一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构与系统的制作方法

本发明涉及一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构与系统。

背景技术：

对于海域的探索、科研活动离不开水下机电装备的支持。作为水下机电装备一种主要供电方式的动力型蓄电池组，具有电压稳定、供电可靠、装卸灵活等特点；但在电池组能量耗尽时需进行二次充电。传统上，使用导体接触式的湿插拔输电接口连接水下装备与电源来进行充电。虽然这种输电接口技术相对成熟、且一次插拔后在海底可以使用较长时间，但受制于安全隐患、价格高昂、使用寿命短等因素，难以长期支持未来高密度、高强度的海洋科学研究和勘探活动。

非接触电能传输技术由于在传输过程中避免了直接物理接触和电气连接,不仅提高了传输接口的使用寿命,还可避免使用中产生电击、漏电等现象,保证使用安全。这一优势使其能够在水下电能传输中得到充分发挥作用。由于非接触电能传输无需通过挤压密封达到绝缘效果，因此通过合理的机械结构设计可以简化插拔操作，减少接口处磨损。此外，相较于传统的湿插拔导体接触式接口，非接触电能传输的制造成本和使用成本也有很大的优势。但同时，实际海况下的复杂情况，以及海水作为具有特定电特性的介质，对非接触电能传输技术在海洋环境下的应用带来诸多尤待解决的挑战与难题。

目前来说，水下无线供电系统面临的主要问题有：

(1)距离体积矛盾。在无线电能传输系统的研究中，当距离增大时，要想达到同样的电能传输效果，需要加大传输线圈的半径。而线圈半径不能无限制地增加，因此存在着增大传输距离与缩小系统体积之间的矛盾。

(2)电能传输不稳定。这是目前无线电能传输系统共同存在的一个问题，尤其对水下设备的无线供电系统要求更高。因水流冲击的影响，耦合器之间的距离不会是固定不变的，而是会发生距离的增减、位置的偏移或相对旋转。这都会对耦合器的性能产生影响。

水下充电时充电电压和充电效率的稳定是两项重要的指标。为保持充电性能的稳定，可以采用复杂的机械结构保持磁芯间隙的稳定，但这会导致结构的复杂性和系统重量的增加。设计一种电磁耦合器使得用电设备在基站充电时降低对于轴向和径向磁芯间隙的要求，显得十分必要。

为提高水下无线充电系统的电能传输稳定性，水下无线充电系统的线圈结构设计十分重要。不同于陆上无线充电系，水下由于水流的影响，发射线圈和接收线圈相对位置、距离都在实时改变，甚至会发生相对旋转，所以，陆上无线充电系统的线圈结构都不适用于水下无线充电。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构与系统，本发明的结构对轴向和径向间隙以及旋转不敏感，能够增强耦合线圈电能传输的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构，包括发射端和接收端，所述发射端和接收端均包括环状磁芯骨架和绕制在其上的线圈，其中，发射端线圈与接收端线圈相互嵌套，且具有一定间隙，彼此耦合，且耦合磁场为径向走向，实现无线电能传输。

进一步的，所述发射端线圈和接收端线圈是同心的两个圆环线圈，两线圈一大一小，一个嵌套在另外一个外边。

优选的，所述发射端线圈和接收端线圈的高度不一致。

优选的，所述发射端线圈和接收端线圈的高度一致。

所述发射端线圈和接收端线圈具有一定的高度，以保持接收端上下浮动时仍具有电能传输能力。

所述环状磁芯骨架为线圈提供磁路，以增强耦合。

优选的，所述环状磁芯骨架包括多个条状磁芯，条状磁芯之间留有空隙。

优选的，所述环状磁芯骨架为整块磁芯。

所述发射端线圈和接收端线圈由抗涡流的导线绕制而成，环状磁芯骨架的磁芯为软磁铁氧体，其厚度根据发射端线圈和接收端线圈之间的工作间隙来决定。

一种水下无线充电系统，包括上述耦合线圈和磁芯结构，其中，所述接收端设置于受电设备上，所述发射端固定于水下支架上，接收端和发射端均连接有对应的控制器，当受电设备航行至充电处，将接收线圈插进发射线圈，形成磁路耦合，进行充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的发射端和接收端线圈均为对称程度高的圆环状设计，是为了减轻水下水流的波动带来的接收端实时运动的影响；而且发射端和接收端一大一小，两者是插入式的设计，本身就有一定的位置固定作用；

(2)本发明的圆环状发射端和接收端的设计，使得接收端在受水流影响发生转动时，线圈之间的耦合程度基本不变，这就使得线圈之间的相互转动带来的影响几乎为零；

(3)当本发明的接收端晃动时，发射端和接收端不同心，但圆环线圈的好处就是两线圈不同心时一部分线圈之间的间隙反而减小，这就减小了接收端来回晃动导致的发射端和接收端线圈间隙实时可变的影响；

(4)本发明的要求发射线圈和接收线圈都具有一定高度，适当的线圈高度的设计也可以减轻接收端上下晃动带来的影响；

(5)本发明的发射端和接收端均为圆环线圈的设计，可以搭配多种磁芯结构。通过合理的磁芯结构设计，两线圈之间的耦合程度可以改变，这就为设计不同的无线充电系统准备了条件；

(6)本发明是两圆环嵌套式的无线充电线圈结构设计，两线圈之间的磁场是径向走向；

(7)本发明采用较常见的圆环形磁芯结构，材料较为常见，成本比较低，结构易于实现。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明设计的耦合线圈应用于auv无线充电的示意图；

图2(a)-图2(d)是本发明设计的耦合线圈和磁芯结构前视图、俯视图、左下等轴侧视图和右上等轴侧视图；

图3(a)-图3(c)是本发明设计的耦合结构的单端分解视图；

图4是变化的磁芯结构i；

图5是变化的磁芯结构ii；

图6是本结构的径向磁场走向图；

其中，1、发射端线圈和磁芯结构；2、接收端线圈和磁芯结构；3、发射端固定支架；4、连接电缆；5、发射端控制机箱；6、接收端控制机箱；7、电池；8、auv(无缆水下机器人)；9、发射端和接收端之间的间隙；1-1、发射端圆环形线圈；1-2、发射端磁芯骨架；2-1接收端圆环形线圈；2-2接收端磁芯骨架。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在水下无线充电发射线圈和接收线圈相对位置改变对线圈传输功率和效率的影响的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种应用于水下无线充电系统的新型耦合线圈和磁芯结构。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，它包括发射端1和接收端2组成，发射端1又由发射端线圈1-1，发射端线圈的磁芯骨架1-2组成；接收端2又由发射端线圈2-1，接收端线圈的磁芯骨架2-2组成。磁芯骨架1-2和2-2的存在是为了增强两线圈的耦合程度，提高能量传输效率。

发射端线圈1-1和接收端线圈2-1是同心的两个圆环线圈，两线圈一大一小，使用时一个嵌套在另外一个外边；所述发射端和接受端两个一大一小圆环线圈，两者的大小可以互换，即发射端既可以是大线圈，也可以是小线圈(在以下的介绍中为了方便，将大线圈作为发射端线圈1-1，小线圈作为接收端线圈2-1)；由于水下无线充电系统工作时可能会上下浮动，两个线圈均有一定的高度，以保持接收端上下浮动时良好的电能传输能力，但两者的高度可以一致也可以不一致，视具体情况而定；

线圈高度的影响因素主要是两线圈的耦合程度，和受水流的影响接收线圈上下的波动范围。两线圈越高，两线圈的耦合程度越好，根据需要的耦合程度设计线圈高度。还有，发射线圈高度要大于接收线圈上下的波动范围。

磁芯骨架也是圆环状(1-2和2-2)，但其半径略小于线圈，所以线圈可恰好绕制在圆形磁芯骨架上；

圆环磁芯骨架结构并不唯一，可以由条状磁芯组成圆环磁芯骨架，条状磁芯之间留有空隙(如图4所示)；亦可圆环骨架本身由整块磁芯组成(如图3(a)-图3(c)和图5所示)；磁芯骨架的组成可以根据要求而设计；

绕制在磁芯骨架上的发射端线圈1-1和接收端线圈2-1之间存在一定的缝隙9，该缝隙9就是无线充电系统的工作间距。该间距的大小根据具体设计来决定；

发射端线圈1-1和接收端线圈2-1由抗涡流的导线绕制而成，具体匝数由计算得到；磁芯为软磁铁氧体，其厚度可根据无线充电系统的工作间隙9来决定；

发射端圆环线圈1-1和接收端圆环线圈2-1的直径可大可小，根据具体充电系统的功率等因素而设计；

发射端圆环线圈1-1和接收端圆环线圈2-1之间的耦合磁场是径向走向的(如图6所示)。如图6所示，两线圈形成的磁场都是沿着半径方向向外发散的，发射线圈的发散磁场和接收线圈的发散磁场的交叠部分互相耦合，从而完成能量传递。

发射端圆环线圈1-1一般固定在海底支架3上，其位置比较固定；所述接收端圆环线圈2-1一般固定在受电设备上，比如auv(无缆水下机器人8)；需要充电时水下受电设备航行至充电处，将接收线圈插进发射线圈，即可充电。

发射端1由海底电缆4与发射端控制装置5相连。发射端控制装置是一个电能变换装置，将海底基站的交流电或直流电转化成发射端1可用的高频交流电，并输出可控；接收端2固定在auv上，并与auv上的接收端控制装置6相连，然后给电池7充电。在无线充电系统工作时，2中感应出高频交流电并经过接收端控制装置6的整流滤波，得到直流电给电池7充电。

磁芯骨架1-2和2-2的存在是为了增强两线圈的耦合程度，可以提高能量传输效率；当然，特殊情况也可以不添加磁芯骨架，根据需要取舍；

发射端圆环线圈1-1固定在海底支架3上，其位置比较固定；所述接收端圆环线圈2-1固定在受电设备上，比如auv(无缆水下机器人8)；需要充电时水下受电设备航行至充电处，将接收线圈插进发射线圈，即可充电；

发射端1和接收端2均为对称程度高的圆环状设计，是为了减轻水下水流的波动带来的接收端实时运动的影响；而且发射端1和接收端2一大一小，两者是插入式的设计，本身就有一定的位置固定作用；圆环状发射端1和接收端2的设计，使得线圈之间的相互转动带来的影响几乎为零；当接收端晃动时，发射端1和接收端2不同心，但圆环线圈的好处就是两线圈不同心时一部分线圈之间的间隙反而减小，这就减小了接收端来回晃动导致的发射端和接收端线圈间隙实时可变的影响；适当的线圈高度的设计也可以减轻接收端上下晃动带来的影响。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。