鮑文聰

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電磁感應(yīng)式水下松耦合變壓器的設(shè)計(jì)與仿真

鮑文聰

(海軍工程大學(xué)電氣工程系，武漢430033)

水下自治機(jī)器人的電能傳輸是深海資源勘探中必須解決的問(wèn)題。如今大部分水下機(jī)器人采用接觸式電能傳輸方法，然而其系統(tǒng)的復(fù)雜密封結(jié)構(gòu)使其接口會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損并存在漏電隱患。與接觸式方法相比，非接觸式電能傳輸技術(shù)[1]（CLPT）方法避免了電擊、漏電等危險(xiǎn)，而且不需要復(fù)雜的密封工藝。首先，建立無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的互感和勵(lì)磁模型，然后分析其系統(tǒng)傳輸特性，建立水下CLPT模型，利用ANSOFT仿真軟件，得到自感、互感及耦合系數(shù)，通過(guò)對(duì)耦合器性能參數(shù)、漏磁屏蔽等進(jìn)行有限元分析，實(shí)現(xiàn)電磁耦合器結(jié)構(gòu)[2]的優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)一步仿真耦合系數(shù)與氣隙、輸出電壓和傳輸效率隨負(fù)載的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的電磁耦合器具有良好的耦合特性，能夠充分發(fā)揮無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)安全高效的傳輸方式地為水下機(jī)器人提供足夠的電能。

無(wú)線(xiàn)電能傳輸 ANSOFT仿真耦合特性

0 引言

近年來(lái)，深海資源勘探成為了世界上主要強(qiáng)國(guó)經(jīng)濟(jì)和軍事發(fā)展重要方向，深海機(jī)電設(shè)備正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。深海復(fù)雜、惡劣的環(huán)境不利于傳統(tǒng)的接觸式輸電接口的使用，大功率水下機(jī)器人的電能傳輸問(wèn)題成為制約其發(fā)展的瓶頸。采用無(wú)線(xiàn)供電方式替代傳統(tǒng)濕插拔接插件正得到世界各國(guó)的認(rèn)可，成為一種發(fā)展趨勢(shì)，其中松耦合變壓器是最為核心的組成設(shè)備，如何提高松耦合變壓器的傳輸效率和對(duì)深海環(huán)境的適應(yīng)性是該種方式的重要研究方向。

1 電磁感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的電路模型

無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的核心部件是松耦合變壓器。而松耦合變壓器的電感是決定CLPT系統(tǒng)傳輸能力的重要因素，尤其是勵(lì)磁電感、漏電感和互感對(duì)傳輸能力影響很大。以上參數(shù)與松耦合變壓器的幾何結(jié)構(gòu)以及磁芯的特性有關(guān)。確定了松耦合變壓器的磁芯線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)以及磁芯材料以后，這些參數(shù)則主要受兩磁芯的相對(duì)位置影響。本文研究的是具有軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的磁芯，其間隙是影響松耦合變壓器性能的主要因素。因此，分析松耦合變壓器的特性要通過(guò)其磁路模型和電路模型，研究磁芯線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響。

1.1磁阻模型

深入了解松耦合變壓器參數(shù)的設(shè)計(jì)原理是設(shè)計(jì)CLPT系統(tǒng)的基礎(chǔ)。松耦合變壓器的幾何結(jié)構(gòu)決定松耦合變壓器的主要參數(shù)。本文通過(guò)磁阻建模方法分析松耦合變壓器的各項(xiàng)參數(shù)是分析其電磁特性的有效方法。這種方法通過(guò)對(duì)松耦合變壓器結(jié)構(gòu)中磁通分布的分析，建立含有磁阻的等效磁路，再通過(guò)等效轉(zhuǎn)化建立其電路模型[3]，最后可以分析其結(jié)構(gòu)的電感參數(shù)。

磁阻是描述磁路對(duì)磁通傳導(dǎo)能力的參數(shù)，其大小與變壓器磁芯結(jié)構(gòu)、磁芯的尺寸、磁芯材料的磁導(dǎo)率等因素有關(guān)。初級(jí)線(xiàn)圈激勵(lì)出的磁場(chǎng)分布在松耦合變壓器結(jié)構(gòu)及其附近的空間；由于耦合器分離式結(jié)構(gòu)，磁通在磁芯間隙附近形成發(fā)散式分布，如圖1所示。圖中分為漏磁通和主磁通，反映了松耦合變壓器兩線(xiàn)圈之間的磁耦合關(guān)系及主磁路與漏磁路[4]關(guān)系。

圖1松耦合變壓器磁場(chǎng)分布

1.2互感電路模型

圖2所示為松耦合變壓器的互感電路模型[5]，其中、分別為初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的自感，為兩線(xiàn)圈的互感，為負(fù)載電阻。與上面的勵(lì)磁電路模型不同，互感模型中不區(qū)分勵(lì)磁電感和漏電感，感應(yīng)電壓通過(guò)互感系數(shù)來(lái)表示，線(xiàn)圈之間的耦合程度通過(guò)耦合系數(shù)來(lái)表示。模型中電流分為初級(jí)和次級(jí)電流，與耦合器物理結(jié)構(gòu)更加接近，因此互感模型在對(duì)系統(tǒng)的電氣特性的分析中比勵(lì)磁模型更有優(yōu)勢(shì)。

文中兩線(xiàn)圈各自的自感系數(shù)可直接通過(guò)仿真軟件獲得。耦合系數(shù)由穿過(guò)兩線(xiàn)圈的共同磁通的大小決定。主磁通越大，耦合系數(shù)越高，兩線(xiàn)圈的耦合越緊密。在深海應(yīng)用中，由于受到海底水流影響和環(huán)境限制，兩磁芯間的間隙一般較大，本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中也考慮到了這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)了較大的磁芯間距，由于間隙較大，磁路中漏磁通也隨之變大，故兩線(xiàn)圈耦合系數(shù)較低。在圖2的電路模型中，可通過(guò)耦合器的自感與互感來(lái)描述耦合系數(shù)，如下式所示

2 水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)模型

針對(duì)于海洋特殊環(huán)境及其用電設(shè)備的需求，本文針對(duì)AUV、UUV的外型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款便捷、通用的結(jié)構(gòu)更適合水下自治機(jī)器人的水下無(wú)線(xiàn)電能傳輸。水下CLPT系統(tǒng)如圖所示，AUV內(nèi)部帶有次級(jí)磁芯，初級(jí)磁芯固定在海底基座上，需要充電時(shí)返回基座即可。

注：（a）CLPT系統(tǒng)為水下設(shè)備輸電；（b）CLPT系統(tǒng)框圖。

2.1CLPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及其優(yōu)點(diǎn)

在本論文研究中，針對(duì)水下自治機(jī)器人的流線(xiàn)型外形、定位精度低的要求，設(shè)計(jì)了如圖4（b）所示的矩形磁芯結(jié)構(gòu)的耦合器，圓形內(nèi)部黑色部分為次級(jí)磁芯，外部黑色部分為初級(jí)磁芯。

（a）CLPT系統(tǒng)圖

（b）松耦合變壓器結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)圖

銀白色部分為耐壓殼體結(jié)構(gòu)，黃色部分為繞組，綠色部分為防止漏磁的鋁板屏蔽層。磁芯材料選用錳鋅鐵氧體，這種材料制成的鐵氧體具有良好的電磁屏蔽特性，可以減少對(duì)外界的電磁干擾，有利于兩線(xiàn)圈獲得較高的耦合系數(shù)。松耦合變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖4（a）所示，初級(jí)磁芯位于基座中，次級(jí)磁芯位于AUV中。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有：1）應(yīng)用無(wú)線(xiàn)電能傳輸方法替代濕插拔接口大大增加了海洋資源開(kāi)發(fā)的成本，并提高了AUV的探測(cè)范圍；2）降低了充電時(shí)的對(duì)位精度要求，減少了定位鎖扣固定裝置，釋放了AUV內(nèi)部空間；3）充電接口處磨損較輕，大大提高了使用壽命。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文針對(duì)如今大部分AUV和UUV的工作性能以及無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)了如表1所示的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)。

本文設(shè)計(jì)指標(biāo)是輸出功率為200W的松耦合變壓器，由于本文中設(shè)計(jì)的磁芯機(jī)構(gòu)在市場(chǎng)上沒(méi)有類(lèi)似的型號(hào)，所以根據(jù)變壓器輸出功率來(lái)選擇主要的磁芯截面積，考慮到在改造基礎(chǔ)上的損耗，因此選擇了E75型磁芯，此磁芯在96 kHz的條件下，輸出功率1121.4W，經(jīng)改造可以符合本文的設(shè)計(jì)要求。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)線(xiàn)圈匝數(shù)進(jìn)行確定，通過(guò)仿真優(yōu)化線(xiàn)圈匝數(shù)。文中線(xiàn)圈兩端電壓可近似認(rèn)為是正弦形式。對(duì)初級(jí)線(xiàn)圈而言，當(dāng)兩端正弦電壓的有效值為外時(shí)，最小線(xiàn)圈匝數(shù)為

其中，為磁芯允許的最大磁通密度。由于電源轉(zhuǎn)換器輸出電壓為正弦波，將其進(jìn)行傅立葉展開(kāi)，外即為其基頻有效值，如下式所示

2.3系統(tǒng)封裝

通過(guò)對(duì)CLPT系統(tǒng)和松耦合變壓器的性能分析及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)選定的磁芯線(xiàn)圈進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)，來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。本文所研究的是在深海環(huán)境中的應(yīng)用，因此要考慮深海環(huán)境因素。

1）采用耐海水腐蝕的金屬外殼，如鐵合金、耐海水不銹鋼等。2）松耦合變壓器的對(duì)接機(jī)構(gòu)要求簡(jiǎn)便、易操作。結(jié)構(gòu)如圖5所示，紅色部分為線(xiàn)圈，橙色部位為磁鐵，當(dāng)水下深潛器通過(guò)定位系統(tǒng)達(dá)到充電基座以后，給紅色線(xiàn)圈供電，產(chǎn)生電磁力與深潛器內(nèi)部磁鐵進(jìn)行吸附，從而達(dá)到固定深潛器的目的。

圖5 松耦合變壓器固定裝置圖

3）在電能的傳輸過(guò)程中，耦合器的結(jié)構(gòu)要相對(duì)穩(wěn)定，用以應(yīng)對(duì)深海的復(fù)雜水流環(huán)境。磁芯線(xiàn)圈相對(duì)位置的變化會(huì)引起松耦合變壓器參數(shù)的變化，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定傳輸。

4）在松耦合變壓器的初級(jí)磁芯與金屬外殼之間增加屏蔽層，以減小外部電磁場(chǎng)對(duì)外殼的影響。

3 松耦合變壓器仿真分析

本文利用ANSOFT仿真軟件對(duì)松耦合變壓器的各項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn)行仿真，所得磁場(chǎng)強(qiáng)度圖如圖6所示。同時(shí)對(duì)仿真所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖6 耦合器磁場(chǎng)強(qiáng)度圖

首先設(shè)置為空載情況，改變?cè)褦?shù)，此時(shí)次級(jí)線(xiàn)圈空載時(shí)輸出電壓峰值均為90V，可以得到結(jié)論：空載時(shí)輸出電壓與匝數(shù)無(wú)關(guān)。在根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)在0-50歐姆范圍內(nèi)選取負(fù)載進(jìn)行仿真，主要研究以下幾種變化規(guī)律。

①耦合系數(shù)隨氣隙的變化關(guān)系

由圖中圖像可知，所設(shè)計(jì)的電磁耦合器的偶和系數(shù)隨著氣隙的增大越來(lái)越低，符合電磁耦合器的特性，本文考慮到在深海中受水流影響較大，充電距離設(shè)計(jì)為8 mm，耦合系數(shù)[9]適中，符合設(shè)計(jì)要求。

②輸出電壓隨負(fù)載變化關(guān)系

由上圖可以看出輸出電壓隨著負(fù)載的增大而升高，接近于90 V，且趨于穩(wěn)定，驗(yàn)證了此電磁耦合器的穩(wěn)定性，具有穩(wěn)定的傳輸功率，具備為水下設(shè)備提供穩(wěn)定電能的能力。

③傳輸效率隨負(fù)載變化的關(guān)系

由圖9可知，電磁耦合器的傳輸效率隨著負(fù)載增大而降低，與市面上已有的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)相比，本文所涉及的電磁耦合器具有較高的傳輸效率[10]，能夠提供AUV運(yùn)行所需的電能，能夠完成水下基座的充電，完成各項(xiàng)任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的工作機(jī)理進(jìn)行分析，分析其磁路和電路的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款通用型便捷充電的電磁耦合器。采用ANSOFT軟件對(duì)耦合器的磁場(chǎng)及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。分析了松耦合變壓器的耦合系數(shù)隨氣隙和輸出電壓、傳輸效率隨負(fù)載的變化情況。本文基于前人對(duì)CLPT技術(shù)的研究，針對(duì)深海的特殊環(huán)境，對(duì)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)、系統(tǒng)優(yōu)化、松耦合變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為我們今后更深入的研究打下了一定基礎(chǔ)，對(duì)完善無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)及水下機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域具有借鑒和實(shí)用價(jià)值。

[1] http//www.rmzxb.com.cn/kj/kjqy/t20160510-291516.htm.

[2] Painter H， Flynn J. Current and future wet-mate connector technology developments for scientific scabbed observatory applications. In OCEANS 2006， Boston, MA, 2006:881-886.

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Design and Simulation of Underwater Electromagnetic Coupler

Bao Wencong

（College of Electrical Engineering, Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China）

TN802

A

1003-4862（2017）05-0001-04

2016-12-15

鮑文聰(1993-)，男。研究方向：松耦合變壓器。