一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置及控制方法。所述装置包括发射端多级线圈结构、发射端环形磁芯、潜航器接驳坞站、接收端D型线圈、接收端曲面磁芯和无人潜航器外壳。所述装置及控制方法能够实现同一接驳坞站的发射端可以针对多个不同型号自主式无人潜航器携带的不同功率等级的无线充电接收端均实现稳定、高效、抗偏移的无线电能传输功能；实现多种型号潜航器锂电池负载的充电需求的适配，简化工程设计复杂度，有利于未来无人潜航器无线电能传输技术的产业化和军备推广投入。产业化和军备推广投入。产业化和军备推广投入。

【技术实现步骤摘要】
一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置及控制方法


[0001]本专利技术涉及自主式无人潜航器技术和无线电能传输
，特别是涉及一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置及控制方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步与发展，各国纷纷开始对海洋资源进行开发和探索，而自主式无人潜航器作为水下资源勘探和军事巡逻的重要设备，成为了目前海洋工程领域的研究热点，具有广泛的经济、科学和军事价值。自主式无人潜航器可以实现灵活的水下无人作业或无人作战，对于近海防御、反侦察巡逻等国防能力具有极大的提升作用。
[0003]目前，对自主式无人潜航器的充电方式主要为打捞回收直接更换电池或直接采用湿拔插接头进行充电。打捞方式需要人工操作，自动化程度低且容易造成军事目标的暴露，隐蔽性较差，此外频繁的电池更换还会影响电池舱的密封程度；湿拔插充电设备造价昂贵，且存在接头老化等问题易带来漏电等安全隐患，可靠性较差。采用无线电能传输技术对自主式无人潜航器进行充电的方法不会产生电火花、不会受海水的腐蚀、不需要人为干预，是突破自主式无人潜航器续航里程瓶颈、实现全自动化无人值守作业的最优解决方法。
[0004]然而，深海洋流通常会引起无人潜航器横滚，会导致磁耦合装置原、副边产生偏移，进而影响电能传输的功率、效率。解决这一问题最直接且有效的办法即需要优先解决磁耦合器因无人潜航器横滚导致的性能下降问题。现有技术方案中，有研究机构在科研文献中提出了半嵌入式的磁耦合器来提升耦合器的对准性能，但这无疑会改变无人潜航器的流体力学特征，影响其移动特征和机动性；有些研究机构设计了360
°
环绕的全嵌入式螺线管线圈磁耦合器，以实现在360
°
偏移下的旋转对称性，但是这种磁耦合器包裹在无人潜航器的外侧一周，接收端的体积重量都非常大，不利于无人潜航器的轻量化设计。
[0005]此外，由于水下无线充电技术还处于研究初期，目前现有技术中一种型号的无人潜航器接驳坞站通常只能对其对应型号的自主式无人潜航器实现接驳和无线充电，这将直接导致水下无线充电设备的使用通用化局限性以及未来战略布局的扩展性。在现有技术方案中，几乎没有公开资料有发表针对无人潜航器无线电能传输通用化设计的相关研究和设计。因此，针对上述问题，亟需设计一种具备通用化接驳和无线电能传输功能的自主式无人潜航器无线电能传输系统，并合理设计其投切运行和控制方法。即实现同一接驳坞站的发射端可以针对多个不同型号自主式无人潜航器携带的不同功率等级的无线充电接收端均实现稳定、高效、抗偏移的无线电能传输功能，实现多种型号潜航器锂电池负载的充电需求的适配。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置及控制方法。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置，所述装置包括发射端多级线圈结构、发射端环形磁芯、潜航器接驳坞站、接收端D型线圈、接收端曲面磁芯和无人潜航器外壳；其中发射端环形磁芯包覆在潜航器接驳坞站外侧，发射端多级线圈结构包覆在发射端环形磁芯的外侧；发射端多级线圈结构和发射端环形磁芯、发射端环形磁芯和潜航器接驳坞站之间均附有聚酰亚胺绝缘材料进行隔断处理；接收端D型线圈贴附在无人潜航器外壳的内壁，接收端曲面磁芯贴附在接收端D型线圈的内侧，接收端D型线圈和无人潜航器外壳、接收端D型线圈和接收端曲面磁芯之间均附有聚酰亚胺绝缘材料进行隔断处理；发射端多级线圈结构和接收端D型线圈由多股漆包利兹线制成；发射端环形磁芯和接收端曲面磁芯由客制的柔性锰锌软磁铁氧体或软磁铁基纳米晶带材制成；无人潜航器外壳需由非金属复合材料制成。
[0008]进一步地，发射端多级线圈结构分为左侧和右侧两部分；两部分线圈的螺旋绕制方向相反，使得磁力线汇聚在中部，结合偶极子线圈结构特性，两部分发射线圈发出的磁力线通过同极性的相斥作用，被挤压到外部，从而被接收端线圈进行捕获。
[0009]进一步地，所述磁耦合无线充电装置的接线结构包括n对级联发射线圈、接收端电力电子总成、发射端阵列开关和发射端电力电子总成；其中，n为正整数；通过控制n对级联发射线圈的投切匹配逻辑，理论上可以实现不少于n种且不超过n2种的功率匹配兼容能力。
[0010]本专利技术提出一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置的控制方法，所述控制方法具体为：首先，具有通用协议的潜航器通过设定的导航功能驶入接驳坞站，并通过原副边通讯模块进行识别和协议握手，副边将所需的充电功率等级和充电参数传输给原边，并检查潜航器是否在轴向位置上与接驳坞站实现对齐；原边电力电子总成控制根据获得的信息判断原边线圈的开启数量，完成功率匹配后进行弱电自检，进行耦合谐振状态阻抗匹配和自估计，之后进行符合功率条件的无线充电功能。
[0011]本专利技术的有益效果为：
[0012]①
、采用本专利技术提出的水下无线电能传输技术对无人潜航器进行充电的优势在于：不会产生电火花、不会受海水的腐蚀、不需要人为干预，是突破自主式无人潜航器续航里程瓶颈、实现全自动化无人值守作业的优选解决方法之一，为未来水下无人装备的能源补给问题提供了一种极具潜力的解决方案。
[0013]②
、本专利技术提出一种具有发射端多级螺线管和轻量化扁平接收端的水下无线充电磁耦合装置，其优势在于：在潜航器与接驳坞站轴向位置固定的前提下，接收端在的角度范围的周向旋转偏移条件下，系统互感均保持不变，实现洋流横滚条件下的稳定功率效率输出，降低接驳坞站机械对接机构的设计难度。
[0014]③
、本专利技术提出的磁耦合装置及投切控制方法，能够实现同一接驳坞站的发射端可以针对多个不同型号自主式无人潜航器携带的不同功率等级的无线充电接收端均实现稳定、高效、抗偏移的无线电能传输功能；实现多种型号潜航器锂电池负载的充电需求的适配，简化工程设计复杂度，有利于未来无人潜航器无线电能传输技术的产业化和军备推广投入。
附图说明
[0015]图1是本专利技术提出的磁耦合装置及其在潜航器和接驳坞站中的安装效果示意图。
[0016]图2是本专利技术提出的磁耦合装置的磁通分布示意图。
[0017]图3是本专利技术提出的磁耦合装置的接线结构示意图。
[0018]图4是磁耦合装置发射端开关阵列原理示意图。
[0019]图5是磁耦合装置发射端开关阵列投切运行逻辑图。
[0020]图6是潜航器无线充电系统的电气拓扑示意图。
[0021]图7是本专利技术提出的磁耦合装置的典型应用系统结构示意图。
[0022]图8是一种具体实施例安装结构示意图。
[0023]图9是一种具体实施例左视图。
[0024]图10是一种具体实施例正视图。
[0025]图11是具体实施例在旋转偏移状态下的系统总互感测量结果示意图。
[0026]图12是具体实施例在轴向偏移状态下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率兼容的无人潜航器抗横滚共形化磁耦合无线充电装置，其特征在于：所述装置包括发射端多级线圈结构、发射端环形磁芯、潜航器接驳坞站、接收端D型线圈、接收端曲面磁芯和无人潜航器外壳；其中发射端环形磁芯包覆在潜航器接驳坞站外侧，发射端多级线圈结构包覆在发射端环形磁芯的外侧；发射端多级线圈结构和发射端环形磁芯、发射端环形磁芯和潜航器接驳坞站之间均附有聚酰亚胺绝缘材料进行隔断处理；接收端D型线圈贴附在无人潜航器外壳的内壁，接收端曲面磁芯贴附在接收端D型线圈的内侧，接收端D型线圈和无人潜航器外壳、接收端D型线圈和接收端曲面磁芯之间均附有聚酰亚胺绝缘材料进行隔断处理；发射端多级线圈结构和接收端D型线圈由多股漆包利兹线制成；发射端环形磁芯和接收端曲面磁芯由客制的柔性锰锌软磁铁氧体或软磁铁基纳米晶带材制成；无人潜航器外壳需由非金属复合材料制成。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，发射端多级线圈结构分为左侧和右侧两部分；两部分线圈的螺旋绕制方向相反，使得磁力线汇聚在...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔淑梅，王得安，张剑韬，陈福泽，别致，高逸凡，乔永康，董昊，逯仁贵，朱春波，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：