基于电场耦合的圆柱形四极板结构水下无线电能传输装置的制作方法

本实用新型属于无线电能传输技术领域，涉及一种基于电场耦合的圆柱形四极板结构水下无线电能传输装置。

背景技术：

如今，水下探测设备的应用越来越广泛，从原有的电缆连接供电，渐渐发展为自备电源供电。但这两种方式都需要探测设备在使用一段时间后，回到水面重新充电，这一过程无疑会浪费大量时间，而过于频繁的插拔电连接件也会对连接器造成损耗。

如若使用无线电能传输技术，在水下直接给探测设备供电，能缩短充电时间，提高工作效率，避免漏电等不安全因素。对于传统的磁场耦合方式，在水下环境中，由于水介质并不纯净，有一定的电导率，会引起涡流损耗；加之磁场不能穿越金属障碍，而且对设备会产生电磁干扰，导致传输效率大幅降低。相比之下，应用电场耦合的无线电能传输方式则更具优势：

1)由于运用电场耦合原理，在水下，特别是海水中优势显著，不产生涡流，能量损耗较小。

2)耦合电场基本被限制在电容极板之间，电磁辐射大大减少，降低了对系统的电磁干扰。

3)通过电场传输能量不会被金属障碍物阻隔。

4)电场耦合系统体积小，重量轻，系统发热小。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供一种基于电场耦合的圆柱形四极板结构水下无线电能传输装置，使之在水中工作，为水下设备供电。

本实用新型的技术方案：

一种基于电场耦合的圆柱形四极板结构水下无线电能传输装置，包括发射部分和接收部分；

所述的发射部分安装在充电基站1中，包括供电电源、高频逆变模块、谐振补偿模块和电能发射端4；所述的充电基站1中沿水平方向设有圆柱形的充电通道2，充电通道2内的下部设有平台3，用于放置水下探测器10；所述的电能发射端4共两个，对称安装在充电通道2的内壁上，电能发射端4为空心的圆柱形结构；所述的供电电源、高频逆变模块和谐振补偿模块顺次相连后，再与电能发射端4相连，提供电能；

所述的接收部分安装在水下探测器10中，包括电能接收端5、整流模块和水下探测器电池；所述的电能接收端5为空心的圆柱形结构，共两个，对称套装在水下探测器10外表面；电能接收端5与整流模块相连后，再与水下探测器电池相连；所述的发射部分与接收部分对接后，发射部分与接收部分最终形成闭合的回路，为水下探测器电池充电；

所述的电能发射端4与电能接收端5的圆柱壁分为四层，由外至内依次为电容极板6、绝缘保护层7、密封防水层8和缓冲保护层9，以适应水下工作条件，减轻物体碰撞对装置造成的损耗；电能发射端4的电容极板6作为发射电极，电能接收端5的电容极板6作为接收电极，电能发射端4的内直径大于电能接收端5的内直径，电能接收端5在电能发射端4中自由旋转；

当水下探测器10不需要充电时，水下探测器10与充电基站1分离；当水下探测器10需要充电时，水下探测器10进入位于充电基站1的充电通道2内，置于平台3上，使水下探测器10外表面的电能接收端5与充电基站1中的电能发射端4同轴；两组电能发射端4与电能接收端5形成圆柱形四极板电场耦合机构；充电基站1中的供电电源为高频逆变模块供电，高频逆变模块输出的交流电经谐振补偿模块后，输送到电能发射端4；电能发射端4的电能通过电场耦合的方式传递给电能接收端5；电能接收端5接收的交流电经整流模块后整流为直流电，为水下探测器电池充电，实现了基于电场耦合的圆柱形四极板结构水下无线电能传输。

所述的高频逆变模块主要由PWM发生电路、光耦隔离电路、驱动电路和基于MOSFET的全桥逆变电路构成；所述的谐振补偿模块为LC补偿电路。

所述的电容极板6的材质为铜或铝。

所述的绝缘保护层7的材质为电气绝缘材料，如陶瓷。

所述的缓冲保护层9的材质为橡胶。

工作原理：水下探测器10在水下充电时可能受到水流的影响而发生相对旋转运动，此时使用本实用新型装置更具有优势，本实用新型装置可以为各种状态下的水下探测器10进行无线电能传输。在该装置中，位于充电基站1中的两个较大的外圆柱体作为电能发射端4，位于水下探测器10内部的电能接收端5为较小的内圆柱体，电能接收端5可以自由旋转。每对耦合电极由电能发射端4的电容极板6和外电能接收端5的电容极板6组成，电能发射端4的电容极板6为发射电极，电能接收端5的电容极板6为接收电极时，将电场耦合机构等效为电容，等效电容可表示为：其中ε0、εr、h、ln、rout、rin分别表示真空介电常数、相对介电常数、圆柱体的高度、自然对数、外圆柱体的半径和内圆柱体的半径。同时，可以使用较小的内圆柱体来增大总的耦合面积，以适应水下工作环境。

本实用新型适用于为长时间水下工作的探测器进行无线电能传输。

本实用新型的有益效果：

(1)组成部件均为成熟的工业产品，容易实施。

(2)使用无线电能传输技术，避免过于频繁的插拔电连接件对连接器造成损耗。

(3)在水下为设备供电，避免探测器回到水面重新充电而浪费时间。

(4)通过电场传输能量不会被金属障碍物阻隔。

(5)运用电场耦合原理，在水下，特别是海水中优势显著，不产生涡流，能量损耗较小。

(6)耦合电场基本被限制在电容极板之间，电磁辐射大大减少，降低了对系统的电磁干扰。

附图说明

图1(a)是本实用新型装置的接收端的xz平面示意图。

图1(b)是本实用新型装置的发射端的xz平面示意图。

图2是水下探测器停放在充电通道内部的平台时的zy平面视图。

图3是无线电能传输装置主要组成示意图。

图4(a)是电场耦合机构示意图。

图4(b)是电能发射端和电能接收端的剖面图。

图5是高频逆变模块示意图。

图中：1充电基站；2充电通道；3平台；4电能发射端；5电能接收端；6电容极板；7绝缘保护层；8密封防水层；9缓冲保护层；10水下探测器。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。

一种基于电场耦合的圆柱形四极板结构水下无线电能传输装置的实施步骤如下：

图1(a)、图1(b)、图2所示是本实用新型装置的xz平面、zy平面视图。所安装的充电基站1位于30米深海域，最大传输功率为200W。充电基站1内部存在一条充电通道2，充电时，水下探测器10停置于充电通道内部的平台3上，使水下探测器10内部的电能接收端5与充电基站1中的电能发射端4的轴线位于同一水平面上。电能接收端5的两圆柱形的电容极板6与电能发射端4的两圆柱形的电容极板6构成圆柱形四极板电场耦合机构，通过此圆柱形四极板电场耦合机构实现无线电能传输。

图3所示是无线电能传输装置主要组成示意图。其中高频逆变模块可提供频率高达1MHz的交流电，经谐振补偿模块减小系统无功功率，通过圆柱形四极板电场耦合机构实现无线电能传输。

图4所示是电场耦合机构示意图。在水下环境，受水流的影响，水下探测器10可能会移动，与充电通道2发生碰撞，缓冲保护层9可减轻碰撞带来的损耗。同时水下探测器10也可能受到水流的影响而发生相对旋转运动，使用的圆柱形四极板电场耦合机构适合于电能发射端4与电能接收端5有相对旋转运动的应用场合，在此情况下保证电能传输的稳定。

图5所示是高频逆变模块示意图。该电路可在1MHz的工作频率下，提供稳定的交流信号。设置较高的工作频率设置可使谐振补偿模块所需的电感相对较小，节约空间，减小电磁干扰，提高系统工作的稳定性。

本实用新型通过对典型单电容、两极板的耦合机构优缺点的分析，研究出一种新型的耦合机构，增加了一对极板，并将极板形状选为圆柱形。与传统磁场耦合相比，应用电场耦合的无线电能传输方式则更具优势。在水下，特别是海水中优势显著，不产生涡流，能量损耗较小。耦合电场基本被限制在电容极板之间，电磁辐射大大减少，降低了对系统的电磁干扰，并且通过电场传输能量不会被金属障碍物阻隔。传统的探测设备在使用一段时间后，回到水面重新充电，这一过程无疑会浪费大量时间，而过于频繁的插拔电连接件也会对连接器造成损耗。本实用新型在水下直接给探测设备供电，能缩短充电时间，提高工作效率，避免漏电等不安全因素。