非接触式能量传输结构及水下航行器授电系统

摘要

本发明公开了一种非接触式能量传输结构及水下航行器授电系统。所述非接触式能量传输结构，包括至少一个耦合单元，所述耦合单元包括相对设置的初级单元和次级单元，所述初级单元包括初级铁芯和绕制在所述初级铁芯上的初级线圈，所述次级单元包括次级铁芯和绕制在所述次级铁芯上的次级线圈，所述初级铁芯和次级铁芯为弧形。本发明提供的非接触式能量传输结构，由于其加入铁芯，而且ε型铁芯为圆弧形，可以最大程度减小气隙。同时对称使用的耦合单元因相互吸引的电磁力可以保证初级单元与次级单元对准，这些都将提高耦合系数，从而提高非接触式电能传输效率。

说明书

技术领域

本发明涉及非接触式充电领域，具体涉及一种用于水下无人航行器的非接触式能量传输的磁场耦合结构及水下航行器授电系统。

背景技术

自主式水下航行器AUV(Autonomous underwater vehicle)作为一种探索海底世界的重要工具，在民用以及军用领域得到越来越广泛的应用。但由于受到自身体积与电池容量限制，AUV不能够长时间在水下工作，现有的能量传输较多采用湿插拔接头，而且必须打捞回收后进行充电，探测范围受到限制；同时必须有保障船辅助，所以无法实现无人职守，降低了AUV的工作效率和隐蔽性。

非接触电能传输技术能够让AUV电路系统与外界环境有良好的隔离效果，免受环境因素的影响，避免了短路等隐患，可靠性高，是目前水下AUV自主、快速、高效地完成电能传输的理想选择。

现有的非接触式能量传输技术，根据传输原理，主要分为三类：基于感应耦合方式的近距离非接触式能量传输、基于磁耦合谐振方式的中等距离非接触式能量传输和基于微波方式的长距离非接触式能量传输。感应耦合技术是一种贴近型的非接触式能量传输方式，传输距离一般只有几十毫米，需要对准磁场耦合装置即松耦合器的初级、次级。磁耦合谐振技术利用两个相同谐振频率的线圈，相距一定的距离时产生谐振传递能量。激光微波对传输介质中的生物体会产生影响，对环境有一定危害，且近距离传输时效率低，所以不适合AUV的电能传输。

现有的非接触式能量传输的磁场耦合装置设计，大部分应用于电动汽车的充电，和电动牙刷、保温杯等小功率电器的充电系统。其磁场耦合装置的设计大部分是平面贴合型的。而由于AUV的圆筒外形的特点以及其所处的海水环境的特殊性，使现有的非接触式能量传输的磁场耦合装置用于AUV时传输的效率比较低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种非接触式能量传输结构及水下航行器授电系统。

第一方面，提供一种非接触式能量传输结构，包括至少一个耦合单元，所述耦合单元包括相对设置的初级单元和次级单元，所述初级单元包括初级铁芯和绕制在所述初级铁芯上的初级线圈，所述次级单元包括次级铁芯和绕制在所述次级铁芯上的次级线圈，所述初级铁芯和次级铁芯为弧形。

优选地，包括多个所述耦合单元，多个所述耦合单元为偶数个，并且，偶数个所述耦合单元对称设置。

优选地，所述初级铁芯包括初级铁芯连接部、初级铁芯中心柱和初级铁芯边柱，所述初级铁芯中心柱的第一端和所述初级铁芯边柱的第一端均连接到所述初级铁芯连接部的第一面上，所述初级铁芯中心柱的第二端和初级铁芯边柱的第二端为自由端，所述初级线圈绕制在所述初级铁芯中心柱上。

优选地，所述初级铁芯中心柱设有一个，所述初级铁芯边柱设置有两个，所述初级铁芯中心柱与两个所述初级铁芯边柱间隔一定距离的设置在两个所述初级铁芯边柱之间。

优选地，所述初级铁芯连接部上与第一面相对的第二面为曲面，且，所述初级铁芯中心柱的第二端的端面和所述初级铁芯边柱的第二端的端面位于同一个与所述初级铁芯连接部的第二面曲率相同的曲面上。

优选地，所述初级铁芯连接部的第二面为向远离所述第一面的方向外凸形成的曲面，两个所述初级铁芯中心柱的第二端的端面和所述初级铁芯边柱第二端的端面所在的曲面为向靠近所述初级铁芯连接部的方向内凹形成的曲面。

优选地，所述次级铁芯包括次级铁芯连接部、次级铁芯中心柱和次级铁芯边柱，所述次级铁芯中心柱的第一端和所述次级铁芯边柱的第一端均连接到所述次级铁芯连接部的第一面上，所述次级铁芯中心柱的第二端和次级铁芯边柱的第二端为自由端，所述次级线圈绕制在所述次级铁芯中心柱上。

优选地，所述次级铁芯中心柱设有一个，所述次级铁芯边柱设置有两个，所述次级铁芯中心柱与两个所述次级铁芯边柱间隔一定距离的设置在两个所述次级铁芯边柱之间。

优选地，所述次级铁芯连接部上与第一面相对的第二面为曲面，且，所述次级铁芯中心柱的第二端的端面和所述次级铁芯边柱的第二端的端面位于同一个与所述次级铁芯连接部的第二面曲率相同的曲面上。

优选地，所述次级铁芯连接部的第二面为向靠近所述第一面的方向内凹形成的曲面，两个所述次级铁芯中心柱的第二端的端面和所述次级铁芯边柱第二端的端面所在的曲面为向远离所述次级铁芯连接部的方向外凸形成的曲面。

第二方面，提供一种水下航行器授电系统，设置有上述非接触式能量传输结构，所述非接触式能量传输结构包括偶数个对称设置的耦合单元，所述耦合单元的初级单元能够与所述水下航行器的侧壁外表面贴合，所述耦合单元的次级单元与所述水下航行器的侧壁内表面贴合。

本发明提供的非接触式能量传输结构，由于其加入铁芯，而且ε型铁芯为圆弧形，可以最大程度减小气隙。同时对称使用的耦合单元因相互吸引的电磁力可以保证初级单元与次级单元对准，这些都将提高耦合系数，从而提高非接触式电能传输效率。

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示出单个磁场耦合单元的结构示意图；

图2示出四个磁场耦合单元与水下无人航行器的装配示意图；

图3示出四个磁场耦合单元未对准时磁力线的分布图；

图4示出四个磁场耦合单元对准时磁力线的分布图。

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。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。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。

本发明提供的非接触式能量传输结构包括多个磁场耦合单元，优选包括偶数个，偶数个所述磁场耦合单元对称设置。本发明提供的非接触式能量传输结构主要用于水下无人航行器等圆柱形结构的设备。

如图1所示，所述耦合单元1包括初级单元100和次级单元200，所述初级单元100与次级单元200对应设置。

具体地，所述初级单元100包括初级铁芯110和初级线圈120，所述初级线圈120设置在所述初级铁芯110上。所述初级铁芯110包括初级铁芯连接部111、初级铁芯中心柱112和初级铁芯边柱113，所述初级铁芯中心柱112设置有一个，所述初级铁芯边柱113设置有两个，一个所述初级铁芯中心柱112的第一端和两个所述初级铁芯边柱113的第一端均连接到所述初级铁芯连接部111的第一面上，所述初级铁芯中心柱112的第二端和初级铁芯边柱113的第二端为自由端，且所述初级铁芯中心柱112与两个所述初级铁芯边柱113均间隔一定距离的设置在两个所述初级铁芯边柱113之间。优选地，所述初级铁芯连接部111、初级铁芯中心柱112和初级铁芯边柱113一体形成。

所述初级铁芯110优选为ε型铁芯，即所述初级铁芯110整体为弧形。具体地，所述初级铁芯连接部111上与连接有所述初级铁芯中心柱112及初级铁芯边柱113的第一面相对的第二面为曲面，且，所述初级铁芯中心柱112的第二端的端面和初级铁芯边柱113的第二端的端面均为弧形面，且两个所述初级铁芯中心柱112的第二端的端面和初级铁芯边柱113第二端的端面位于同一个与所述初级铁芯连接部111的第二面曲率相同的曲面上。更进一步地，所述初级铁芯连接部111的第二面为向远离第一面的方向外凸形成的曲面，两个所述初级铁芯中心柱112的第二端的端面和初级铁芯边柱113第二端的端面所在的曲面为向靠近所述初级铁芯连接部111的方向内凹形成的曲面。所述初级线圈120绕制在所述初级铁芯中心柱112上。

所述次级单元200包括次级铁芯210和次级线圈220，所述次级线圈220设置在所述次级铁芯210上。所述次级铁芯210包括次级铁芯连接部211、次级铁芯中心柱212和次级铁芯边柱213，所述次级铁芯中心柱212设置有一个，所述次级铁芯边柱213设置有两个，一个所述次级铁芯中心柱212的第一端和两个所述次级铁芯边柱213的第二端均连接到所述次级铁芯连接部211的第一面上，所述次级铁芯中心柱212的第二端和次级铁芯边柱213的第二端为自由端，且所述次级铁芯中心柱212与两个所述次级铁芯边柱213均间隔一定距离的设置在两个所述次级铁芯边柱213之间。优选地，所述次级铁芯连接部211、次级铁芯中心柱212和次级铁芯边柱213一体形成。

所述次级铁芯210优选为与所述初级铁芯110形状对应的ε型铁芯，即所述次级铁芯210整体为与所述初级铁芯110形状对应的弧形。具体地，所述次级铁芯连接部211上与连接有所述次级铁芯中心柱212及次级铁芯边柱213的第一面相对的第二面为曲面，且，所述次级铁芯中心柱212的第二端的端面和次级铁芯边柱213的第二端的端面均为弧形面，且两个所述次级铁芯中心柱212的第二端的端面和次级铁芯边柱213第二端的端面位于同一个与所述次级铁芯连接部211的第二面曲率相同的曲面上。更进一步地，所述次级铁芯连接部211的第二面为向靠近第一面的方向内凹形成的曲面，两个所述次级铁芯中心柱212的第二端的端面和次级铁芯边柱213第二端的端面所在的曲面为向远离所述次级铁芯连接部211的方向外凸形成的曲面。所述次级线圈220绕制在所述次级铁芯中心柱212上。

进一步地，所述初级铁芯110的弧形曲率与所述次级铁芯210的弧形曲率相同，且在使用时，所述初级铁芯110上的初级铁芯中心柱112的第二端和初级铁芯边柱113的第二端与所述次级铁芯210上的次级铁芯中心柱212的第二端和次级铁芯边柱213的第二端相靠近设置，并在所述初级铁芯110与次级铁芯210之间形成气隙。

更进一步地，在使用时，所述初级单元100位于设备壳体的外侧，所述次级单元200位于设备壳体的内侧，且，所述初级铁芯110上的初级铁芯中心柱112的第二端和初级铁芯边柱113的第二端与壳体的外壁接触，所述次级铁芯210上的次级铁芯中心柱212的第二端和次级铁芯边柱213的第二端与壳体的内壁接触。为了保证所述初级单元100和次级单元200均能与壳体紧密贴合，所述初级铁芯110和次级铁芯210的曲率均与壳体的曲率相同，进而使壳体的厚度即为所述初级铁芯110与次级铁芯210之间的气隙，保证了气隙的均匀并使气隙最小，有利于提高耦合系数。

下面结合具体应用介绍本发明中的非接触式能量传输结构：

如图2所示，在水下无人航行器2中应用本发明提供的非接触式能量传输结构，运用于水下无人航行器2的非接触式能量传输。所述水下无人航行器2上相对应的设置有四个所述耦合单元1。所述耦合单元1的初级单元100和次级单元200分别位于所述水下无人航行器2的壳体外和壳体内。所述初级铁芯110和次级铁芯210的曲率均与壳体的曲率相同，所述初级铁芯110和次级铁芯210紧密贴合在壳体上。进一步地，由于对称的设置有四个所述耦合单元1，磁极对称可加强相互吸引的电磁力，利于所述初级单元100和次级单元200位置的对准。

如图3所示，为所述初级单元100和次级单元200未对准时磁力线分布图。可见，磁力线通过铁芯穿过所述初级线圈120和次级线圈220，但由于位置未对准磁力线发生了变形。此时由磁场分析软件求解此时的电磁力，发现出现很大的水平电磁力，力的方向是将铁芯向对准的位置移动。

具体分析如下：

在有限元仿真中，对于单个ε型铁芯磁场耦合装置偏心时的电磁力进行具体的对比分析。在单个ε型铁芯磁场耦合装置的电压激励、气隙等变量均相同的情况下，控制次级铁芯及次级线圈的逆时针偏心角度这一变量，设置逆时针偏心由0°到5°，步长为1°，观察电磁力的变化。F(x)为x坐标轴方向电磁分力，F(y)为y坐标轴方向电磁分力，F为总电磁力。随着铁芯位置的逆时针偏心程度越来越大，耦合能力变弱，表现为总体电磁力F逐渐变小。但是其x轴方向的电磁分力F(x)由0开始增大，想要将次级铁芯装置向无偏心的位置移动。由此可见，所述初级铁芯110和次级铁芯210之间的电磁力是相互吸引的，有利于所述初级铁芯110和次级铁芯210位置的对准，从而达到更好耦合效果。

如图4所示，为所述初级单元100和次级单元200对准时磁力线分布图。可见，由于铁氧体ε型铁芯的存在，引导磁力线通过初级和次级线圈。在这种情况下，铁氧体铁芯限制了磁通量的损失，将会对耦合系数带来很大的提高。

本发明提供的非接触式能量传输结构，由于其加入铁芯，而且ε型铁芯为圆弧形，可以最大程度减小气隙。同时对称使用的耦合单元因相互吸引的电磁力可以保证初级单元与次级单元对准，这些都将提高耦合系数，从而提高非接触式电能传输效率。

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。