电磁感应式水下松耦合变压器的设计与仿真

鲍文聪



电磁感应式水下松耦合变压器的设计与仿真

鲍文聪

(海军工程大学电气工程系，武汉430033)

水下自治机器人的电能传输是深海资源勘探中必须解决的问题。如今大部分水下机器人采用接触式电能传输方法，然而其系统的复杂密封结构使其接口会出现严重磨损并存在漏电隐患。与接触式方法相比，非接触式电能传输技术[1]（CLPT）方法避免了电击、漏电等危险，而且不需要复杂的密封工艺。首先，建立无线电能传输系统的互感和励磁模型，然后分析其系统传输特性，建立水下CLPT模型，利用ANSOFT仿真软件，得到自感、互感及耦合系数，通过对耦合器性能参数、漏磁屏蔽等进行有限元分析，实现电磁耦合器结构[2]的优化设计。进一步仿真耦合系数与气隙、输出电压和传输效率随负载的变化规律。仿真结果表明，优化后的电磁耦合器具有良好的耦合特性，能够充分发挥无线电能传输系统的优势，通过安全高效的传输方式地为水下机器人提供足够的电能。

无线电能传输 ANSOFT仿真耦合特性

0 引言

近年来，深海资源勘探成为了世界上主要强国经济和军事发展重要方向，深海机电设备正发挥着越来越大的作用。深海复杂、恶劣的环境不利于传统的接触式输电接口的使用，大功率水下机器人的电能传输问题成为制约其发展的瓶颈。采用无线供电方式替代传统湿插拔接插件正得到世界各国的认可，成为一种发展趋势，其中松耦合变压器是最为核心的组成设备，如何提高松耦合变压器的传输效率和对深海环境的适应性是该种方式的重要研究方向。

1 电磁感应式无线电能传输系统的电路模型

无线电能传输系统的核心部件是松耦合变压器。而松耦合变压器的电感是决定CLPT系统传输能力的重要因素，尤其是励磁电感、漏电感和互感对传输能力影响很大。以上参数与松耦合变压器的几何结构以及磁芯的特性有关。确定了松耦合变压器的磁芯线圈结构以及磁芯材料以后，这些参数则主要受两磁芯的相对位置影响。本文研究的是具有轴对称结构的磁芯，其间隙是影响松耦合变压器性能的主要因素。因此，分析松耦合变压器的特性要通过其磁路模型和电路模型，研究磁芯线圈结构对系统传输性能的影响。

1.1磁阻模型

深入了解松耦合变压器参数的设计原理是设计CLPT系统的基础。松耦合变压器的几何结构决定松耦合变压器的主要参数。本文通过磁阻建模方法分析松耦合变压器的各项参数是分析其电磁特性的有效方法。这种方法通过对松耦合变压器结构中磁通分布的分析，建立含有磁阻的等效磁路，再通过等效转化建立其电路模型[3]，最后可以分析其结构的电感参数。

磁阻是描述磁路对磁通传导能力的参数，其大小与变压器磁芯结构、磁芯的尺寸、磁芯材料的磁导率等因素有关。初级线圈激励出的磁场分布在松耦合变压器结构及其附近的空间；由于耦合器分离式结构，磁通在磁芯间隙附近形成发散式分布，如图1所示。图中分为漏磁通和主磁通，反映了松耦合变压器两线圈之间的磁耦合关系及主磁路与漏磁路[4]关系。

图1松耦合变压器磁场分布

1.2互感电路模型

图2所示为松耦合变压器的互感电路模型[5]，其中、分别为初级线圈和次级线圈的自感，为两线圈的互感，为负载电阻。与上面的励磁电路模型不同，互感模型中不区分励磁电感和漏电感，感应电压通过互感系数来表示，线圈之间的耦合程度通过耦合系数来表示。模型中电流分为初级和次级电流，与耦合器物理结构更加接近，因此互感模型在对系统的电气特性的分析中比励磁模型更有优势。

文中两线圈各自的自感系数可直接通过仿真软件获得。耦合系数由穿过两线圈的共同磁通的大小决定。主磁通越大，耦合系数越高，两线圈的耦合越紧密。在深海应用中，由于受到海底水流影响和环境限制，两磁芯间的间隙一般较大，本文在设计过程中也考虑到了这一点，设计了较大的磁芯间距，由于间隙较大，磁路中漏磁通也随之变大，故两线圈耦合系数较低。在图2的电路模型中，可通过耦合器的自感与互感来描述耦合系数，如下式所示

2 水下无线电能传输系统模型

针对于海洋特殊环境及其用电设备的需求，本文针对AUV、UUV的外型特点，设计了一款便捷、通用的结构更适合水下自治机器人的水下无线电能传输。水下CLPT系统如图所示，AUV内部带有次级磁芯，初级磁芯固定在海底基座上，需要充电时返回基座即可。

注：（a）CLPT系统为水下设备输电；（b）CLPT系统框图。

2.1CLPT系统结构图及其优点

在本论文研究中，针对水下自治机器人的流线型外形、定位精度低的要求，设计了如图4（b）所示的矩形磁芯结构的耦合器，圆形内部黑色部分为次级磁芯，外部黑色部分为初级磁芯。

（a）CLPT系统图

（b）松耦合变压器结构图

图4 系统与结构图

银白色部分为耐压壳体结构，黄色部分为绕组，绿色部分为防止漏磁的铝板屏蔽层。磁芯材料选用锰锌铁氧体，这种材料制成的铁氧体具有良好的电磁屏蔽特性，可以减少对外界的电磁干扰，有利于两线圈获得较高的耦合系数。松耦合变压器的结构原理如图4（a）所示，初级磁芯位于基座中，次级磁芯位于AUV中。该系统优点有：1）应用无线电能传输方法替代湿插拔接口大大增加了海洋资源开发的成本，并提高了AUV的探测范围；2）降低了充电时的对位精度要求，减少了定位锁扣固定装置，释放了AUV内部空间；3）充电接口处磨损较轻，大大提高了使用寿命。

2.2系统设计指标

本文针对如今大部分AUV和UUV的工作性能以及无线电能传输系统的系统特性设计了如表1所示的设计指标参数。

本文设计指标是输出功率为200W的松耦合变压器，由于本文中设计的磁芯机构在市场上没有类似的型号，所以根据变压器输出功率来选择主要的磁芯截面积，考虑到在改造基础上的损耗，因此选择了E75型磁芯，此磁芯在96 kHz的条件下，输出功率1121.4W，经改造可以符合本文的设计要求。

在此基础上，对线圈匝数进行确定，通过仿真优化线圈匝数。文中线圈两端电压可近似认为是正弦形式。对初级线圈而言，当两端正弦电压的有效值为外时，最小线圈匝数为

其中，为磁芯允许的最大磁通密度。由于电源转换器输出电压为正弦波，将其进行傅立叶展开，外即为其基频有效值，如下式所示

2.3系统封装

通过对CLPT系统和松耦合变压器的性能分析及结构的优化，对选定的磁芯线圈进行封装设计，来满足实际应用的需要。本文所研究的是在深海环境中的应用，因此要考虑深海环境因素。

1）采用耐海水腐蚀的金属外壳，如铁合金、耐海水不锈钢等。2）松耦合变压器的对接机构要求简便、易操作。结构如图5所示，红色部分为线圈，橙色部位为磁铁，当水下深潜器通过定位系统达到充电基座以后，给红色线圈供电，产生电磁力与深潜器内部磁铁进行吸附，从而达到固定深潜器的目的。

图5 松耦合变压器固定装置图

3）在电能的传输过程中，耦合器的结构要相对稳定，用以应对深海的复杂水流环境。磁芯线圈相对位置的变化会引起松耦合变压器参数的变化，影响系统的稳定传输。

4）在松耦合变压器的初级磁芯与金属外壳之间增加屏蔽层，以减小外部电磁场对外壳的影响。

3 松耦合变压器仿真分析

本文利用ANSOFT仿真软件对松耦合变压器的各项基本参数进行仿真，所得磁场强度图如图6所示。同时对仿真所得的数据进行进一步分析。

图6 耦合器磁场强度图

首先设置为空载情况，改变匝数，此时次级线圈空载时输出电压峰值均为90V，可以得到结论：空载时输出电压与匝数无关。在根据设计指标在0-50欧姆范围内选取负载进行仿真，主要研究以下几种变化规律。

①耦合系数随气隙的变化关系

由图中图像可知，所设计的电磁耦合器的偶和系数随着气隙的增大越来越低，符合电磁耦合器的特性，本文考虑到在深海中受水流影响较大，充电距离设计为8 mm，耦合系数[9]适中，符合设计要求。

②输出电压随负载变化关系

由上图可以看出输出电压随着负载的增大而升高，接近于90 V，且趋于稳定，验证了此电磁耦合器的稳定性，具有稳定的传输功率，具备为水下设备提供稳定电能的能力。

③传输效率随负载变化的关系

由图9可知，电磁耦合器的传输效率随着负载增大而降低，与市面上已有的无线电能传输系统相比，本文所涉及的电磁耦合器具有较高的传输效率[10]，能够提供AUV运行所需的电能，能够完成水下基座的充电，完成各项任务。

4 结语

本文主要对非接触式电能传输系统的工作机理进行分析，分析其磁路和电路的结构，并在此基础上设计了一款通用型便捷充电的电磁耦合器。采用ANSOFT软件对耦合器的磁场及各项参数进行分析。分析了松耦合变压器的耦合系数随气隙和输出电压、传输效率随负载的变化情况。本文基于前人对CLPT技术的研究，针对深海的特殊环境，对无线充电系统、系统优化、松耦合变压器结构设计等方面进行了系统的研究。为我们今后更深入的研究打下了一定基础，对完善无线电能传输技术及水下机器人应用领域具有借鉴和实用价值。

[1] http//www.rmzxb.com.cn/kj/kjqy/t20160510-291516.htm.

[2] Painter H， Flynn J. Current and future wet-mate connector technology developments for scientific scabbed observatory applications. In OCEANS 2006， Boston, MA, 2006:881-886.

[3] ZYBORSKI J,etal.HybridAcleslow-voltage AC/DC current limiting interrupting device[J].IEEE Trans on Power Delivery，2000,15(4):1182-1187．

[4] ZYBORSKI J, etal. A new fault currentdetection technique for the AC hybrid circuit breaker[J].Electric Power Systems Research, 1999:133-138．

[5] Polman H, Ferreira J. A design of a bi-directional 600V/6kA ZVS hybrid DC switch using IGBTs[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2001,16(2):1052-1059.

Design and Simulation of Underwater Electromagnetic Coupler

Bao Wencong

（College of Electrical Engineering, Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China）

TN802

A

1003-4862（2017）05-0001-04

2016-12-15

鲍文聪(1993-)，男。研究方向：松耦合变压器。