【摘 要】
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水下航行器是海洋探测和开发的有效工具,已成为世界各国的研究重点。能源问题使得水下航行器不能长时间连续工作。基于磁耦合谐振无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）技术,利用海底基站对水下航行器进行电能补给,可显著提高水下航行器的利用率和隐蔽性,具有很好的应用前景。本文基于磁耦合谐振无线电能传输技术,在研究WPT技术的基本电路模型和适用于水下航行器的磁耦合结构的基础之上,
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水下航行器是海洋探测和开发的有效工具,已成为世界各国的研究重点。能源问题使得水下航行器不能长时间连续工作。基于磁耦合谐振无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）技术,利用海底基站对水下航行器进行电能补给,可显著提高水下航行器的利用率和隐蔽性,具有很好的应用前景。本文基于磁耦合谐振无线电能传输技术,在研究WPT技术的基本电路模型和适用于水下航行器的磁耦合结构的基础之上,考虑海水介质的特殊性及海洋环境的复杂性,研究海水介质中涡流损耗计算方法及系统等效电路模型和抗海流冲击无线电能传输系统设计。（1）研究WPT技术的基本电路模型和补偿拓扑结构。基于互感电路模型,分析了双耦合LCC-S,SS,单耦合LCC-S以及LCC-LCC补偿拓扑结构的传输特性和短路开路特性。结果表明在规定的谐振条件下,双耦合LCC-S补偿拓扑可以实现发射端和接收端偏移情况下功率的稳定传输,同时可以在不需要复杂控制方法情况下实现短路和开路保护。SS和LCC-LCC补偿拓扑具有恒流输出特性,并可以实现短路保护,但不能实现开路保护。单耦合LCC-S补偿拓扑具有恒压输出特性,并可以实现开路保护,但不能实现短路保护。（2）针对水下航行器的旋转对称结构,提出四种线圈结构。1)提出了弧面线圈,以无线电能传输系统接收端重量最小为优化准则,针对单极型弧面线圈和双极型弧面线圈,进行了线圈优化设计。设计结果表明不管单极型弧面线圈还是双极型弧面线圈,当展角为60°时,既能满足铁氧体中最大磁通密度的要求,又使得接收端总重量最小。2)设计了基于双耦合LCC-S补偿拓扑的线圈结构。x方向偏移从0 mm增大到90 mm,该无线电能传输系统效率和输出功率基本保持稳定。3)设计了抗360°旋转偏移的螺线管线圈,可以实现旋转偏移情况下互感的稳定。建立有限元仿真模型,分析了线圈自感,互感等参数。旋转偏移从0°增大到360°,该无线电能传输系统效率和输出功率保持稳定。4)为了同时解决旋转偏移和轴向偏移导致的互感剧烈变化问题,设计了抗360°旋转偏移和轴向偏移的三线圈结构。建立有限元仿真模型,分析了线圈自感、互感等参数对系统性能的影响,可实现旋转偏移以及轴向偏移情况下互感的稳定。（3）基于麦克斯韦方程,建立了无磁芯平面圆形线圈海水介质中涡流损耗的理论计算模型,进而分别推导出发射端和接收端相对位置无偏移和有偏移两种情况下涡流损耗计算公式。基于涡流损耗计算模型,建立海水介质中无线电能传输系统的等效电路模型,从而提出优化海洋环境中无线电能传输系统谐振频率和工作频率的方法。搭建了海洋环境下无线电能传输实验系统,并进行实验验证。结果表明海水中系统最优谐振频率低于空气中系统最优谐振频率。同时,最优的工作频率应大于谐振频率来提高系统效率。（4）针对海洋环境下三线圈结构,分析其空间电场强度分布,进而得到海水涡流损耗解析表达式。基于涡流损耗等效电阻,建立海水介质中基于三线圈结构的无线电能传输系统等效电路模型,从而进行系统传输特性分析。搭建了水下三线圈WPT实验系统,并进行实验验证。结果表明三线圈系统效率高于两线圈系统效率,并且轴向偏移从-40 mm增大到40 mm,三线圈系统的效率和输出功率基本保持稳定。综上所述,本文针对WPT系统电路模型、适用于水下航行器的磁耦合结构设计、海洋环境下无线电能传输涡流损耗计算与系统建模以及抗海流冲击WPT系统设计四方面开展了研究,为无线电能传输技术在海洋环境中的应用提供理论和技术基础,可有效解决水下航行器长时间连续工作的能源问题。
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