本發(fā)明屬于水下無線充電，具體涉及用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、為更好的開發(fā)和保護(hù)海洋資源，各種先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，其中自主水下航行器(autonomous?underwater?vehicle,auv)的應(yīng)用越來越多，其廣泛應(yīng)用在海洋科學(xué)研究、資源勘探、軍事用途和環(huán)境檢測領(lǐng)域。然而，因鋰電池容量限制，在長時間任務(wù)中auv普遍存在續(xù)航能力不足，工作范圍小的問題。因此，通過現(xiàn)有技術(shù)手段來延長auv的工作時間，成為當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難題。傳統(tǒng)有線充電方式依賴電氣連接，必須回收auv進(jìn)行供電，這種方式復(fù)雜且耗費大量人力。近年來，越來越多的設(shè)備開始使用無線充電進(jìn)行電能傳輸,該方式由于沒有電氣連接，為特殊場景下的設(shè)備供電帶來了諸多便利。對于auv來講，無線充電的應(yīng)用可以大大提高auv充電的自動化程度，延長auv的巡航時間，擴大auv的活動范圍。無線充電技術(shù)已成為提升auv續(xù)航能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、采用無線充電方式對auv進(jìn)行供電，對無線充電系統(tǒng)的磁耦合結(jié)構(gòu)提出更高要求。近年來，為實現(xiàn)水下復(fù)雜環(huán)境中的高效無線充電，已有一些auv無線充電的專用磁耦合結(jié)構(gòu)，但這些磁耦合結(jié)構(gòu)通常會改變auv的外型設(shè)計，難以實現(xiàn)水下洋流干擾情況下穩(wěn)定高效充電；auv外型為流線型，該外型設(shè)計保證了水下航行時的較小阻力，因此若安裝磁耦合結(jié)構(gòu)需強行改變auv外型，這將不符合最優(yōu)流體力學(xué)模型。另外過大的載荷及其水下洋流的干擾使磁耦合結(jié)構(gòu)中線圈發(fā)生錯位引起充電不穩(wěn)定、效率低的問題，進(jìn)而影響auv的續(xù)航。因此，保證洋流干擾下穩(wěn)定高效的能量傳輸、維持auv流線型設(shè)計、磁耦合結(jié)構(gòu)抗錯位及輕量化設(shè)計對auv無線充電有著重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案如下：一種用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，包括：構(gòu)成磁耦合的拾取結(jié)構(gòu)和發(fā)射結(jié)構(gòu)，

3、所述發(fā)射結(jié)構(gòu)包括發(fā)射磁芯和位于所述發(fā)射磁芯之上的雙極性發(fā)射線圈，所述拾取結(jié)構(gòu)包括拱形的拾取磁芯和繞于所述拾取磁芯上的拾取線圈，

4、還包括：抗軸向錯位結(jié)構(gòu)和抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)，所述抗軸向錯位結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述拾取磁芯上，所述拾取磁芯位于所述抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)之外。

5、優(yōu)選地，所述抗軸向錯位結(jié)構(gòu)包括兩個納米晶軟磁芯，所述納米晶軟磁芯位于所述拾取磁芯的端部，所述納米晶軟磁芯包括內(nèi)嵌部和外延部，所述內(nèi)嵌部貼合于所述拾取磁芯的端部，所述外延部向所述拾取磁芯的外側(cè)延伸。

6、優(yōu)選地，所述外延部的寬度大于所述拾取磁芯的寬度。

7、優(yōu)選地，所述抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)包括左右對稱布置于隔板兩側(cè)的彈簧和緩沖墊，所述隔板固定設(shè)置在所述拾取結(jié)構(gòu)的底部中間位置。

8、優(yōu)選地，所述彈簧一端連接在所述隔板上，另一端連接在所述緩沖墊上。

9、優(yōu)選地，所述雙極性發(fā)射線圈包括第一發(fā)射線圈和第二發(fā)射線圈，所述第一發(fā)射線圈和所述第二發(fā)射線圈反向串連。

10、優(yōu)選地，所述第一發(fā)射線圈沿所述發(fā)射磁芯的左端順時針繞制，所述第二發(fā)射線圈沿所述發(fā)射磁芯的右端逆時針繞制。

11、優(yōu)選地，所述發(fā)射磁芯和所述拾取磁芯為pc95鐵氧體。

12、用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，所述拾取結(jié)構(gòu)位于auv內(nèi)，所述發(fā)射結(jié)構(gòu)位于水下充電塢內(nèi)，對準(zhǔn)時所述拾取磁芯的兩端與所述發(fā)射磁芯的兩端垂直位置保持一致。

13、優(yōu)選地，所述發(fā)射磁芯為與auv外殼弧度一致的弧形設(shè)計，所述雙極性發(fā)射線圈為曲面設(shè)計，且所述雙極性發(fā)射線圈的側(cè)面弧度與弧形的所述發(fā)射磁芯弧度保持一致；所述抗軸向錯位結(jié)構(gòu)呈與auv內(nèi)殼弧度一致的弧度，所述抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)與auv內(nèi)殼間留有空隙。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

15、1、發(fā)射結(jié)構(gòu)中設(shè)置發(fā)射磁芯，拾取結(jié)構(gòu)中設(shè)置拾取磁芯，即在發(fā)射端和拾取端都利用磁芯對磁通進(jìn)行引導(dǎo)，保證了充電線圈之間的高耦合，提高能量傳輸?shù)男?，尤其是所述發(fā)射磁芯和所述拾取磁芯采用pc95鐵氧體，引導(dǎo)效果好，

16、2、該磁耦合結(jié)構(gòu)適配auv外型，保證了auv的水下低阻力航行，

17、3、該磁耦合結(jié)構(gòu)通過在拾取磁芯端部設(shè)置抗軸向錯位結(jié)構(gòu)，以及設(shè)置抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)，通過抗軸向錯位結(jié)構(gòu)與抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)使該水下無線充電磁耦合結(jié)構(gòu)擁有更強的抗軸向錯位能力與抗旋轉(zhuǎn)錯位能力，解決了水下洋流干擾下線圈發(fā)生多種錯位情況時充電不穩(wěn)定、效率低的問題，

18、4、抗軸向錯位結(jié)構(gòu)中，所述外延部的寬度大于所述拾取磁芯的寬度，可拾取磁通范圍增大，適應(yīng)性強；所述外延部呈一定弧度設(shè)計，能夠?qū)⒋磐ㄓ行б龑?dǎo)至所述拾取磁芯的底部，

19、5、抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)中，通過彈簧吸收能量及彈性恢復(fù)特點，提高抗旋轉(zhuǎn)錯位能力，

20、6、所述發(fā)射磁芯弧形設(shè)計，所述拾取磁芯拱形設(shè)計，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，而且抗軸向錯位結(jié)構(gòu)中使用納米晶軟磁芯，也利于輕量化，

21、綜上，本發(fā)明中磁耦合結(jié)構(gòu)利用電磁感應(yīng)實現(xiàn)從雙極性發(fā)射線圈到拾取線圈的電能傳輸；該磁耦合結(jié)構(gòu)可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、旋轉(zhuǎn)及軸向錯位容忍度高，可實現(xiàn)水下穩(wěn)定、高效無線電能傳輸。

技術(shù)特征：

1.用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，包括：構(gòu)成磁耦合的拾取結(jié)構(gòu)（12）和發(fā)射結(jié)構(gòu)（21），其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述抗軸向錯位結(jié)構(gòu)（13）包括兩個納米晶軟磁芯，所述納米晶軟磁芯位于所述拾取磁芯（121）的端部，所述納米晶軟磁芯包括內(nèi)嵌部（133）和外延部（134），所述內(nèi)嵌部（133）貼合于所述拾取磁芯（121）的端部，所述外延部（134）向所述拾取磁芯（121）的外側(cè)延伸。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述外延部（134）的寬度大于所述拾取磁芯（121）的寬度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)（14）包括左右對稱布置于隔板（141）兩側(cè)的彈簧和緩沖墊，所述隔板（141）固定設(shè)置在所述拾取結(jié)構(gòu)（12）的底部中間位置。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述彈簧一端連接在所述隔板（141）上，另一端連接在所述緩沖墊上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述雙極性發(fā)射線圈包括第一發(fā)射線圈（212）和第二發(fā)射線圈（213），所述第一發(fā)射線圈（212）和所述第二發(fā)射線圈（213）反向串連。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一發(fā)射線圈（212）沿所述發(fā)射磁芯（211）的左端順時針繞制，所述第二發(fā)射線圈（213）沿所述發(fā)射磁芯（211）的右端逆時針繞制。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述發(fā)射磁芯（211）和所述拾取磁芯（121）為pc95鐵氧體。

9.用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，所述拾取結(jié)構(gòu)（12）位于auv內(nèi)，所述發(fā)射結(jié)構(gòu)（21）位于水下充電塢內(nèi)，對準(zhǔn)時所述拾取磁芯（121）的兩端與所述發(fā)射磁芯（211）的兩端垂直位置保持一致。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，所述發(fā)射磁芯（211）為與auv外殼弧度一致的弧形設(shè)計，所述雙極性發(fā)射線圈為曲面設(shè)計，且所述雙極性發(fā)射線圈的側(cè)面弧度與弧形的所述發(fā)射磁芯（211）弧度保持一致；所述抗軸向錯位結(jié)構(gòu)（13）呈與auv內(nèi)殼弧度一致的弧度，所述抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)（14）與auv內(nèi)殼間留有空隙。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水下無線充電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于水下無線能量傳輸?shù)碾p極性拱形磁耦合結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。所述發(fā)射結(jié)構(gòu)（21）包括發(fā)射磁芯（211）和位于所述發(fā)射磁芯（211）之上的雙極性發(fā)射線圈，所述拾取結(jié)構(gòu)（12）包括拱形的拾取磁芯（121）和繞于所述拾取磁芯（121）上的拾取線圈（122），所述抗軸向錯位結(jié)構(gòu)（13）設(shè)置在所述拾取磁芯（121）上，所述拾取磁芯（121）位于所述抗旋轉(zhuǎn)錯位結(jié)構(gòu)（14）之外。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：該磁耦合結(jié)構(gòu)利用電磁感應(yīng)實現(xiàn)從雙極性發(fā)射線圈到拾取線圈的電能傳輸，可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、旋轉(zhuǎn)及軸向錯位容忍度高，可實現(xiàn)水下穩(wěn)定、高效無線電能傳輸。

技術(shù)研發(fā)人員：楊星海,聶志濤,王耀輝,崔振宇,葉臣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30