本發(fā)明屬于無線電能傳輸，涉及一種全向抗位置偏移能力的水下無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、水下航行器在海洋資源探索、開發(fā)、利用等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，各種類型結(jié)構(gòu)的水下航行器應(yīng)運而生，其功能也各不相同。但水下航行器如何在水下進行長時間連續(xù)工作，已經(jīng)成為制約其發(fā)展的重要問題。無線電能傳輸技術(shù)作為一種新型的能量傳輸方式，其電能發(fā)送端和接收端不需要電路間的物理連接，從而確保水下航行器以高效、安全的方式進行電能傳輸，提高充電的自由度和安全性。

2、電磁耦合機構(gòu)是無線電能傳輸系統(tǒng)中的重要組成部分，耦合器的性能決定了系統(tǒng)的電能傳輸效率、傳輸距離等關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于海洋環(huán)境中富含微生物，藻類和貝殼等海洋生物，經(jīng)過長時間的水下工作，海洋生物會附著在平面型水下航行器底部以及充電基站上，除此之外還有洋流的影響，這就導(dǎo)致平面型水下航行器產(chǎn)生側(cè)向，垂直，傾斜等各個方向的偏移情況，這是水下無線電能傳輸中著重考慮的因素。

3、目前已有一些具有抗特定方向偏移的電磁耦合機構(gòu)，其特點是針對回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的水下航行器設(shè)計，具有抗360°旋轉(zhuǎn)偏移或只有抗橫向偏移的特性。但平面型水下航行器在實際中也有很多使用場景，這極大的限制了平面型水下航行器的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

4、為克服平面型水下航行器在水下長時間工作時由于海洋微生物附著而造成的側(cè)向，垂直，傾斜等偏移情況，從而導(dǎo)致無線電能傳輸系統(tǒng)效率下降的問題，滿足水下航行器在實際充電過程中無線充電的需求，需要設(shè)計一套適用于平面型水下航行器的無線充電系統(tǒng)，使得平面型水下航行器在無線充電過程中具有良好的全向抗位置偏移能力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，在無線電能傳輸系統(tǒng)中設(shè)計了組合階梯式發(fā)送線圈，所述的組合階梯式發(fā)送線圈包括階梯式線圈和反串聯(lián)線圈，其中，階梯式線圈用來增強發(fā)送線圈四周的磁場強度，反串聯(lián)線圈用來均勻階梯式線圈中間磁場凹陷部分，最終在發(fā)送線圈上方一定高度范圍內(nèi)實現(xiàn)勻強磁場，實現(xiàn)了水下航行器在全向偏移情況下功率的穩(wěn)定傳輸。

2、基于上述目的，本發(fā)明提供了一種具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，所述的電能傳輸系統(tǒng)包括電能發(fā)送端和電能接收端；

3、所述的電能發(fā)送端包括了直流穩(wěn)壓電源、發(fā)送端逆變器、信號處理器、發(fā)送端補償電感、第一發(fā)送端補償電容、第二發(fā)送端補償電容、組合階梯式發(fā)送線圈；

4、所述的電能接收端包括接收線圈、接收端補償電容、接收端整流電路、電子負(fù)載組成。

5、其中，所述的直流穩(wěn)壓電源給整個系統(tǒng)提供恒壓輸入；

6、所述的逆變器是將直流電源逆變?yōu)楦哳l交流電；

7、所述的信號處理器用來調(diào)節(jié)逆變器的工作頻率；

8、所述的發(fā)送端補償電感、第一發(fā)送端補償電容、第二發(fā)送端補償電容共同構(gòu)成了lcc補償電路，為諧振網(wǎng)絡(luò)提供補償；

9、組合階梯式發(fā)送線圈用以傳輸能量；

10、所述的接收端的接收線圈用來接收諧振狀態(tài)下的電能；

11、所述的接收端補償電容構(gòu)成了串聯(lián)補償電路，為諧振網(wǎng)絡(luò)提供補償；

12、所述的整流電路用來將高頻交流電整流為直流電為負(fù)載提供能量；

13、所述的電子負(fù)載用來模擬負(fù)載使用情況。

14、所述的組合階梯式發(fā)送線圈包括階梯狀發(fā)送線圈和組合式反串聯(lián)線圈；

15、其中，所述階梯狀發(fā)送線圈由多個階梯狀發(fā)送線圈單元組成；

16、所述的階梯狀發(fā)送線圈單元為矩形階梯狀，包括橫向平臺和豎向平臺；

17、進一步的，所述的矩形階梯狀線圈單元包括n段橫向平臺和m段豎向平臺，其中，n＝2m+1，m的取值均為大于0的正整數(shù)；

18、進一步的，所述的矩形階梯狀的豎向平臺高度相等；

19、進一步的，所述的矩形階梯狀的下一橫向平臺與上一橫向平臺通過豎向平臺首尾相連；

20、在另一些實施例中，所述的階梯狀發(fā)送線圈至少由四個階梯狀發(fā)送線圈單元組成；

21、所述的至少四個階梯狀發(fā)送線圈單元組成封閉的階梯狀發(fā)送線圈，使得階梯狀發(fā)送線圈形成閉環(huán)；

22、進一步的，所述的至少四個階梯狀發(fā)送線圈的整體長度相同；

23、進一步的，所述階梯狀發(fā)送線圈的匝數(shù)為n1；

24、在另一些實施例中，所述的組合式反串聯(lián)線圈由多組第一線圈單元串聯(lián)組成；

25、所述的組合式反串聯(lián)線圈的第一線圈單元為多邊形結(jié)構(gòu)，所述第一線圈單元的邊數(shù)與所述的階梯狀發(fā)送線圈單元的數(shù)量相同；

26、進一步的，所述的組合式反串聯(lián)線圈在階梯狀發(fā)送線圈形成的閉環(huán)空間內(nèi)；

27、進一步的，所述的組合式反串聯(lián)線圈與階梯狀發(fā)送線圈中心對齊，且所述的第一線圈單元的一邊與所述的階梯狀發(fā)送線圈單元平行；

28、作為優(yōu)選的，所述的階梯狀發(fā)送線圈由四個階梯狀發(fā)送線圈單元組成；

29、所述的組合式反串聯(lián)線圈的第一線圈單元為四邊形結(jié)構(gòu)；

30、優(yōu)選的，所述的組合式反串聯(lián)線圈的第一線圈單元為正方形形結(jié)構(gòu)；

31、更優(yōu)選的，所述的組合式反串聯(lián)線圈由三組正方形結(jié)構(gòu)的第一線圈組成；

32、進一步的，三組正方形結(jié)構(gòu)的第一線圈組的每組的匝數(shù)分別為n2，n3，n4。

33、在另一實施例中，接收線圈為沿著水下航行器底板邊緣密繞的矩形線圈。

34、水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合器的補償拓?fù)錇閘cc-s型，所述發(fā)送端補償網(wǎng)絡(luò)包括發(fā)送端補償電感、第一發(fā)送端補償電容、第二發(fā)送端補償電容；

35、其中，發(fā)送端補償電感、第一發(fā)送端補償電容、第二發(fā)送端補償電容和組合階梯式發(fā)送線圈組成lcc諧振網(wǎng)絡(luò)；

36、在另一實施例中，所述接收端補償網(wǎng)絡(luò)包括接收端補償電容；

37、接收端補償電容和接收線圈組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。

38、優(yōu)選地，階梯狀發(fā)送線圈通過較小的凸起高度，可以提升耦合器中階梯狀發(fā)射線圈高度方向z軸上的磁場高度，可以抗一定的傾斜角度偏移。

39、優(yōu)選地，內(nèi)部組合式反串聯(lián)線圈可以均勻階梯狀線圈在中間處產(chǎn)生的磁場凹陷區(qū)域，使得耦合器可以抗橫向偏移和側(cè)向偏移。

40、優(yōu)選地，接收線圈采用密繞矩形線圈，最大化利用水下航行器底部空間，達到最佳的充電效果。

41、本發(fā)明的有益效果是：階梯狀線圈通過將線圈提升較小高度，使得發(fā)送端線圈在階梯狀發(fā)射線圈高度方向z軸上的磁場強度大幅提高，再與發(fā)送線圈內(nèi)側(cè)的反串聯(lián)線圈相結(jié)合，使得耦合器在不同高度下都能實現(xiàn)勻強磁場，從而達到抗側(cè)向，垂直，傾斜等各個方向的抗全向位置偏移的能力。

技術(shù)特征：

1.一種具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，所述的電能傳輸系統(tǒng)包括電能發(fā)送端和電能接收端，其特征在于，

2.如權(quán)利要求1所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

3.如權(quán)利要求2所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

4.如權(quán)利要求3所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

5.如權(quán)利要求4所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

6.如權(quán)利要求1-5任一項所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

7.如權(quán)利要求6所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

8.如權(quán)利要求7所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

9.如權(quán)利要求6所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

10.如權(quán)利要求9所述的具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于無線電能傳輸領(lǐng)域，公開了一種具有全向抗位置偏移能力的水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)，在無線電能傳輸系統(tǒng)中設(shè)計了組合階梯式發(fā)送線圈，所述的組合階梯式發(fā)送線圈包括階梯式線圈和反串聯(lián)線圈，其中，階梯式線圈用來增強發(fā)送線圈四周的磁場強度，反串聯(lián)線圈用來均勻階梯式線圈中間磁場凹陷部分，最終在發(fā)送線圈上方一定高度范圍內(nèi)實現(xiàn)勻強磁場，階梯狀線圈通過將線圈提升較小高度，使得發(fā)送端線圈在階梯狀發(fā)射線圈高度方向z軸上的磁場強度大幅提高，再與發(fā)送線圈內(nèi)側(cè)的反串聯(lián)線圈相結(jié)合，使得耦合器在不同高度下都能實現(xiàn)勻強磁場，從而達到抗側(cè)向，垂直，傾斜等各個方向的抗全向位置偏移的能力。

技術(shù)研發(fā)人員：文海兵,王鵬,李佳原,楊佳東,周曉龍,楊磊,趙垚澎,同向前
受保護的技術(shù)使用者：西安理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9