本發(fā)明屬于水下無線電能傳輸，具體涉及一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋開發(fā)、保護與防衛(wèi)需求的不斷增加，各式各樣的水下潛航器被開發(fā)出來，然而目前水下潛航器以電池供電為主，其電能補給成為限制水下潛航器長時間工作的關(guān)鍵問題。水下無線電能傳輸技術(shù)，作為一種新型的電能傳輸方式，無需物理插拔，具有高可靠性、實用性和安全性等特性，有望解決水下潛航器的電能補給問題。

2、專利《松耦合變壓器及采用該變壓器的水下無線電能傳輸系統(tǒng)[zl202011390960.5]》提出了一種提出一種新型的松耦合變壓器結(jié)構(gòu)，該松耦合變壓器的發(fā)射線圈與接收線圈采用模塊化設(shè)計，采用磁路對稱設(shè)計，具有較強的軸線旋轉(zhuǎn)和軸向抗偏移能力，且對耦合機構(gòu)對接精度要求低。然而，當水下潛航器直徑與發(fā)射線圈直徑接近時，無線充電效率以及充電功率均較大，而當水下潛航器直徑遠小于發(fā)射線圈直徑時無線充電效率以及充電功率均會出現(xiàn)明顯的下降。而且由該磁耦合機構(gòu)組成的水下充電站需要專門的夾緊裝置，增加了系統(tǒng)控制難度并降低了充電站可靠性。

3、當水下潛航器直徑遠小于發(fā)射線圈直徑時，磁耦合機構(gòu)的互感值大大降低，且電磁場在海水中的路徑增加，這些因素將導致無線充電效率以及充電功率出現(xiàn)明顯的降低。因此需要一種既具有較強抗偏移能力，且能夠在水下潛航器直徑遠小于發(fā)射線圈直徑時能夠保持較大互感值的磁耦合機構(gòu)。一般水下充電基站的發(fā)射線圈是固定不易更換和維護的，且一般設(shè)計的較大便于與不同尺寸的水下潛航器對接。目前同時具有較強抗偏移性能和較強水下潛航器尺寸適應(yīng)性的磁耦合機構(gòu)還未見報導。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對目前用于潛航器的水下無線電能傳輸系統(tǒng)存在的水下潛航器尺寸適應(yīng)性弱以及抗偏移性能弱的問題，提供一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)及其應(yīng)用。本發(fā)明通過可膨脹的接收端改變接收端尺寸，提高了發(fā)射線圈與接收線圈的耦合系數(shù)，減小電磁場在海水中的路徑，能夠有效提高能量傳輸?shù)墓β逝c效率，且提出的磁耦合機構(gòu)通過采用磁路對稱設(shè)計，使得整個結(jié)構(gòu)具有較強的抗偏移性能。

2、一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)，包括發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)和接收側(cè)磁耦合機構(gòu)；所述接收側(cè)磁耦合機構(gòu)包括囊型結(jié)構(gòu)，囊型結(jié)構(gòu)配備有水泵，在囊型結(jié)構(gòu)外側(cè)周向均勻布置有柱狀磁芯繞組，各柱狀磁芯繞組外纏繞的導線串聯(lián)連接，囊型結(jié)構(gòu)充水鼓起后與發(fā)射側(cè)磁耦機構(gòu)適配。

3、進一步地，所述發(fā)射側(cè)磁耦機構(gòu)為由多組柱狀磁芯繞組單元串聯(lián)而成的固定結(jié)構(gòu)，所述柱狀磁芯繞組單元包括上磁芯、下磁芯以及連接二者的柱狀磁芯繞組。

4、進一步地，所述發(fā)射側(cè)磁耦機構(gòu)中多組上磁芯首尾連接構(gòu)成環(huán)狀或多邊形的閉合回路，由下磁芯構(gòu)成的閉合回路與上磁芯相同。

5、進一步地，所述柱狀磁芯繞組中柱狀磁芯采用圓柱體或長方體形狀。

6、一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)的應(yīng)用，用于水下無線電能傳輸，發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)安裝于水下充電站中，多種不同的接收側(cè)磁耦合機構(gòu)分別安裝于各潛航器，囊型結(jié)構(gòu)充水前的尺寸與潛航器適配。采用該結(jié)構(gòu)的水下無線充電站，無需專門的夾緊裝置即可實現(xiàn)充電，這將降低充電站控制難度，提高充電站可靠性，降低維護成本。

7、進一步地，所述水下充電站包括喇叭口狀的潛航器捕獲裝置、充電艙室和充電基座；所述充電艙室安裝在充電基座上，喇叭口狀的潛航器捕獲裝置安裝在充電艙室一端，充電艙室中部內(nèi)側(cè)壁面上開設(shè)有凹槽，發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)經(jīng)注水變結(jié)構(gòu)后鑲嵌在凹槽內(nèi)；

8、潛航器從喇叭口狀的潛航器捕獲裝置進入充電艙室后，接收側(cè)磁耦合機構(gòu)的囊型結(jié)構(gòu)充水后膨脹，使接收側(cè)磁耦合機構(gòu)卡進凹槽，使?jié)摵狡髟诔潆娺^程中的軸向移動限制在凹槽中。

9、進一步地，所述潛航器內(nèi)部搭載有接收側(cè)自感測量裝置，在潛航器從喇叭口狀的潛航器捕獲裝置進入充電艙室后，接收側(cè)磁耦合機構(gòu)的囊型結(jié)構(gòu)充水后膨脹的過程中，所述接收側(cè)自感測量裝置向接收側(cè)磁耦合機構(gòu)施加交流電流信號，根據(jù)交流電流信號的幅值i和頻率ω以及接收側(cè)磁耦合機構(gòu)兩端的電壓u計算接收側(cè)磁耦合機構(gòu)的自感值l，

10、當接收側(cè)磁耦合機構(gòu)的自感值l大于預(yù)設(shè)的閾值時，判定滿足充電的互感要求，囊型結(jié)構(gòu)停止充水，潛航器開始在水下充電站充電。

11、本發(fā)明的有益效果在于：

12、本發(fā)明設(shè)計的囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)接收側(cè)尺寸來減小發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)與接收側(cè)磁耦合機構(gòu)之間的距離，從而增大了磁耦合系數(shù)，減小了高頻電磁場在海水中的路徑，能夠提高水下無線電能傳輸?shù)墓β逝c效率。應(yīng)用本發(fā)明的水下充電站，充電基座上無需額外的夾緊裝置，通過囊型結(jié)構(gòu)充水后實現(xiàn)軸向固定，采用接收側(cè)自感判斷接收側(cè)與發(fā)射側(cè)之間的距離的方法，無需額外的測距裝置，接收側(cè)自感測量裝置集成在潛航器內(nèi)部，具有可靠性高，距離判斷準確的優(yōu)點。

技術(shù)特征：

1.一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)，其特征在于：包括發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)和接收側(cè)磁耦合機構(gòu)；所述接收側(cè)磁耦合機構(gòu)包括囊型結(jié)構(gòu)，囊型結(jié)構(gòu)配備有水泵，在囊型結(jié)構(gòu)外側(cè)周向均勻布置有柱狀磁芯繞組，各柱狀磁芯繞組外纏繞的導線串聯(lián)連接，囊型結(jié)構(gòu)充水鼓起后與發(fā)射側(cè)磁耦機構(gòu)適配。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)，其特征在于：所述發(fā)射側(cè)磁耦機構(gòu)為由多組柱狀磁芯繞組單元串聯(lián)而成的固定結(jié)構(gòu)，所述柱狀磁芯繞組單元包括上磁芯、下磁芯以及連接二者的柱狀磁芯繞組。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)，其特征在于：所述發(fā)射側(cè)磁耦機構(gòu)中多組上磁芯首尾連接構(gòu)成環(huán)狀或多邊形的閉合回路，由下磁芯構(gòu)成的閉合回路與上磁芯相同。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)，其特征在于：所述柱狀磁芯繞組中柱狀磁芯采用圓柱體或長方體形狀。

5.一種權(quán)利要求1所述囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于：用于水下無線電能傳輸，發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)安裝于水下充電站中，多種不同的接收側(cè)磁耦合機構(gòu)分別安裝于各潛航器，囊型結(jié)構(gòu)充水前的尺寸與潛航器適配。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于：所述水下充電站包括喇叭口狀的潛航器捕獲裝置、充電艙室和充電基座；所述充電艙室安裝在充電基座上，喇叭口狀的潛航器捕獲裝置安裝在充電艙室一端，充電艙室中部內(nèi)側(cè)壁面上開設(shè)有凹槽，發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)經(jīng)注水變結(jié)構(gòu)后鑲嵌在凹槽內(nèi)；

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于：所述潛航器內(nèi)部搭載有接收側(cè)自感測量裝置，在潛航器從喇叭口狀的潛航器捕獲裝置進入充電艙室后，接收側(cè)磁耦合機構(gòu)的囊型結(jié)構(gòu)充水后膨脹的過程中，所述接收側(cè)自感測量裝置向接收側(cè)磁耦合機構(gòu)施加交流電流信號，根據(jù)交流電流信號的幅值i和頻率ω以及接收側(cè)磁耦合機構(gòu)兩端的電壓u計算接收側(cè)磁耦合機構(gòu)的自感值l，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水下無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)及其應(yīng)用。本發(fā)明設(shè)計的囊型變結(jié)構(gòu)磁耦合機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)接收側(cè)尺寸來減小發(fā)射側(cè)磁耦合機構(gòu)與接收側(cè)磁耦合機構(gòu)之間的距離，從而增大了磁耦合系數(shù)，減小了高頻電磁場在海水中的路徑，能夠提高水下無線電能傳輸?shù)墓β逝c效率。應(yīng)用本發(fā)明的水下充電站，充電基座上無需額外的夾緊裝置，通過囊型結(jié)構(gòu)充水后實現(xiàn)軸向固定，采用接收側(cè)自感判斷接收側(cè)與發(fā)射側(cè)之間的距離的方法，無需額外的測距裝置，接收側(cè)自感測量裝置集成在潛航器內(nèi)部，具有可靠性高，距離判斷準確的優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：凡紹桂,張羽,吳濤,張宇,王亞寧,李智飛,文鼎,劉瑜超
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱工程大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6