【摘 要】
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水文测量领域常采用缆道机器人搭载光学、声学传感器对河流断面进行巡测。但缆道机器人传统的有线式充电在野外环境下易腐蚀生锈,需频繁检修更换;因此无线电能传输（Wireless power transfer,WPT）技术在该领域具有广阔的应用前景。同时受缆道老化或突发地质灾害的影响,缆道机器人易发生倾斜;若采用两线圈结构,系统能量传递效率会因气隙的增加急剧下降。本文针对接收线圈倾斜的充电场景,对基于中继
【基金项目】
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市教委科学技术研究项目（2018CJ69、2020CJZ063）
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水文测量领域常采用缆道机器人搭载光学、声学传感器对河流断面进行巡测。但缆道机器人传统的有线式充电在野外环境下易腐蚀生锈,需频繁检修更换;因此无线电能传输（Wireless power transfer,WPT）技术在该领域具有广阔的应用前景。同时受缆道老化或突发地质灾害的影响,缆道机器人易发生倾斜;若采用两线圈结构,系统能量传递效率会因气隙的增加急剧下降。本文针对接收线圈倾斜的充电场景,对基于中继线圈偏转的三线圈WPT系统进行研究。首先,本文对LCC-S型两线圈WPT系统和LCC-S-S型三线圈WPT系统进行建模分析,推导出两线圈效率、三线圈效率以及三线圈谐振条件表达式;并对线圈结构进行建模。从互感变化角度,分析得出:随着接收线圈的倾斜,线圈的互感逐渐下降,系统效率也随之减小。然后提出了一种基于中继线圈偏转的三线圈WPT系统效率优化方法。中继线圈的偏转使线圈间互感发生变化,导致各个线圈回路的电流发生改变。本文通过电流比的方法分析系统损耗,经分析与仿真发现:随着中继线圈的偏转,原边谐振电感回路、中继线圈回路的损耗比例逐渐减小,而发射线圈回路的损耗比例逐渐增大;因此中继线圈存在一个最佳耦合角使三线圈WPT系统效率达到最大。接下来根据仿真发现不同耦合位置下,中继线圈的最佳耦合角不同。因此本文以能量传输距离和接收线圈倾斜角度为参量,提出了一种倾角传感器与红外测距技术相结合的接收线圈定位方法。最后本文制作了实验样机并搭建了实验平台,分别进行了两线圈WPT系统实验以及三线圈WPT系统效率优化实验。在本文的实验参数条件下:当接收线圈倾斜30°、能量传输距离为50mm时,两线圈WPT系统效率为66.75%;三线圈WPT系统效率可达到80.14%,相较于两线圈WPT系统提高了13.39%。综上所述,采用基于中继线圈偏转的三线圈WPT系统效率优化方法,可有效提高因接收线圈发生倾斜而降低的系统能量传递效率。
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