自主水下機(jī)器人非接觸電能傳輸系統(tǒng)研究

鄭文軒，謝 鷗，丁 楊，邢夢(mèng)媛

（蘇州科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

0 引言

自主水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是進(jìn)行水下作業(yè)的重要設(shè)備，在水下救援、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、海底資源勘探、軍事偵查等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[1]。作為水下移動(dòng)設(shè)備，AUV通常采用自帶的鋰電池進(jìn)行動(dòng)力供電，因此在任務(wù)執(zhí)行過程中必然涉及充電問題。傳統(tǒng)的AUV充電方式主要有兩種：AUV返回陸地充電和水下濕插拔充電。這兩種方式都存在插拔磨損，自動(dòng)化程度低，此外由于充電接口長(zhǎng)期與水接觸容易氧化生銹，從而導(dǎo)致充電過程產(chǎn)生漏電和短路。非接觸充電技術(shù)因其有效地解決了插拔式接觸充電的各種問題而受到了越來越多科研人員的關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于家電、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域。對(duì)于水下設(shè)備的非接觸充電技術(shù)研究，目前還處于起步階段，F(xiàn)eezor等人研究開發(fā)的水下感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)，可通過海底基站為水下機(jī)器人進(jìn)行水下輸電，效率達(dá)到79%[2]；日本東北大學(xué)和NEC公司聯(lián)合開發(fā)了為AUV充電的非接觸式電能傳輸系統(tǒng)，可傳輸500 W的功率，效率在90%以上[3]；王司令等[4]人針對(duì)海流擾動(dòng)及水下航行器定位精確度有限的問題，提出了一種適用于基站和水下航行器之間進(jìn)行電能傳輸?shù)碾姶篷詈掀?；張濤等[5]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種海底觀測(cè)網(wǎng)非接觸式水下接駁系統(tǒng)。本文針對(duì)自主水下機(jī)器人的水下充電要求，提出了一種基于松耦合變壓器的水下非接觸電能傳輸裝置，研究了松耦合變壓器間隙介質(zhì)和間隙距離對(duì)傳輸性能的影響特性。

1 水下非接觸電能傳輸系統(tǒng)等效電路模型

依據(jù)電磁感應(yīng)原理，本文采用如圖1所示的松耦合變壓器作為非接觸電能傳輸裝置。松耦合變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間存在間隙，不同間隙介質(zhì)的電參數(shù)不同，如表1所示為空氣、純凈水和海水的電參數(shù)。

圖1 非接觸電能傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖

表1 不同間隙介質(zhì)的電參數(shù)

依據(jù)松耦合變壓器互感模型，考慮水介質(zhì)的電磁特性，建立如圖2所示的水下非接觸電能傳輸裝置的等效電路模型。LI，L0分別為初級(jí)線圈和次級(jí)線圈；Ze為水介質(zhì)在初級(jí)和次級(jí)的等效阻抗；Rd為充電負(fù)載；M為互感。

圖2 水下非接觸電能傳輸?shù)刃щ娐纺Ｐ?/p>

對(duì)松耦合變壓器電路模型進(jìn)行T型等效，可建立如圖 3（a）所示的等效電路模型。其中 L1σ，L′2σ分別為初級(jí)漏感和次級(jí)漏感，R1，R′2分別為初級(jí)線圈內(nèi)阻和次級(jí)線圈內(nèi)阻。進(jìn)一步，對(duì)非接觸電能傳輸電路模型進(jìn)行串/并聯(lián)等效簡(jiǎn)化，可化簡(jiǎn)為如圖3（b）所示的電路模型，其中Rk為電路中的總電阻，Xk為電路的總電抗。

圖3 水下非接觸電能傳輸系統(tǒng)等效電路模型

依據(jù)電路等效原理，可計(jì)算得到電路中的總電阻和總電抗為：

為了使負(fù)載獲得最大有效功率，等效電路的應(yīng)處于諧振狀態(tài)，即總電抗為零。根據(jù)總電抗公式（2），可得：

進(jìn)一步可求的諧振狀態(tài)的系統(tǒng)諧振角頻率為：

設(shè)電路中的電流為Is，定義輸入功率和輸出功率為：

則在諧振狀態(tài)下，系統(tǒng)傳輸效率為：

由式（7）可以看出，非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率與間隙介質(zhì)和松耦合變壓器線圈的參數(shù)有關(guān)，降低間隙介質(zhì)等效電阻和線圈內(nèi)阻能提高傳輸效率。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證間隙介質(zhì)對(duì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率的影響的特性，搭建如圖4所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，輸入信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，進(jìn)行功率放大后經(jīng)松耦合變壓器傳輸至負(fù)載。采用高頻電壓電流表采集初級(jí)和次級(jí)線圈的電壓和電流信號(hào)，計(jì)算可獲得傳輸效率。松耦合變壓器采用型號(hào)為GU42×26A的罐型磁芯，線圈繞組的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。考慮到實(shí)際的工作狀況，分別采用空間、純凈水和3.5%的鹽水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

表2 松耦合變壓器線圈參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖5所示為不同間隙介質(zhì)下松耦合變壓器間隙距離與傳輸效率的關(guān)系曲線，由圖可知，隨著間隙距離增大，三種間隙介質(zhì)下松耦合變壓器的傳輸效率都呈下降趨勢(shì)變化，且間隙距離在0~2 mm范圍內(nèi)效率下降速度快，之后呈緩慢趨勢(shì)下降。此外，間隙距離小于2 mm時(shí)，空氣介質(zhì)的傳輸效率最高，其次是3.5%的鹽水，純凈水的傳輸效率最低；而當(dāng)間隙距離大于2 mm時(shí)，空氣和3.5%的鹽水的傳輸效率基本相同，均大于純凈水的傳輸效率。

圖5 不同間隙介質(zhì)下間隙距離與傳輸效率的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語

將非接觸電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于AUV的充電過程，從理論上分析了水下非接觸電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率的影響因素，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同間隙介質(zhì)和間隙距離對(duì)傳輸效率的影響規(guī)律，結(jié)果表明：間隙距離增大，傳輸效率下降；被測(cè)試的三種間隙介質(zhì)中空氣的傳輸效率最高，純凈水的傳輸效率最低。