賀縣林，戚連鎖，羅寧昭

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033)

0 引言

在海洋資源探測、開發(fā)中，水下機(jī)電設(shè)備依靠蓄電池供電，電能耗盡時(shí)續(xù)進(jìn)行充電。傳統(tǒng)的充電方式有兩種：一種是返回岸基或者甲板進(jìn)行充電；另一種由電纜系統(tǒng)進(jìn)行水下濕插拔式的充電。這兩種充電方式的自動化程度都較低，且濕插拔所需的力較大，導(dǎo)致磨損嚴(yán)重，存在漏電的隱患，效率也不高。

在海底對水下設(shè)備進(jìn)行充電時(shí)，水下設(shè)備對充電電壓和充電效率的穩(wěn)定性要求較高。由于洋流的擾動，電磁耦合器可能出現(xiàn)偏移，耦合器的自感、互感和耦合系數(shù)都會因此下降，系統(tǒng)參數(shù)和耦合狀態(tài)都會改變，充電電壓和充電效率存在較大的波動，因而設(shè)計(jì)合適磁芯和選取適當(dāng)?shù)鸟詈祥g隙尤為重要。

本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對各種型號的磁芯進(jìn)行分析比較，選取了 PM87型磁芯，利用 Ansys Maxwell軟件仿真分析了不同間隙下海流擾動對耦合器的耦合系數(shù)和自感的影響。建立系統(tǒng)互感等效電路，分析系統(tǒng)諧振情況下系統(tǒng)功率和傳輸效率的影響因素，并仿真計(jì)算系統(tǒng)功率和效率隨頻率、輸入電壓、負(fù)載、線圈匝數(shù)變化，研究海水環(huán)境下提高ICPT系統(tǒng)傳輸功率和效率的途徑。

1 ICPT系統(tǒng)的工作原理

海水環(huán)境下 ICPT系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)原理，以“電—磁—電”的方式實(shí)現(xiàn)初次級之間的電能傳輸。如圖1所示。

圖1 非接觸式電能傳輸原理

1.1 互感模型

電磁耦合裝置與傳統(tǒng)變壓器不同的是：初、次級線圈分別繞在獨(dú)立的磁性結(jié)構(gòu)上。由于磁性結(jié)構(gòu)之間存在間隙，漏感顯著增加，傳統(tǒng)的變壓器等效電路模型不再適用，為此引入互感模型，如圖2所示，設(shè)電源電壓Us，變壓器兩側(cè)電流分別為I1、I2，原邊線圈電阻R1，自感L1，副邊線圈電阻R2，自感L2，互感M，負(fù)載電阻RL。根據(jù) KCL，得：

圖2 ICPT 系統(tǒng)的互感電路模型

原邊側(cè)：

副邊側(cè)：

設(shè)Z1＝R1+jwL1，Z2＝R2+jwL2，求解方程可得：

等效電路為：

圖3 ICPT系統(tǒng)初次級解耦等效電路模型

由于耦合器初級繞組和次級繞組間存在較大間隙，漏磁通大，耦合系數(shù)低，系統(tǒng)的傳輸性能差。為了提高系統(tǒng)功率和傳輸效率，需對耦合器兩邊線圈進(jìn)行補(bǔ)償。綜合考慮后采用 SP型補(bǔ)償對兩側(cè)自感進(jìn)行電容補(bǔ)償，即初級串聯(lián)電容，次級并聯(lián)電容，使變壓器兩側(cè)處于諧振狀態(tài)，因系統(tǒng)諧振角頻率較高，次級線圈內(nèi)阻可以忽略。等效電路如圖4所示。

圖4 ICPT系統(tǒng)兩側(cè)處于諧振狀態(tài)的等效電路模型

1.2 參數(shù)分析

如圖3所示:

為副邊側(cè)在原邊的反射阻抗，消耗的功率即傳遞到副邊側(cè)的功率，代表了耦合器的功率傳輸能力，故提高反射阻抗的吸收功率是提高 ICPT系統(tǒng)傳輸能力方法。

其中，Rr和Xr分別為反射電阻和反射電抗，有：

由式（6）（7）可知，對于固定結(jié)構(gòu)的電磁耦合器，耦合系數(shù)M和線圈電阻R2和電感L2確定，當(dāng)負(fù)載電阻一定時(shí)，提高工作頻率可以增大反射電阻和反射電抗，但頻率增大到一定程度后，反射電阻值趨于一個(gè)最大值，此時(shí)再增大頻率，反射電阻趨于不變。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，不宜過分追求高工作頻率，以免系統(tǒng)損耗增加。

ICPT 系統(tǒng)的傳輸效率為：

由式（8）（9）可知，系統(tǒng)的輸出功率隨電壓增大而增大，隨負(fù)載的增大而減小。在不考慮磁芯損耗和負(fù)載線圈損耗的情況下，系統(tǒng)的傳輸效率與輸入電壓和系統(tǒng)頻率無關(guān)，故諧振頻率的選取原則為能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)最大功率出下的最小頻率，即讓系統(tǒng)工作在最大功率傳輸模式。因存在磁芯損耗和海水的渦流損耗、線路及元器件的損耗，實(shí)際的系統(tǒng)傳輸效率要比式（9）計(jì)算的低。

1.3 補(bǔ)償電容的計(jì)算

系統(tǒng)諧振角頻率w選取較高，此時(shí)副邊拾取線圈內(nèi)阻R2可以忽略。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率傳輸，副邊諧振電容C2的選取需滿足：2＝1；故

并聯(lián)電容C2后，副邊的等效負(fù)載Z副為：

ICPT系統(tǒng)總的等效阻抗為：

為了減少系統(tǒng)的無功功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體電路呈阻性，原邊諧振補(bǔ)償電容的選取需滿足式（12）虛部為 0，求得原邊補(bǔ)償電容的取值為

2 仿真結(jié)果及分析

建立可分離變壓器模型,用以分析可分離變壓器的傳輸性能,同時(shí)驗(yàn)證耦合器設(shè)計(jì)的正確性。電壓設(shè)置為有效電壓120 V的正弦電壓源，工作頻率為100 kHz，原邊、副邊線圈各30匝，負(fù)載為50 Ω電阻，耦合器采用的是PM87罐形磁芯，其模型尺寸，如圖5和表1所示。

圖5 PM87磁芯模型

表1 PM87磁芯尺寸(mm）

2.1 磁芯偏移對耦合系數(shù)和電感的影響

在深海進(jìn)行輸電時(shí)，磁芯受到海流沖擊后產(chǎn)生軸向偏移，耦合器線圈自感、互感隨偏移增大而減小，以致影響系統(tǒng)的諧振，從而影響系統(tǒng)功率和傳輸效率。因此，需對海流擾動下耦合系數(shù)和電感的變化趨勢進(jìn)行研究。

圖6和圖7分別為不同間隙條件下，磁芯偏移對耦合系數(shù)和電感參數(shù)的變化曲線。由圖6可知，在不同間隙情況下，耦合系數(shù)隨磁芯偏移的降低趨勢比較一致，耦合間距從1～6 mm，側(cè)移對耦合系數(shù)的影響都在15%左右。由圖7可知，磁芯間隙越小，偏移對電感的影響越大，當(dāng)間隙為 1 mm時(shí)，電感量下降了 32%；間隙為2mm時(shí)電感量下降了28%，而間隙為4 mm時(shí)，電感量下降為5%；耦合間隙大于4 mm時(shí)，線圈電感量基本維持不變。從以上仿真分析可知，ICPT系統(tǒng)在深海環(huán)境中的應(yīng)用與陸地上存在差別，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮磁芯偏移對電磁耦合器參數(shù)的影響，在耦合系數(shù)下降不大時(shí)，適當(dāng)增加磁芯間隙，有利于減小海流擾動對電磁耦合器參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低環(huán)境因素的影響。

圖6 不同磁芯間隙條件下磁芯偏移對耦合系數(shù)的影響

圖7 不同磁芯間隙條件下磁芯偏移對電感的影響

2.2 輸入電壓對系統(tǒng)傳輸功率及效率的影響

如圖8和9所示，隨著輸入電壓的增大，耦合到副邊的電壓也相應(yīng)增大，系統(tǒng)的輸出功率不斷增大；系統(tǒng)的傳輸效率則基本不受輸入電壓的影響，基本維持在75%上下，與式（9）相符。

2.3 負(fù)載對系統(tǒng)傳輸功率及效率的影響

如圖10和圖11所示，系統(tǒng)的輸出功率隨負(fù)載電阻的增大而減小。傳輸效率在負(fù)載電阻為150 Ω時(shí)達(dá)到最大，隨后系統(tǒng)效率下降，當(dāng)負(fù)載電阻增大到250 Ω以后，傳輸效率趨于穩(wěn)定。

圖8 輸出功率隨輸入電壓的變化

2.4 頻率對系統(tǒng)功率及效率的影響

如圖12和圖13所示，系統(tǒng)的輸出功率隨系統(tǒng)頻率的增大而減小，在40～80 KHz之間趨于平穩(wěn)，隨著系統(tǒng)頻率的提高，線圈阻抗增大，勵(lì)磁電流減小，輸出功率減小。傳輸效率隨頻率的增大急劇上升，并在75 KHz時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率到達(dá)最大值81.72%，輸出功率220 W左右。當(dāng)頻率繼續(xù)增大時(shí),原、副邊線圈繞組的交流電阻也急劇增大，線圈損耗增加，同時(shí)電磁耦合器的磁芯損耗也隨著頻率的增大而增加，系統(tǒng)總損耗增大，故系統(tǒng)的傳輸效率開始呈下降趨勢。

圖9 系統(tǒng)效率隨輸出電壓的變化

圖10 輸出功率隨負(fù)載電阻的變化

圖11 系統(tǒng)效率隨負(fù)載電阻的變化

2.5 線圈匝數(shù)對系統(tǒng)功率及效率的影響

如圖14和15所示，當(dāng)輸入電壓一定時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率隨線圈匝數(shù)的增加而減小；系統(tǒng)的傳輸效率則是先增加后減小，在線圈30匝時(shí)達(dá)到最大。當(dāng)線圈為10匝時(shí)，電感的阻抗較小，原邊側(cè)線圈的勵(lì)磁電流過大，系統(tǒng)輸出電壓波動很大，十分不穩(wěn)定。隨著匝數(shù)的增加，原邊側(cè)阻抗增大，勵(lì)磁電流逐漸減小且趨于平穩(wěn)，線圈的損耗也逐漸減小，系統(tǒng)效率上升。當(dāng)匝數(shù)30時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率達(dá)到最大值。繼續(xù)增加線圈匝數(shù)時(shí)，線圈阻抗較大，但原邊電流減小不明顯，而線圈電阻卻不斷增加，導(dǎo)致線圈損耗的功率過大，故系統(tǒng)效率下降。

圖12 輸出功率隨頻率的變化

圖13 系統(tǒng)效率隨頻率的變化

圖14 輸出功率隨線圈匝數(shù)的變化

3 小結(jié)

1）電磁耦合器的耦合間隙越小，偏心對電磁耦合器的自感影響越大；而偏心對耦合系數(shù)的影響與耦合間距基本無關(guān)。因此，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，在不會過大降低耦合系數(shù)的情況下，適當(dāng)增加磁芯間隙，有利于提高耦合器參數(shù)在深海環(huán)境中的穩(wěn)定性。

2）采用SP型補(bǔ)償?shù)腎CPT系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出功率隨輸入電壓、負(fù)載電阻線性變化，傳輸效率基本不受輸入電壓、負(fù)載電阻影響；適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)的工作頻率和原副邊線圈匝數(shù)可以有效提高系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率。

圖15 系統(tǒng)效率隨頻率的變化

[1]A M Bradley，et al．Power systems for autonomous underwater vehicles［J］．IEEE Journal of Oceanic Engineering，2001,26(4):526-538．

[2]M D Feezor，F(xiàn) Y Sorrell，P R Blankinship．An interface system for autonomous undersea vehicles［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering,2001,26(4): 522-525.

[3]T Kojiya，et al．Construction of non-contacting power feeding system to underwater vehicle utilizing electromagnetic induction［C］// Oceans 2005,June 20-23,2005: 709-712.

[4]T Kojiya，et al．Automatic power supply system to underwater vehicles utilizing non-contacting technology [C]//IEEE Techno-Ocean '04,2004:2341-2345.

[5]LI Z S，LI D J，LIN L，et a1．Design considerations for electromagnetic couplers in contactless power ransmission systems for deep-sea applications[J].Journal of Zhejiang University：Science C,2010,11(10):824-834.