本發明涉及一種應用于水下無線充電的耦合線圈和磁芯結構與系統。

背景技術：

對于海域的探索、科研活動離不開水下機電裝備的支持。作為水下機電裝備一種主要供電方式的動力型蓄電池組，具有電壓穩定、供電可靠、裝卸靈活等特點；但在電池組能量耗盡時需進行二次充電。傳統上，使用導體接觸式的濕插拔輸電接口連接水下裝備與電源來進行充電。雖然這種輸電接口技術相對成熟、且一次插拔后在海底可以使用較長時間，但受制于安全隱患、價格高昂、使用壽命短等因素，難以長期支持未來高密度、高強度的海洋科學研究和勘探活動。

非接觸電能傳輸技術由于在傳輸過程中避免了直接物理接觸和電氣連接,不僅提高了傳輸接口的使用壽命,還可避免使用中產生電擊、漏電等現象,保證使用安全。這一優勢使其能夠在水下電能傳輸中得到充分發揮作用。由于非接觸電能傳輸無需通過擠壓密封達到絕緣效果，因此通過合理的機械結構設計可以簡化插拔操作，減少接口處磨損。此外，相較于傳統的濕插拔導體接觸式接口，非接觸電能傳輸的制造成本和使用成本也有很大的優勢。但同時，實際海況下的復雜情況，以及海水作為具有特定電特性的介質，對非接觸電能傳輸技術在海洋環境下的應用帶來諸多尤待解決的挑戰與難題。

目前來說，水下無線供電系統面臨的主要問題有：

(1)距離體積矛盾。在無線電能傳輸系統的研究中，當距離增大時，要想達到同樣的電能傳輸效果，需要加大傳輸線圈的半徑。而線圈半徑不能無限制地增加，因此存在著增大傳輸距離與縮小系統體積之間的矛盾。

(2)電能傳輸不穩定。這是目前無線電能傳輸系統共同存在的一個問題，尤其對水下設備的無線供電系統要求更高。因水流沖擊的影響，耦合器之間的距離不會是固定不變的，而是會發生距離的增減、位置的偏移或相對旋轉。這都會對耦合器的性能產生影響。

水下充電時充電電壓和充電效率的穩定是兩項重要的指標。為保持充電性能的穩定，可以采用復雜的機械結構保持磁芯間隙的穩定，但這會導致結構的復雜性和系統重量的增加。設計一種電磁耦合器使得用電設備在基站充電時降低對于軸向和徑向磁芯間隙的要求，顯得十分必要。

為提高水下無線充電系統的電能傳輸穩定性，水下無線充電系統的線圈結構設計十分重要。不同于陸上無線充電系，水下由于水流的影響，發射線圈和接收線圈相對位置、距離都在實時改變，甚至會發生相對旋轉，所以，陸上無線充電系統的線圈結構都不適用于水下無線充電。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種應用于水下無線充電的耦合線圈和磁芯結構與系統，本發明的結構對軸向和徑向間隙以及旋轉不敏感，能夠增強耦合線圈電能傳輸的穩定性。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種應用于水下無線充電的耦合線圈和磁芯結構，包括發射端和接收端，所述發射端和接收端均包括環狀磁芯骨架和繞制在其上的線圈，其中，發射端線圈與接收端線圈相互嵌套，且具有一定間隙，彼此耦合，且耦合磁場為徑向走向，實現無線電能傳輸。

進一步的，所述發射端線圈和接收端線圈是同心的兩個圓環線圈，兩線圈一大一小，一個嵌套在另外一個外邊。

優選的，所述發射端線圈和接收端線圈的高度不一致。

優選的，所述發射端線圈和接收端線圈的高度一致。

所述發射端線圈和接收端線圈具有一定的高度，以保持接收端上下浮動時仍具有電能傳輸能力。

所述環狀磁芯骨架為線圈提供磁路，以增強耦合。

優選的，所述環狀磁芯骨架包括多個條狀磁芯，條狀磁芯之間留有空隙。

優選的，所述環狀磁芯骨架為整塊磁芯。

所述發射端線圈和接收端線圈由抗渦流的導線繞制而成，環狀磁芯骨架的磁芯為軟磁鐵氧體，其厚度根據發射端線圈和接收端線圈之間的工作間隙來決定。

一種水下無線充電系統，包括上述耦合線圈和磁芯結構，其中，所述接收端設置于受電設備上，所述發射端固定于水下支架上，接收端和發射端均連接有對應的控制器，當受電設備航行至充電處，將接收線圈插進發射線圈，形成磁路耦合，進行充電。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明的發射端和接收端線圈均為對稱程度高的圓環狀設計，是為了減輕水下水流的波動帶來的接收端實時運動的影響；而且發射端和接收端一大一小，兩者是插入式的設計，本身就有一定的位置固定作用；

(2)本發明的圓環狀發射端和接收端的設計，使得接收端在受水流影響發生轉動時，線圈之間的耦合程度基本不變，這就使得線圈之間的相互轉動帶來的影響幾乎為零；

(3)當本發明的接收端晃動時，發射端和接收端不同心，但圓環線圈的好處就是兩線圈不同心時一部分線圈之間的間隙反而減小，這就減小了接收端來回晃動導致的發射端和接收端線圈間隙實時可變的影響；

(4)本發明的要求發射線圈和接收線圈都具有一定高度，適當的線圈高度的設計也可以減輕接收端上下晃動帶來的影響；

(5)本發明的發射端和接收端均為圓環線圈的設計，可以搭配多種磁芯結構。通過合理的磁芯結構設計，兩線圈之間的耦合程度可以改變，這就為設計不同的無線充電系統準備了條件；

(6)本發明是兩圓環嵌套式的無線充電線圈結構設計，兩線圈之間的磁場是徑向走向；

(7)本發明采用較常見的圓環形磁芯結構，材料較為常見，成本比較低，結構易于實現。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發明設計的耦合線圈應用于auv無線充電的示意圖；

圖2(a)-圖2(d)是本發明設計的耦合線圈和磁芯結構前視圖、俯視圖、左下等軸側視圖和右上等軸側視圖；

圖3(a)-圖3(c)是本發明設計的耦合結構的單端分解視圖；

圖4是變化的磁芯結構i；

圖5是變化的磁芯結構ii；

圖6是本結構的徑向磁場走向圖；

其中，1、發射端線圈和磁芯結構；2、接收端線圈和磁芯結構；3、發射端固定支架；4、連接電纜；5、發射端控制機箱；6、接收端控制機箱；7、電池；8、auv(無纜水下機器人)；9、發射端和接收端之間的間隙；1-1、發射端圓環形線圈；1-2、發射端磁芯骨架；2-1接收端圓環形線圈；2-2接收端磁芯骨架。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，現有技術中存在水下無線充電發射線圈和接收線圈相對位置改變對線圈傳輸功率和效率的影響的不足，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種應用于水下無線充電系統的新型耦合線圈和磁芯結構。

本申請的一種典型的實施方式中，如圖1所示，它包括發射端1和接收端2組成，發射端1又由發射端線圈1-1，發射端線圈的磁芯骨架1-2組成；接收端2又由發射端線圈2-1，接收端線圈的磁芯骨架2-2組成。磁芯骨架1-2和2-2的存在是為了增強兩線圈的耦合程度，提高能量傳輸效率。

發射端線圈1-1和接收端線圈2-1是同心的兩個圓環線圈，兩線圈一大一小，使用時一個嵌套在另外一個外邊；所述發射端和接受端兩個一大一小圓環線圈，兩者的大小可以互換，即發射端既可以是大線圈，也可以是小線圈(在以下的介紹中為了方便，將大線圈作為發射端線圈1-1，小線圈作為接收端線圈2-1)；由于水下無線充電系統工作時可能會上下浮動，兩個線圈均有一定的高度，以保持接收端上下浮動時良好的電能傳輸能力，但兩者的高度可以一致也可以不一致，視具體情況而定；

線圈高度的影響因素主要是兩線圈的耦合程度，和受水流的影響接收線圈上下的波動范圍。兩線圈越高，兩線圈的耦合程度越好，根據需要的耦合程度設計線圈高度。還有，發射線圈高度要大于接收線圈上下的波動范圍。

磁芯骨架也是圓環狀(1-2和2-2)，但其半徑略小于線圈，所以線圈可恰好繞制在圓形磁芯骨架上；

圓環磁芯骨架結構并不唯一，可以由條狀磁芯組成圓環磁芯骨架，條狀磁芯之間留有空隙(如圖4所示)；亦可圓環骨架本身由整塊磁芯組成(如圖3(a)-圖3(c)和圖5所示)；磁芯骨架的組成可以根據要求而設計；

繞制在磁芯骨架上的發射端線圈1-1和接收端線圈2-1之間存在一定的縫隙9，該縫隙9就是無線充電系統的工作間距。該間距的大小根據具體設計來決定；

發射端線圈1-1和接收端線圈2-1由抗渦流的導線繞制而成，具體匝數由計算得到；磁芯為軟磁鐵氧體，其厚度可根據無線充電系統的工作間隙9來決定；

發射端圓環線圈1-1和接收端圓環線圈2-1的直徑可大可小，根據具體充電系統的功率等因素而設計；

發射端圓環線圈1-1和接收端圓環線圈2-1之間的耦合磁場是徑向走向的(如圖6所示)。如圖6所示，兩線圈形成的磁場都是沿著半徑方向向外發散的，發射線圈的發散磁場和接收線圈的發散磁場的交疊部分互相耦合，從而完成能量傳遞。

發射端圓環線圈1-1一般固定在海底支架3上，其位置比較固定；所述接收端圓環線圈2-1一般固定在受電設備上，比如auv(無纜水下機器人8)；需要充電時水下受電設備航行至充電處，將接收線圈插進發射線圈，即可充電。

發射端1由海底電纜4與發射端控制裝置5相連。發射端控制裝置是一個電能變換裝置，將海底基站的交流電或直流電轉化成發射端1可用的高頻交流電，并輸出可控；接收端2固定在auv上，并與auv上的接收端控制裝置6相連，然后給電池7充電。在無線充電系統工作時，2中感應出高頻交流電并經過接收端控制裝置6的整流濾波，得到直流電給電池7充電。

磁芯骨架1-2和2-2的存在是為了增強兩線圈的耦合程度，可以提高能量傳輸效率；當然，特殊情況也可以不添加磁芯骨架，根據需要取舍；

發射端圓環線圈1-1固定在海底支架3上，其位置比較固定；所述接收端圓環線圈2-1固定在受電設備上，比如auv(無纜水下機器人8)；需要充電時水下受電設備航行至充電處，將接收線圈插進發射線圈，即可充電；

發射端1和接收端2均為對稱程度高的圓環狀設計，是為了減輕水下水流的波動帶來的接收端實時運動的影響；而且發射端1和接收端2一大一小，兩者是插入式的設計，本身就有一定的位置固定作用；圓環狀發射端1和接收端2的設計，使得線圈之間的相互轉動帶來的影響幾乎為零；當接收端晃動時，發射端1和接收端2不同心，但圓環線圈的好處就是兩線圈不同心時一部分線圈之間的間隙反而減小，這就減小了接收端來回晃動導致的發射端和接收端線圈間隙實時可變的影響；適當的線圈高度的設計也可以減輕接收端上下晃動帶來的影響。

以上所述僅為本申請的優選實施例而已，并不用于限制本申請，對于本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護范圍之內。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。