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电源学报 2024年第4期22卷 219-227页

作者：宋毅罗颖麦瑞坤朱宸彦肖静陈绍南西南交通大学电气工程学院成都610031 南方电网无线传能联合实验室(广西电网有限责任公司) 南宁530023 中国电源学会

与传统接触式充电方式相比,采用感应式电能传输IPT(inductive power transfer)系统给自主水下航行器AUVs(autonomous underwater vehicles)充电更加方便和安全。为了解决AUV船体中心磁场强和由波浪引起的旋转偏移导致传输功率剧烈波动... 详细信息

与传统接触式充电方式相比,采用感应式电能传输IPT(inductive power transfer)系统给自主水下航行器AUVs(autonomous underwater vehicles)充电更加方便和安全。为了解决AUV船体中心磁场强和由波浪引起的旋转偏移导致传输功率剧烈波动的问题,提出1种具有新型耦合结构的三相IPT系统。耦合器由3个发射线圈和4个反向交替串联的接收线圈组成,该结构有利于抑制中心磁场并提高抗旋转偏移性能。Maxwell仿真结果表明,在船体旋转时,等效互感Meq波动小于2%,同时AUV中心磁场始终保持在较低水平。此外,为简化系统分析,采用1种无源元件解耦的方法对3个发射线圈进行解耦。搭建了1台基于LCC-S补偿拓扑的实验样机来验证系统的可行性,实验结果表明,当AUV旋转时,传输功率为536~595 W,最大波动率为9.91%,系统直-直最高效率为86.28%。

关键词：感应式电能传输自主水下航行器抗旋转偏移三相抑制中心磁场

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用于自主水下航行器的抗旋转偏移三相IPT系统设计

用于自主水下航行器的抗旋转偏移三相IPT系统设计

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作者：宋毅西南交通大学

学位级别：硕士

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles,AUVs),具有安全、灵活、工作范围广等优点,被广泛应用于海洋探索领域。但AUV受体积和电池容量的限制,无法在水底长时间执行任务,需要返回基地充电。传统的有线充电方式在水下环境中的应... 详细信息

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles,AUVs),具有安全、灵活、工作范围广等优点,被广泛应用于海洋探索领域。但AUV受体积和电池容量的限制,无法在水底长时间执行任务,需要返回基地充电。传统的有线充电方式在水下环境中的应用受到极大限制,而感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术能够实现供电侧与用电侧之间的非接触式充电,成为解决水下充电困境的最优方案。在采用IPT技术为AUV进行无线充电时,由于海底洋流等因素,导致AUV难以避免地会发生旋转偏移,从而导致传输功率的波动。此外,AUV内部空间有限,电力电子器件较多,因此无线充电系统的磁场分布不可集中在船体中心,否则较强的电磁场可能会干扰AUV内部电力电子器件或控制电路的正常工作,导致AUV系统发生故障。本文以此为背景,提出一种具有新型耦合结构的三相IPT系统。耦合器由三个发射线圈和四个反向交替串联的接收线圈组成,该结构有利于抑制中心磁场并提高抗旋转偏移性能。本论文的主要研究如下:1、研究了典型拓扑S-S、S-P、LCC-S、LCC-LCC的特性,并选择LCC-S拓扑作为三相IPT系统的基本拓扑。分析了三相LCC-S拓扑的特性,为简化分析,提出了“等效互感”概念并推导了其与系统输出功率的关系。2、推导了原边发射线圈之间的交叉耦合对三相IPT系统传输特性的影响,结果表明交叉耦合会向系统引入无功功率,增大系统所需容量。为了消除原边线圈间的交叉耦合,提出了一种基于无源元件的解耦方法,详细介绍了解耦方法的原理和限制条件。最后给出了采用无源元件解耦方法的三相LCC-S拓扑及参数设计方法。3、根据毕奥-萨伐尔定律明确了磁场分布的基本分析方法。提出了一种新型耦合结构,利用上述磁场分析方法定性分析了发射线圈和接收线圈对中心磁场分布的影响,进而明晰了中心磁场抑制机理。通过有限元分析软件ANSYS Maxwell验证了所提出耦合结构对中心磁场的抑制效果,并与传统单相系统进行了对比。此外,得到仿真模型自感、互感等耦合参数随旋转偏移角度的变化情况,并分析了这些参数对系统传输功率和灵敏度的影响。仿真结果表明,新型三相耦合结构能够兼顾抗旋转偏移能力和低中心区域磁场强度两项性能。4、为验证本文所提方案的可行性,搭建了600W的实验样机,并测量了系统从0°偏移到60°的情况下系统输出功率的变化和效率的变化。实验结果表明:在旋转偏移时输出功率波动范围为536～595W,最大功率波动59W,最大波动率为9.91%。系统直-直最高效率为86.28%,最低为85.24%。

关键词：自主水下航行器感应电能传输三相抗旋转偏移抑制中心磁场

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