本發(fā)明涉及水下航行器無(wú)線充電技術(shù)，特別是涉及一種水下航行器抗偏移無(wú)線充電耦合器。
背景技術(shù)：
1、隨著自主水下航行器（autonomous?underwater?vehicle,?auv）在海洋勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)及水下基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)等多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其高效、安全的充電需求日益凸顯。傳統(tǒng)有線充電方式需要在水下進(jìn)行物理連接，存在接口腐蝕、對(duì)接困難以及充電節(jié)點(diǎn)易受洋流沖擊等問(wèn)題。無(wú)線電能傳輸（wireless?power?transfer,?wpt）技術(shù)為auv提供了一種無(wú)需物理接觸的水下充電方式，顯著提升了作業(yè)效率與安全性。
2、但在水下環(huán)境中，auv在對(duì)接或停泊過(guò)程容易因洋流產(chǎn)生多維度的偏移，包括位置方向（水平及垂直偏移）和角度方向（旋轉(zhuǎn)偏移）。偏移會(huì)顯著降低耦合器的互感系數(shù)，造成無(wú)線能量傳輸效率驟降。為此，需要一種具有多維度抗偏移能力的耦合器結(jié)構(gòu)，以在水下航行器在水下環(huán)境中應(yīng)用時(shí)實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的能量傳輸。
3、現(xiàn)有抗偏移耦合器主要通過(guò)增加耦合器尺寸、采用覆蓋更廣的圓柱/環(huán)形結(jié)構(gòu)或?qū)⒍鄠€(gè)發(fā)射線圈分段分區(qū)域遍布來(lái)提升抗偏移性能。然而，這些方案往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料體積大、成本高，或需額外的機(jī)械及控制系統(tǒng)配合，難以同時(shí)兼顧對(duì)多維度偏移的適應(yīng)性與結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性。
4、需要說(shuō)明的是，在上述背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于對(duì)本申請(qǐng)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的主要目的在于克服上述背景技術(shù)中存在的缺陷，提供一種水下航行器抗偏移無(wú)線充電耦合器。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
3、一種水下航行器抗偏移無(wú)線充電耦合器，包括：
4、發(fā)射端線圈模塊，采用分組串繞結(jié)構(gòu)，由外圈繞組和內(nèi)圈繞組串聯(lián)構(gòu)成，并通過(guò)鐵氧體陣列固定于非金屬支架；所述外圈繞組用于提供廣域磁場(chǎng)覆蓋，所述內(nèi)圈繞組用于強(qiáng)化局部磁場(chǎng)強(qiáng)度；
5、接收端線圈模塊，呈曲面型結(jié)構(gòu)，與水下航行器艙體外殼的外形匹配以緊密貼合，其背面設(shè)置鐵氧體陣列以集中磁通；所述曲面型結(jié)構(gòu)形成弧形覆蓋角度θ，通過(guò)幾何適配設(shè)計(jì)，使旋轉(zhuǎn)偏移量δφ不超過(guò)覆蓋角度θ的預(yù)設(shè)比例，從而降低旋轉(zhuǎn)偏移對(duì)磁場(chǎng)耦合的干擾；
6、其中，所述發(fā)射端線圈模塊與接收端線圈模塊通過(guò)磁場(chǎng)耦合傳遞能量，所述分組串繞結(jié)構(gòu)與曲面型接收端的幾何適配共同實(shí)現(xiàn)水平與旋轉(zhuǎn)偏移的抗性能力。
7、進(jìn)一步地，所述分組串繞結(jié)構(gòu)的外圈繞組與內(nèi)圈繞組為同心圓布局，所述外圈繞組匝數(shù)np1大于內(nèi)圈繞組匝數(shù)np2，且內(nèi)圈繞組半徑rp2滿足即，其中wp為繞線有效線徑，避免內(nèi)外圈磁場(chǎng)重疊干擾。
8、進(jìn)一步地，所述鐵氧體陣列由片狀或條狀鐵氧體構(gòu)成，分別貼附于發(fā)射端線圈模塊及接收端線圈模塊的背面，通過(guò)環(huán)氧膠固定于非金屬基座，用于集中磁通并降低漏磁損耗。
9、進(jìn)一步地，還包括與發(fā)射端線圈模塊和接收端線圈模塊連接的控制及監(jiān)測(cè)單元，用于監(jiān)測(cè)傳輸功率、系統(tǒng)效率和偏移量，并在耦合效率低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)發(fā)出當(dāng)量報(bào)警或切換策略指令。
10、進(jìn)一步地，接收端線圈采用弧形平面繞制，從而形成所述曲面型結(jié)構(gòu)。較佳地，弧形覆蓋角度θ=60°。
11、進(jìn)一步地，所述接收端線圈的弧形覆蓋角度θ滿足δφ≤?(50%～60%)θ，以平衡局部耦合強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)冗余度。
12、所述接收端線圈的匝數(shù)ns通過(guò)耦合強(qiáng)度需求設(shè)定，其曲面型結(jié)構(gòu)參數(shù)基于航行器外殼幾何特征與抗偏移容忍度聯(lián)合優(yōu)化。
13、進(jìn)一步地，所述發(fā)射端線圈模塊與接收端線圈模塊的導(dǎo)線采用耐海水腐蝕的利茲線，外層包覆防水絕緣材料，繞線端子處涂覆環(huán)氧樹(shù)脂密封。
14、進(jìn)一步地，所述線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足零偏移耦合系數(shù)k0不低于目標(biāo)耦合系數(shù)kref，且水平偏移時(shí)互感變化量控制在5%～10%以內(nèi)。
15、進(jìn)一步地，所述非金屬支架采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所述鐵氧體陣列選用pc95材質(zhì)，二者通過(guò)耐海水粘接劑固定形成一體化封裝結(jié)構(gòu)。
16、進(jìn)一步地，所述發(fā)射端線圈模塊的外圈繞組與內(nèi)圈繞組通過(guò)同一高頻利茲線繞制。較佳地，外圈繞組單層螺旋繞制半徑rp1為175?mm，內(nèi)圈繞組單層螺旋繞制半徑rp2為110mm。
17、本發(fā)明具有如下有益效果：
18、本發(fā)明提出了一種水下航行器抗偏移無(wú)線充電耦合器，通過(guò)分組串繞結(jié)構(gòu)的發(fā)射端線圈與曲面型接收端線圈的協(xié)同設(shè)計(jì)，結(jié)合鐵氧體陣列對(duì)磁場(chǎng)的引導(dǎo)與集中，有效解決了水下航行器無(wú)線充電過(guò)程中因洋流引發(fā)的多維度偏移問(wèn)題。發(fā)射端外圈繞組提供廣域磁場(chǎng)覆蓋，內(nèi)圈繞組強(qiáng)化局部磁場(chǎng)強(qiáng)度，共同抑制水平偏移（±40?mm）與旋轉(zhuǎn)偏移（±15°）對(duì)耦合效率的影響；接收端曲面型結(jié)構(gòu)通過(guò)幾何適配優(yōu)化覆蓋角度θ，在旋轉(zhuǎn)偏移量δφ不超過(guò)θ預(yù)設(shè)比例時(shí)仍保持穩(wěn)定耦合，配合耐腐蝕材料與防水封裝設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在海水、淡水及空氣等介質(zhì)中效率波動(dòng)不超過(guò)±5%，自感/互感受介質(zhì)影響小于±2%。整體結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需復(fù)雜機(jī)械調(diào)節(jié)或冗余控制，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化（如繞組匝數(shù)分配、弧形覆蓋角度）可適配不同航行器型號(hào)，在25～35?mm傳能距離內(nèi)維持88%以上的高效能量傳輸，兼具抗偏移性能強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性廣、可擴(kuò)展性高及低成本易量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，顯著提升了水下航行器的續(xù)航能力與作業(yè)可靠性。
19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：
20、多維度抗偏移能力：通過(guò)外圈與內(nèi)圈繞組的組合設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在水平偏移、旋轉(zhuǎn)偏移以及其他復(fù)合偏移工況下均能維持較高耦合效率。
21、廣泛介質(zhì)適應(yīng)性：由于選用耐海水腐蝕的材料與優(yōu)化的線圈結(jié)構(gòu)，在海水、淡水及空氣等環(huán)境中均可保持穩(wěn)定的耦合特性，效率波動(dòng)低。
22、可拓展性強(qiáng)：在保證既定耦合效率的前提下，能夠通過(guò)有限元仿真或?qū)嶒?yàn)對(duì)線圈繞組、鐵氧體陣列布置、弧形覆蓋角度等參數(shù)做針對(duì)性調(diào)整，以適應(yīng)不同型號(hào)或尺寸的水下航行器。
23、結(jié)構(gòu)緊湊，易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；翰捎梅纸M串繞結(jié)構(gòu)的發(fā)射端線圈，與曲面型接收端線圈緊密配合，結(jié)合鐵氧體陣列提供集中磁通，整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于集成安裝與批量化生產(chǎn)。
24、本發(fā)明實(shí)施例中的其他有益效果將在下文中進(jìn)一步述及。
1.一種水下航行器抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：所述分組串繞結(jié)構(gòu)的外圈繞組與內(nèi)圈繞組為同心圓布局，所述外圈繞組匝數(shù)np1大于內(nèi)圈繞組匝數(shù)np2，且內(nèi)圈繞組半徑rp2滿足即，其中wp為繞線有效線徑，避免內(nèi)外圈磁場(chǎng)重疊干擾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：所述鐵氧體陣列由片狀或條狀鐵氧體構(gòu)成，分別貼附于發(fā)射端線圈模塊及接收端線圈模塊的背面，通過(guò)環(huán)氧膠固定于非金屬基座，用于集中磁通并降低漏磁損耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：還包括與發(fā)射端線圈模塊和接收端線圈模塊連接的控制及監(jiān)測(cè)單元，用于監(jiān)測(cè)傳輸功率、系統(tǒng)效率和偏移量，并在耦合效率低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)發(fā)出當(dāng)量報(bào)警或切換策略指令。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：接收端線圈采用弧形平面繞制，從而形成所述曲面型結(jié)構(gòu)。
6.?根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：所述接收端線圈的弧形覆蓋角度θ滿足δφ≤?(50%～60%)θ，以平衡局部耦合強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)冗余度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：所述發(fā)射端線圈模塊與接收端線圈模塊的導(dǎo)線采用耐海水腐蝕的利茲線，外層包覆防水絕緣材料，繞線端子處涂覆環(huán)氧樹(shù)脂密封。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：所述線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足零偏移耦合系數(shù)k0不低于目標(biāo)耦合系數(shù)kref，且水平偏移時(shí)互感變化量控制在5%～10%以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：所述非金屬支架采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，所述鐵氧體陣列選用pc95材質(zhì)，二者通過(guò)耐海水粘接劑固定形成一體化封裝結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的抗偏移無(wú)線充電耦合器，其特征在于：所述發(fā)射端線圈模塊的外圈繞組與內(nèi)圈繞組通過(guò)同一高頻利茲線繞制。