无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统的制作方法

本发明涉及无线充电技术领域，特别是一种无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统。

背景技术：

海洋中蕴藏着大量的生物资源和矿产资源，但人类对于海洋的了解还少之甚少。自主式水下航行器auv(autonomousunderwatervehicle)正是帮助人类认识海洋、探索海洋的重要工具。近些年，尽管auv已经在海洋国防安全、海洋环境观测、海洋资源勘探等方面发挥了重要作用。但受auv自身体积和负载能力限制，所搭载的电池容量有限，续航问题一直限制了auv的进一步发展。对auv进行充电的传统方法有两种：第一种是每次auv电池电量耗尽时，打捞至母船，打开电池仓更换满电的电池或接入外部充电电路进行充电，这种方式过于繁琐，并且增加了运行和维护的成本；另一种方式是采用湿插拔的水密插头，这种方式不需要再每次打开电池仓，但是湿插拔的水密插头经过多次插拔操作后会发生老化，有短路的危险。此外，以上两种方式都需要母船作为保障，降低了auv的隐蔽性，而且必须有人为干预，降低了auv的工作效率，无法实现无人值守的目标。

以非导线接触的方式对auv进行无线充电的方法不会产生电火花、不需要人为干预，是解决auv续航问题、实现无人值守目标的理想方法。目前，已经提出一些对auv进行无线充电的磁耦合装置，在发射端，常常将发射线圈缠绕于发射磁芯上，造成发射线圈的形状、匝数受发射磁芯的限制，造成发射线圈的设置受限；且在海底充电时，发射磁芯与auv基本贴合，受海水压力影响，发射端的壳体被挤压，直接导致发射磁芯受压，甚至变形，造成发射磁芯的磁导率发生变化，影响系统的正常工作。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种无线充电的磁耦合结构及自主式水下航行器系统。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种无线充电的磁耦合结构，应用于自主式水下航行器，包括设置在充电坞上的发射端和设置在自主式水下航行器上的接收端，所述发射端包括发射线圈和设置于所述发射线圈的远离所述自主式水下航行器一侧的发射磁芯，所述发射磁芯与所述自主式水下航行器之间留有距离。

可选地，所述距离的最小尺寸为所述发射线圈的厚度。

可选地，所述发射磁芯和所述发射线圈中，至少一者的轮廓与所述自主式水下航行器的轮廓一致。

可选地，所述发射线圈包括沿所述自主式水下航行器的周向布置的第一线圈和第二线圈。

可选地，所述接收端包括接收线圈，所述接收线圈为空心线圈。

可选地，所述接收线圈沿所述自主式水下航行器的径向设置。

可选地，所述发射端和所述接收线圈均设有一个，所述接收线圈的一端与所述自主式水下航行器的内壁贴合，另一端沿所述自主式水下航行器的径向延伸。

可选地，所述接收线圈沿所述径向的尺寸小于或者等于所述自主式水下航行器的半径。

可选地，所述发射端沿所述自主式水下航行器的径向相对设置有两个；

两个所述发射端之间设置有一个所述接收线圈，所述接收线圈沿所述自主式水下航行器径向的两端均与所述自主式水下航行器的内壁贴合；

或者，

两个所述发射端之间设置有两个所述接收线圈，两个所述接收线圈沿两个所述发射线圈的相对方向排布。

本发明的另一方面提供了一种自主式水下航行器系统，包括自主式水下航行器和对自主式水下航行器进行无线充电的充电坞，所述系统包括如上任一项所述的磁耦合结构，其中，所述发射端设置在所述充电坞上，所述接收端设置在所述自主式水下航行器上。

本发明提供的无线充电的磁耦合结构，能够帮助水下自主航行器实现海底无线充电，解决了自主式水下航行器续航能力差、充电困难的问题。该磁耦合结构的发射端，在发射线圈的一侧设置发射磁芯，降低了发射磁芯对发射线圈的限制，增加了发射线圈设置的灵活性；且发射磁芯与自主式水下航行器之间留有距离，在海底充电时，即使受海水压力影响，发射端的壳体受压变形，也不会直接与发射磁芯贴合，发射磁芯不会感知该压力，因此，基本不会影响发射磁芯的磁导率，进而保证整个充电系统的正常运行，从而提高磁耦合结构对水下无线充电的适应性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明提供的磁耦合结构中发射端的一种具体实施例的结构示意图；

图2示出本发明提供的磁耦合结构中发射磁芯的一种具体实施例的结构示意图；

图3示出本发明提供的磁耦合结构的一种具体实施例的结构示意图；

图4示出本发明提供的磁耦合结构的另一种具体实施例的结构示意图；

图5示出本发明提供的磁耦合结构的又一种具体实施例的结构示意图；

图6本发明具体提供的自主式水下航向器系统进行充电时的结构示意图。

图中，

1、自主式水下航行器；

2、发射端；21、发射线圈；211、第一线圈；212、第二线圈；22、发射磁芯；

3、接收端；31、接收线圈。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请提供了一种自主式水下航行器系统，如图6所示，包括自主式水下航行器1、对自主式水下航行器1进行无线充电的充电坞以及磁耦合结构。如图1-6所示，磁耦合结构包括设置在充电坞上的发射端2和设置在自主式水下航行器1上的接收端3，发射端2包括发射线圈21和设置于发射线圈21的远离自主式水下航行器1一侧的发射磁芯22，发射磁芯22与自主式水下航行器1之间留有距离，即发射线圈21不绕设在发射磁芯22上。在自主式水下航行器1充电时，发射线圈21与自主式水下航行器1的外表面基本贴合，发射端2与接收端3通过无线方式进行充电。

上述这种磁耦合结构，能够帮助自主式水下航行器实现海底无线充电，解决了自主式水下航行器1续航能力差、充电困难的问题。在一种实施例中，发射磁芯具有两个绕线部，发射线圈分别绕各绕线部绕制，这种结构，两个绕线部之间的空间有限，因此，在发射磁芯确定后，发射线圈的单圈直径和匝数就确定了，造成发射线圈受发射磁芯限制。而本发明的磁耦合结构的发射端2，在发射线圈21的一侧设置发射磁芯22，发射磁芯22不设置绕线部，直接位于发射线圈21的一侧，如此，发射线圈21的线圈直径和匝数不受发射磁芯22的限制，可以根据系统参数要求自由调整，因此，增加了发射线圈21设置的灵活性；且由于发射磁芯22硬度和脆性比较大，不设置绕线部，还能够便于发射磁芯22的加工；同时，该磁耦合结构不需要改变自主式水下航行器1的外形，降低了现有自主式水下航行器1的改造成本。

可以理解地，发射端2和接收端3均包括壳体，自主式水下航行器1在水下进行充电时，虽然发射端2和接收端3受自身壳体的保护，但受海水压力的影响，外壳还是会有微小变形，若发射磁芯22与自主式水下航行器1基本贴合(即发射磁芯22与发射端2的壳体贴合)，发射磁芯在壳体变形时受到压力，导致自身的磁导率等参数发生变化，造成在地面调试好的的参数实际使用中发生变化，影响整个系统正常工作。而采用本发明的磁耦合结构，发射磁芯22与自主式水下航行器1之间留有距离，即发射磁芯22与发射端2的壳体间隔设置，即使壳体在海水压力的作用下发生微小变形，也不会传递到发射磁芯22，同时，发射磁芯22与壳体(或者自主式水下航行器1)之间的距离还能够对海水的压力起到缓冲的作用，因此，发射磁芯22的磁导率等参数不会受到影响，从而能够保证整个系统的正常工作，从而提高磁耦合结构对水下无线充电的适应性。

进一步地，上述距离的最小尺寸为发射线圈21的厚度，在发射线圈21为平面线圈时，上述距离的最小尺寸为发射线圈21的线圈直径，即发射磁芯22与自主式水下航行器1之间的最小距离为发射线圈21的线圈直径。

上述发射磁芯22和发射线圈21中，至少一者的轮廓与自主式水下航行器1的轮廓一致，也就是说，发射线圈21或者发射磁芯22的轮廓与自主式水下航行器1的轮廓一致，也可以发射线圈21与发射磁芯22均与自主式水下航行器1的轮廓一致，需要说明的是，上述轮廓一致指发射线圈21或者发射磁芯22的形状与贴合于自主式水下航行器1处的形状相同，如图2-图6所示，自主式水下航行器1为圆柱状结构，发射线圈21与发射磁芯靠近自主式水下航行器1的一面呈圆柱面，在自主式水下航行器1充电时，发射线圈21的各处与自主式水下航行器1均能够贴合，从而提高自主式水下航行器1的充电效率。

各发射端2，发射磁芯22为软磁体磁芯，软磁体磁芯的材料可以是铁氧体或软磁合金，通过添加软磁体磁芯能够提高磁耦合结构的耦合能力、减少磁耦合结构的漏磁。发射磁芯22可以设置有一个，也可以设置有多个，如两个、三个或者更多个，在设有一个发射磁芯22时，发射磁芯22可以呈沿自主式水下航行器1的周向延伸的条形结构，条形结构的宽度小于发射线圈21的宽度。其中，宽度指沿自主式水下航行器1轴向的尺寸。

一种实施例中，各发射端2中的发射线圈21包括沿自主式水下航行器1的周向布置的第一线圈211和第二线圈212，参考图1、图3-图6，第一线圈211和第二线圈212的匝数可以相等，也可以不相等，各自可以为多层线圈，也可以为单层线圈。优选地，第一线圈211和第二线圈212在自主式水下航行器1的周向上紧密排布。在自主式水下航行器1充电状态下，第一线圈211和第二线圈212相邻部分的电流走向相同。在这种实施例中，优选发射磁芯22横跨第一线圈211和第二线圈212，可以由第一线圈211的中心延伸至第二线圈212的中心。实际制造时，可以先绕制好第一线圈211和第二线圈212，然后将第一线圈211和第二线圈212紧挨着排列，接着将发射磁芯22贴合至第一线圈211和第二线圈212的同侧。

需要说明的是，当第一线圈211和第二线圈212的中心区域为空心时，发射磁芯22与自主式水下航行器1(或者壳体)之间形成空隙，能够进一步对海水的压力起到缓冲作用。当第一线圈211和第二线圈212的中心区域绕满线圈时，发射磁芯22与自主式水下航行器1(或者壳体)之间充满线圈。

接收端3包括接收线圈31，接收线圈31为空心线圈，如此设置，减少了接收磁芯，减小了接收端3的体积和重量，同时减轻了自主式水下航行器1的重量。

一种实施例中，接收线圈31沿自主式水下航行器1的径向设置，即接收线圈31位于自主式水下航行器1的径向面上，如图3-图6所示，在接收线圈31为矩形线圈时，接收线圈31的相对两边沿自主式水下航行器1的轴向设置，另外的相对两边沿自主式水下航行器1的径向设置，这样，在自主式水下航行器1返回充电坞进行充电时，使接收端3位于发射端2的中部，如接收线圈31位于第一线圈211和第二线圈212相邻的部分。如此设置之后，在充电时，接收线圈31与靠近发射线圈21的部分和第一线圈211、第二线圈212中二者相邻的部分平行，能够增加无线传输的效率。

接收线圈31沿自主式水下航行器1径向的至少一端与自主式水下航行器1的内壁贴合，也就是说，接收线圈31可以仅一端与自主式水下航行器1的内壁贴合，如图3、图5所示；也可以接收线圈31的两端均与自主式水下航行器1的内壁贴合，如图4所示。

上述发射端2和接收线圈31可以分别设置有一个、两个或者更多个，具体可以采用如下设置方式：

第一种方式，发射端2和接收线圈31均设有一个，如图3所示，发射端2可以设置于自主式水下航行器1外侧的任一位置，接收线圈31的一端与自主式水下航行器1的内壁贴合，另一端沿自主式水下航行器1的径向延伸。优选地，接收线圈31沿自主式水下航行器11的径向的尺寸小于或者等于自主式水下航行器1的半径。

第二种方式，发射端2沿自主式水下航行器1的径向相对设置有两个，即两个发射端2关于自主式水下航行器1的轴线对称设置，此时，接收线圈31可以设置有一个，也可以设置有两个。

当设置有一个接收线圈31时，如图4所示，两个发射端2之间设置有一个接收线圈31，接收线圈31沿自主式水下航行器1径向的两端均与自主式水下航行器1的内壁贴合，在接收线圈31为矩形线圈时，接收线圈31的两个短边与自主式水下航行器1的轴向一致，两条长边沿自主式水下航行器1的径向设置，如此，接收线圈31在自主式水下航行器1径向的尺寸基本等于自主式水下航行器1的直径。

当设置有两个接收线圈31时，如图5所示，两个发射端2之间设置有两个接收线圈31，两个接收线圈31沿两个发射端2的相对方向(即自主式水下航行器1的径向)排布，此时，两个接收线圈31可以贴合设置，也可以之间留有间隔，在接收线圈31为矩形线圈时，各接收线圈31的两个短边与自主式水下航行器1的轴向基本一致，两条长边沿自主式水下航行器1的径向设置，优选地，各接收线圈31在自主式水下航行器1径向的尺寸小于或者等于自主式水下航行器1的半径，在自主式水下航行器1充电时，两个接收线圈31相邻部分的电流走向相反。可以理解地，在该实施例中，两个接收线圈31的匝数可以相等，也可以不相等。当然，两个接收线圈31也可以存在交叠部分，以通过交叠方式实现两个接收线圈31的去耦。

本发明的自主式水下航行器系统使用时，当自主式水下航行器1返回充电坞时，接收端3贴合自主式水下航行器1的外表面，对自主式水下航行器1进行充电。充电过程中保证每个接收线圈31位于相对应的发射端2的中心位置附近，并允许有一定错位，显然，这种自主式水下航行器系统对自主式水下航行器1非对准的容忍能力增强，能够提高充电效率。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。