 0 1 4 7 6 0 1 4 0 7 0 1 3 2 00 1 2 4 70 1 2 0 5 表3 2 铜导体的穿透深度( 2 0 ) 2 ) 临近效应 高频下，不仅单根孤立导体的内部磁场会对电流分布造成影响，外部磁场同样能够对 导体内部的电流分布造成影响，使得导体截面上电流分布不均匀。当两根( 或两根以上) 的导电体彼此距离较近时，由于一根导体中电流产生的磁场导致临近的其他导体上的电流 不是均匀地流过导体截面的现象，称之为临近效应。 图3 8 集肤效应及导体内部的电流密度分布汨对磁导率为1 的介质中) 为了防水，电磁耦合装置的线圈用环氧树脂填充内部空隙。环氧树脂的相磁导率与空 气相同，填充后不会影响导体内部和外部的磁场分布。线圈中相邻的导体其实是同一个线 圈缠绕磁芯的两匝线圈，因此电流的大小和相位都相同，互相产生磁场并在对方截面内诱 发涡电流。图3 7 为产生临近效应的两导体截面周围磁场和内部电流的分布情况。由于产 生临近效应的涡电流，在两根导体内侧与电流f ( r ) 的方向相反，而在两根导体的外侧与f ( ) 2 5 浙江大学硕士学位论文 第三章电磁耦合装置设计 的方向相同。这些涡电流与集肤效应的涡电流互相叠加，导致导体表面的电流密度分布不 均。这相当于集肤效应的涡电流中心发生了偏移，从导体的中心线偏向了两根导体的内侧