一种新型的水下电磁耦合器设计

一种新型的水下电磁耦合器设计

1水下clpt技术随着人类对海洋资源的需求，越来越多的水下机器在海上勘探中得到了应用。由于海洋的广阔性,传统的机电设备在使用时受到距离的限制,无法进行大规模探测。因此水下设备在能量耗尽时需要进行电能补给。电能补给方式主要有两种,一种是由岸基或者甲板向水下设备充电,另一种由电缆系统进行水下湿插拔式的充电。这两种充电方式的自动化程度都较低,而且由于湿插拔所需的插拔力较大,导致磨损严重,使得充电次数有限。因此研究人员尝试将感应电能传输引入到水下设备中,以提高系统的可靠性。在国外,Feezor和Sorrell等人研究开发的200W水下CLPT系统,效率可以达到79%;日本东北大学和NEC公司联合开发了500W水下CLPT系统,效率在90%以上,间隙2mm;McGinni为锚系海洋剖面观测器设计了250W的感应充电系统,效率达到70%以上;日本崇城大学电子与计算机网络工程系及日本海洋地球科学研究所等机构联合开发了类似的锚系充电系统;德国MESA公司为水下设备开发了浅水用的INPUDCAN和深水用的INPUDDON系统,传输功率100W,效率达到了90%。水下CLPT技术研究在我国仍处于起步阶段,天津大学对海洋浮标水下非接触式供电进行了相关研究,浙江大学对深海非接触式电能传输耦合器进行了相关研究,都取得了一定进展。目前我国已经研制成功的水下设备系统尚无采用非接触供电技术的案例。综合国内外的相关文献发现现有的水下充电设备对于充电时间隙的稳定性要求较高。电磁耦合器在工作中,受到水下复杂情况的干扰,器件的充电时间隙稳定性和效率都存在较大的波动。传统的电磁耦合器对于充电时间隙的稳定性要求较高。在进行水下充电时,由于洋流的存在,电磁耦合器的间隙不可能保持十分稳定。当间隙出现偏差时,电磁耦合器性能出现较大偏差。本文提出了一种新型的平板式电磁耦合器设计方法。首先应用有限元方法计算系统的漏感和励磁电感,建立含有补偿电容的电磁耦合器等效电路,并对初级电路和次级电路进行了设计。在此基础上对系统的电压增益和效率进行理论推导和计算。2感应电能传输系统电磁耦合器设计如图1所示。该电磁耦合器在径向偏芯和轴向偏移的情况下能够保持稳定的励磁电感和漏感。因此在海流扰动时,仍能保持稳定的充电性能。由于磁芯间隙的存在,发散的磁场会在周围金属外壳中诱发出涡电流。涡电流可以起到电磁屏蔽的作用,降低电磁耦合器对外界的辐射。但由于外壳厚度较大,涡电流引起的能量损失较大。因此,需在磁芯和外壳之间增加附加的屏蔽层,减少电磁场对外壳的作用,降低屏蔽能量损失。此外,为保护线圈和减少线圈窗口的涡流损失,在线圈窗口加装橡胶保护隔垫。感应电能传输分析方法分为等效电路法和有限元法。等效电路法计算快速,但是参数计算偏差较大;有限元法计算准确,但是过于耗时。本文综合使用等效电路法和有限元法,分析系统性能。首先应用有限元方法计算系统的漏感和励磁电感。然后建立了系统的等效电路,进而计算系统电压增益和传输效率。感应电能传输系统属于分离式结构,耦合系数低,功率因数小,系统的传输能力弱,因此需要采用补偿技术通过补偿电容与系统电感的谐振作用,使系统的功率因数达到最大,以实现电能的高效传输。水下设备感应电能传输原理图如图2所示,带有“ss”补偿的“T”型等效电路如图3所示。建立等效电路后,需要用各种方法计算等效电路中的参数,以进一步分析系统性能。首先计算Rp和Rs,开关电路和谐振电路可以增进系统的传输效率,但是由于电流波形中含有非正弦分量,从而导致附加的交流损耗。除此之外,由于集肤效应和临近效应,导线的有效利用面积减小。初级侧和次级侧的有效阻抗可以表示为:其中ω=2πf。然后计算电感Llp,Lls和Lm,漏感和励磁电感的计算精度直接影响谐振性能,因此本文采用3D有限元方法计算漏感和励磁电感。两种电磁耦合器的磁场分布如图3所示。水下设备在基站进行充电时,初、次级磁芯在受到水流冲击后会产生轴向偏移和径向偏芯,对耦合系数产生较大的影响,从而影响到系统功率因数和输出功率。因此,需对海流扰动下漏感和励磁电感的变化趋势进行研究,以进一步优化系统结构,提高充电效率和系统稳定性。3优化设计过程的提出3.1回汁添加量选择在海流扰动下两种电磁耦合器的漏感和自感计算结果见表1。对于电阻Req负载,整流和滤波电路可以近似等效为一个电阻:计算电容Cp和Cs,谐振条件下补偿电容的值取决于漏感和工作频率。3.2等效电路模型的分析等效电路的各部分阻抗分别为:其中:3.3整体耦合器两侧电流电压增益主要由负载、频率决定。负载决定了流过电磁耦合器两侧的电流。频率决定了漏感、励磁电感和补偿电容的阻抗值,进一步影响电压增益。其中:3.4电磁耦合器损耗在电磁耦合器中,能量损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗和传导损耗。磁滞损耗非常小,可以忽略不计。由于海水的导电率远大于磁芯,因此涡流损耗主要为海水涡流损耗。涡流损耗与磁场强度和频率成正比,因此涡流损耗主要集中在线圈在窗口的海水中。当线圈窗口采用橡胶隔垫进行密封保护后,海水涡流损耗可以忽略不计。因此,电磁耦合器的功率损耗主要为传导损耗。传导损耗包括:线圈损耗,电容损耗,开关损耗,整流二极管损耗等。由损耗可以计算出效率:4偏芯带载能力系统性能分析,首先给出电磁耦合器的设计参数,详细数值见表2.根据设计参数,利用前面提到的分析方法,计算平板型电磁耦合器的在偏芯情况下的性能如图5所示,在轴向偏移下的性能如图6所示,带载能力如图7所示。电压增益方面,由图5可以看出,平板型电磁耦合器在对于偏芯偏移有很好的适应性,偏芯在10mm以内时,电压增益仍稳定在5.8%以内。由图6可以看出,平板型电磁耦合器对于轴向偏移较为敏感,在距离较小和较大时,电压增益误差较大,但是在实际应用中轴向定位差可以通过在基站和水下设备之间加装行程开关控制在非常小的范围。如图7所示,平板式电磁耦合器可以在较大的负载范围内实现稳定的电压输出。此外,效率方面,平板型电磁耦合器的理论计算效率在偏芯情况下,效率在90%左右。但是,对于轴向偏移,存在一个最佳的效率位置。5电磁耦合器充电性能应用感应电能传输技术对水下设备进行充电可以提高充电的安全性和可靠性。避免了漏电、短路等安全隐患。本文设计了一种新颖的适用于水下设备的平板式电磁耦合器。该电磁耦合器可以在存在海流扰动的情况下稳定的向水下机电设备进行充电。结合使用有限