一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构与系统技术方案

本发明专利技术公开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，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。发射和接收两线圈通过径向磁场耦合，达到无线电能传输的目的。

Coupling coil and magnetic core structure and system for underwater wireless charging

The invention discloses a method used in underwater wireless charging coupling coil and core structure and system, including the transmitter and the receiver, the transmitter and the receiver includes a coil, core and winding ring on which the transmitter coil and the receiving coil are nested, and has a certain the gap, coupled to each other, and the coupled magnetic field for radial direction. The transmitting and receiving two coils are coupled by the radial magnetic field to achieve the purpose of transmitting radio energy.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构与系统
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，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，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术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)本专利技术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)当本专利技术的接收端晃动时，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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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是本专利技术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)是本专利技术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)是本专利技术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专利技术作进一步说明。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
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
技术介绍
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，两线圈一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构，其特征是：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。

【技术特征摘要】
1.一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构，其特征是：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。2.如权利要求1所述的一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构，其特征是：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。3.如权利要求1所述的一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构，其特征是：所述发射端线圈和接收端线圈的高度不一致。4.如权利要求1所述的一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构，其特征是：所述发射端线圈和接收端线圈的高度一致。5.如权利要求1所述的一种应用于水下无线充电的耦合线圈和磁芯结构，其特征是：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。6.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志珍，曾浩，黑桐，周博，岳增凯，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37