一种全周转向式非接触电能传输连接器装置

本申请涉及无线电能传输或无线输电技术的领域，尤其是指一种全周转向式非接触电能传输连接器装置。

背景技术：

1、近年来，随着全球海洋资源的开发，水下作业开始多元化，如海域自然环境的生态检测与维护，海洋资源的勘探检测等，这产生了对水下机电设备运用与发展的更高需求。水下探测与作业平台的能量传输能力是决定其续航时间、作业范围及功能多样化的关键，关于水下机电设备的续航能力也被提上发展议程，如何实现安全高效的水下无线电能传输成为海洋领域未来核心技术之一。在需要满足不同地形环境及工作要求的海洋环境下，对于水下电能传输装置产生了多种综合多元需求和更高的连接灵活度需求。因此，该类电能传输装置在水下搜救、海底勘探、军事侦察等领域有着广阔的应用前景。

2、目前，系泊式平台、潜标、浮标、缆式水下作业平台主要通过水密连接器进行线缆连接式电能传输，需要使用高精度水下湿式插入式连接器进行对接电源。同时，水下无线电能传输(uwpt)正在成为一种新型的水下电力传输方式。它具有传统供电方式无法比拟的技术优势，有效提高了auv(水下自主式航行器)充电的安全性、可靠性、便利性和隐蔽性。

3、综合上述两方面，搭载无线电能传输功能装置的水下连接器具有重要的实际意义。当前。用于水下有线电能传输的连接器主要有以下几种局限性：(1)传统的水密连接器以线缆连接式实现电能传输，需要使用高精度水下湿式插入式连接器进行对接电源，连接线缆的水密接插件极易受损，成本较高；(2)由于连接线缆的弯折曲率有限，缆式水下作业平台的运动性能也受到影响，与水下作业平台的连接灵活自由度受限；(3)现有的耦合器形状存在占用面积较大，对于水下平台经常发生姿态及方位角的变化，水密连接器易受干扰影响连接速度，装置抗径向偏移能力差。

4、根据上述的几点局限性，一种兼具成本低、抗径向偏移、高连接灵活度和可靠无线电能传输功能的新型水下连接装置亟待被设计应用。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种全周转向式非接触电能传输连接器装置，包括：

2、供电组件，为所述全周转向式非接触电能传输连接器装置提供直流电；

3、全桥逆变模块，接收供电组件提供的直流电，将所述直流电逆变为高频的交流电并输出；

4、原边谐振补偿模块，接收所述全桥逆变模块输出的交流电，经无功补偿后输出谐振频率的交流电；

5、全周转向式球形连接器模块，包括球头装置、球座装置、接收线圈和发射线圈，所述球头装置与球座装置相匹配，以实现球头装置与球座装置之间的全向旋转，接收线圈绕制于球头装置中，发射线圈绕制于球座装置中，发射线圈接收所述原边谐振补偿模块输出的谐振频率的交流电，并产生谐振磁场，进而使接收线圈中产生交变电流，接收线圈输出交变电流，且所述原边谐振补偿模块作为所述发射线圈的补偿模块；

6、副边谐振补偿模块，作为所述接收线圈的补偿模块；接收所述接收线圈输出的交变电流，经无功补偿后输出谐振频率的交流电；

7、全桥整流模块，接收副边谐振补偿模块发出的交流电，将所述交流电整流为直流电并输出。

8、进一步地，所述原边谐振补偿模块包括原边lcc无功功率补偿网络模块，所述原边lcc无功功率补偿网络模块包括接入发射线圈输入端的发射端补偿电感、与发射线圈串联连接的发射线圈补偿电容、与发射线圈并联连接的补偿电容；为使发射线圈达到谐振频率，原边谐振补偿模块总体上呈现阻态；

9、所述副边谐振补偿模块包括副边lcc无功功率补偿网络模块，所述副边lcc无功功率补偿网络模块包括接入接收线圈输出端的接收端补偿电感、与接收线圈串联连接的接收线圈补偿电容、与接收线圈并联连接的补偿电容；为使接收线圈达到谐振频率，副边谐振补偿模块总体上呈现阻态。

10、本发明还提供了一种基于所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置的电能传输方法，供电组件为所述全周转向式非接触电能传输连接器装置提供直流电，所述直流电经全桥整流模块逆变为交流电，所述交流电作为原边谐振补偿模块的输入，所述原边谐振补偿模块经无功补偿后输出谐振频率的交流电，发射线圈接收所述原边谐振补偿模块输出的谐振频率的交流电，并产生谐振磁场，进而使接收线圈中产生交变电流，接收线圈输出交变电流给所述副边谐振补偿模块，所述副边谐振补偿模块经无功补偿后输出谐振频率的交流电给所述全桥整流模块，所述全桥整流模块将所述交流电整流为直流电；所述直流电输出给所述需要被供电的外部设备。

11、本发明相较于现有技术有如下有益效果：

12、(1)本发明针对水下工作环境下抗偏移性和电能传输稳定性的需求利用全周式可转向连接器结构特性，实现了球头与球座之间除轴向旋转外，还可完成径向旋转，同时发射线圈与接收线圈之间没有直接的电气连接，增加了运动灵活度与使用便捷性，具有良好的实际应用价值；

13、(2)本发明选择了合理的电压、电流、电平和谐振频率，减少了不必要的涡流损耗，并采用高强度绝缘外壳，减少了压磁效应和寄生电容，提高了传输效率。设计了具有较强的抗失调能力的磁耦合器和lcc-lcc拓扑结构提高了抗偏移稳定性。对系统进行了严格的电磁兼容性(emc)设计，确保了一次侧和二次侧耦合产生的电磁场不会影响auv内电子设备的正常工作，确保了系统的电磁兼容性；

14、(3)本发明在磁耦合器方面，通过可以装配于水下无人机的机械结构，对平行与非平行的载流导线间的互感计算，可以设定某一分界角度，通过将线圈的终止角度均小于分界角度的近似为平面螺旋线圈，起始角度大于分界角度时可近似为轴向螺旋线圈，设计选取了合适的线圈结构组合方式，分析了适用于此类机械结构的不同类型磁耦合器的自感、互感与损耗等，提高了电能传输的效率；

15、(4)本发明设计了一套适用于传输功率1kw的水下无线电能传输(uwpt)的耦合器，具有较强的抗失调能力。并且构建了一个采用具有恒流特性的lcc-lcc补偿拓扑uwpt原型来验证分析，在磁耦合器偏移情形互感变化工况下，保证了电流原副边线圈电流呈收敛变化趋势，防止了过大的电流应力对系统造成影响，可实现较大偏移情形下的高效率水下无线电能传输。相比传统方法中的线缆式传输方式，本发明能够更加灵活地应对不同的任务需求。

16、(5)本发明采用无线电能传输的方式，在保证可靠电能传输的同时，省去了传统的水密连接器需要使用的易受损常更换的高精度水下湿式插入式连接器，和对于高精度控制有关的传感设备，有效降低了电能传输连接装置的成本。

技术特征：

1.一种全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，所述球头装置为圆球体状装置，实现全周转向；球座装置为有球体形状凹陷的底座装置，以实现球头装置与球座装置之间的全周转向；接收线圈以圆形螺旋线圈形式绕制于球头装置中，发射线圈以圆形螺旋线圈形式绕制于球座装置中。

3.根据权利要求1所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，所述原边谐振补偿模块包括原边lcc无功功率补偿网络模块，所述原边lcc无功功率补偿网络模块包括接入发射线圈输入端的发射端补偿电感、与发射线圈串联连接的发射线圈补偿电容、与发射线圈并联连接的补偿电容；为使发射线圈达到谐振频率，原边谐振补偿模块总体上呈现阻态；

4.根据权利要求1所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，所述全桥整流模块与所述全桥逆变模块均由stm32单片机提供控制驱动；所述原边谐振补偿模块与所述副边谐振补偿模块的工作频率均为所述全周转向式非接触电能传输连接器装置的本征频率，由所述全周转向式非接触电能传输连接器装置参数决定。

5.根据权利要求1所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，所述发射线圈与所述接收线圈的连接为具有电气隔离的无线连接，通过谐振磁场从发射线圈将电能传输到接收线圈，位于球头装置中的发射线圈与位于球座装置中的接收线圈构成松耦合器。

6.根据权利要求2所述全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，所述发射线圈与接收线圈采用如下步骤设计：

7.根据权利要求6所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，所述步骤3中，所述接收线圈的起始角度和终止角度为接收线圈于球头装置的球面上的绕制角度；所述发射线圈的起始角度和终止角度为发射线圈绕制于球座装置中的绕制角度。

8.根据权利要求6所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置，其特征在于，步骤3中，所述互感偏移角度比值曲线由分别在接收线圈径向偏移角度为1°到45°情况下的互感与无径向角度偏移时的互感进行比值得到的。

9.一种基于权利要求6所述的全周转向式非接触电能传输连接器装置的电能传输方法，其特征在于，供电组件为所述全周转向式非接触电能传输连接器装置提供直流电，所述直流电经全桥整流模块逆变为交流电，所述交流电作为原边谐振补偿模块的输入，所述原边谐振补偿模块经无功补偿后输出谐振频率的交流电，发射线圈接收所述原边谐振补偿模块输出的谐振频率的交流电，并产生谐振磁场，进而使接收线圈中产生交变电流，接收线圈输出交变电流给所述副边谐振补偿模块，所述副边谐振补偿模块经无功补偿后输出谐振频率的交流电给所述全桥整流模块，所述全桥整流模块将所述交流电整流为直流电；所述直流电输出给所述需要被供电的外部设备。

技术总结
本发明提供一种全周转向式非接触电能传输连接器装置，包括供电组件、全桥逆变模块、原边谐振补偿模块、全周转向式球形连接器模块、副边谐振补偿模块和全桥整流模块。供电组件为装置提供所需的供电电压。全周转向式球形连接器模块实现球头装置和球座装置之间的径向旋转，接收线圈和发射线圈分别位于球头装置和球座装置中。原副边谐振补偿模块包括原、副LCC无功功率补偿网络模块和原、副边线圈电感。本发明利用全周可转向式电能传输连接器，可以在连接器发生径向偏移时，装置的互感和耦合系数会自动进行调节，确保装置在更大的径向角度偏移量下以较高的功率因数下安全运行，完成兼具高效性与鲁棒性的更高连接灵活度下的可靠传输。

技术研发人员：周晶,沈致远,车宇超,赵黎明
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7